Instituto Tecnológico de Chihuahua

Field Programmable Analog Array (FPAA)

José Ivan Muñoz Ríos

Adrián Alberto González Estrada

Febrero 2016

Introducción

La tecnología digital tal y como la conocemos, no nació de la noche a la mañana, es resultado de una constante evolución debido a las necesidades que fueron surgiendo con el tiempo. Podemos decir que el mundo digital nació a partir del mundo analógico, es decir en un principio la tecnología operaba en base a dispositivos puramente analógicos, un ejemplo de esto son las telecomunicaciones, tales como la radio o el telégrafo, ambas tecnologías basadas en dispositivos analógicos para trasmitir la información.

Podemos establecer una estrecha relación entre los dispositivos analógicos y los dispositivos digitales como antagónicos funcionales de estos, un ejemplo sencillo es el FPGA y el FPAA, ya que podríamos decir que funcionalmente son antagónicos, estableciendo que digital es el antagónico de analógico. Siendo el FPAA la parte analógica, pero.

¿Qué es un FPAA?

Un arreglo analógico programable en campo, por sus siglas en ingles FPAA (Field Programmable Analog Array), es un circuito integrado el cual puede ser implementado para diversas funciones analógicas, considerando que su equivalente en sus circuitos digitales son los FPGAs por sus siglas en inglés (Field Programmable Gate Array). Los elementos básicos que componen un FPAA son los Bloques analógicos configurables por sus siglas en ingles CAB (Configurable Analog Blocks) el cual manipulan las señales y las redes de las rutas de interconexión.

Las funciones analógicas que van a ser implementadas son definidas por un conjuntos de bits de configuración cargados de los registros internos de desplazamiento, los bloques analógicos tienen parámetros que se pueden programar para adaptarse a una aplicación en particular, el cual cada CAB se puede usar para implementar una gran variedad de procesamiento de señales analógicas, por ejemplo; amplificación, integración, diferenciación, suma, resta, multiplicación, comparación, logaritmos y exponenciales.

Los FPAA están diseñados para trabajar en diferentes tiempos, el continuo y discreto:

En tiempo discreto están diseñados con tecnología de capacitores conmutados o corriente conmutada, el cual se pretende obtener una resistencia variable a diferentes frecuencias para la conmutación del interruptor. Las ventajas se pueden observar en términos de la capacidad de programación y la insensibilidad de la resistencia en los interruptores.

En tiempo continuo están diseñados con tecnología de transductores, como un transistor bipolar o FET. La celda básica consiste en un amplificador operacional y capacitores programables vinculados a través de un arreglo basado en transductores, estos presentan ventajas en términos de ancho de banda con reducido rango de programación para sus parámetros.

El FPAA de Lattice

El elemento básico funcional de los circuitos FPAA de lattice es el PACell (Programmable analog cell) que dependiendo de la arquitectura especifica del circuito puede ser un amplificador de instrumentación, un amplificador sumador u otra etapa activa elemental.

EL FPAA de Zetex

Los FPAA fabricados por Zetex se denominan FPAD (Field Programmable Analog Device), el circuito se basa en una celda analógica configurable única, la cual es flexible a la programación de diferentes funciones tales como la adición, negación, logaritmo, antilogaritmo, amplificación, diferenciación, integración, rectificación y seguidores de voltaje. Estas funciones se combinan para implementarse en un sistema de procesamiento o un acondicionamiento de señal.

El FPAA de Anadigm

La compañía Anadigm (Analog Paradigm) tiene dos familias de FPAA’s, que están divididas en cuanto a la manera de reconfiguración, La primera tiene reconfiguración estatica, es decir, el dispositivo debe reiniciarse antes de cargar el flujo de bits (bit stream) de configuración. La segunda familia es dinámicamente reconfigurable, es decir, tiene la capacidad de reconfiguración dinámica en tiempo real, lo cual quiere decir que el dispositivo puede ser reconfigurado por el programador sin necesidad de reiniciar el sistema para cargar los cambios realizados.

CAB

Tal y como establecimos anteriormente un FPAA está formado por CABs interconectados entre sí, un CAB a su vez está formado por 2 matrices de conmutadores analógicos, un arreglo de 8 capacitores programables de pequeña dimensión con un valor entre 0 y 255 unidades de capacitancia. Seguida de 2 amplificadores operacionales a 50MHz y un comparador, los cuales son retroalimentados a la matriz de conmutadores analógicos de la entrada.

Para que el circuito funcione de manera adecuada, se necesita el uso de señales de reloj no solapadas, las cuales son proporcionadas por el bloque NOL obtenidas a partir de las 4 señales de reloj del sistema.

EL bloque de configuración y control lógico está compuesto por una memoria SRAM de configuración, una shadow SRAM y la lógica de control.

Conclusión

Como hemos podido observar los FPAA tienen un amplio entorno de desarrollo así como de utilidad para el usuario al momento de trabajar señales analógicas, más específicamente para el acondicionamiento de señales propiciando una herramienta poderosa al momento de realizar un diseño para trabajar de manera analógica una señal, realizándolo de una manera más sencilla, confiable y eficaz que de la manera tradicional al diseñar el sistema para un caso específico, además de que un FPAA posee volatilidad es decir puede adaptarse el hardware a un cambio de manera más sencilla y practica que con otro medio.