alan programlanabilir analog diziler (fpaa) içindekiler

ALAN PROGRAMLANABİLİR
ANALOG DİZİLER
(FPAA)
İÇİNDEKİLER

Giriş

Alan Programlanabilir Analog Diziler

FPAA’lerin Programlanması

Kaos Kuramı Ve FPAA Tabanlı Kaotik Uygulamalar

Sonuç

Kaynaklar
GİRİŞ
Elektronik sistemlerde dijital devrelerin yetersiz
uygulamalarda analog devreler önemli bir rol oynamaktadır.
kaldığı
Dijital devreler, analog eşdeğerleriyle karşılaştırıldığında:




Daha esnektirler,.
Daha kolay tasarlanabilirler .
Diğer dijital sistemlerle daha uyumludurlar.
Ayrıca doğruluk ve hassasiyet bakımından da kullanılan bit sayısıyla
orantılı olarak önemli bir avantaja sahiptirler.
Fakat;

Birçok uygulamada sensör ve uyarıcı ara bağlaşım
devrelerine veya dönüşümü sağlayan A/D dönüştürücü
veya D/A dönüştürücülere ihtiyaç duyarlar.

Dijital sistemler daha karmaşık bir devre yapısı ve daha
büyük alanına ihtiyaç duyarlar.

Daha büyük alan ise analog eşdeğerlerine göre, haliyle
daha yavaş bir çalışma ve daha fazla güç tüketimini de
beraberinde getirmektedir.
Öte yandan analog sistemlerde;

Tasarım esnekliğinin az olması

Gerekli olan eleman çeşitliliği, analog sinyallerin değişik seviyelerde
ve sürekli zamanda olması

Yüksek doğrulukta devre modellemesinin gerekliliği,
analog sistemler için dezavantajdır.
FPAA’de esnek mimari, yüksek hata toleransları, sıcaklığa karşı
kararlılık, devre karmaşasının ortadan kaldırılması ve en önemlisi
yeniden programlanabilir olması bu donanımın tercih edilmesinde
önemli etkenlerdir.
ALAN PROGRAMLANABİLİR ANALOG
DİZİLER
Tasarım süreçlerinin kısa olması, doğruluk, düşük
fiyat, hızlı prototip teknikleri ve en önemlisi
programlanabilir olması gibi avantajlara sahiptir.
FPAA’in yararları aşağıdaki şekilde özetlenebilir:






Tasarlanan yöntemleri basitleştirir.
Çoklu tasarımlar için bir malzeme ile çözüm sağlar.
Envanter yönetimini büyük ölçüde basitleştirir.
Tasarlanan çözümleri toparlamaya olanak sağlar.
Tasarım maddeleri ısıya karşı dayanıklıdır.
İşlemlerdeki kesinlik sayesinde sistem güvenirliliği artar.
Tipik
bir
FPAA
programlanabilir eleman matrisi
olan
ve
genelde
CAB
(Configurable Analog Blocks) diye
bilinen yapıları içerir.
CAB’ler;
programlanan
dahili ağları düzenleyen birimdir.
FPAA iki veya daha fazla
CAB,
clock
kaynağı,
yapılandırılabilir lojik, hafıza ve
shift register içerir.
Yazılımda özel tasarımlar
yürütmek için yapılandırılabilir lojik
kullanılır.
Genel blok diyagramı Şekil1’de gösterilmiştir.
Şekil 1: Dört CAB’li FPAA Blok
Diyagramı
içerir.
CAB, dahili bağlantılı ağı ve I/O blokları
Çoğu FPAA CAB’deki değişken analog
işlemleri
yürütmek
için
“Anahtarlamalı
Kapasitör” teknolojisi diye bilinen düzeneği
kullanır. Tipik bir CAB Şekil-2’de örneklendiği
gibi; 1 veya daha fazla opamp, kapasitör
kümesi ve bir anahtar dizisi içerir.
Dahili bağlantı ağı, CAB’leri birbirine
bağlayan lokal yollardır. Diğer CAB’leri dış
dünyaya bağlayan yollar global yollardır.
Bu özellikleri kullanarak, çoğu analog
işlem (yükseltme, integral alma, türev alma,
filtreleme) opamplarla ve geleneksel pasif
malzemelerle (direnç, kapasite) daha ucuz
fiyata, daha küçük boyutlarda, daha
güvenilirlikli ve daha kararlı bir şekilde
yapılabilir.
Ek olarak, programlanabilirlik verilen
devre veya sistemin değerlerini ve tasarımını
değiştirmeyi kolaylaştırır.
Şekil 2:Basit Bir CAB Blok Diyagramı
Şekil 3’te gösterildiği gibi anahtarlamalı kapasitör devresi, bir
adet kapasitörden, iki adet V1 ve V2 gerilim kaynağından ve iki kutuplu
anahtardan oluşmaktadır.
Şekil 3: Temel Anahtarlamalı Kapasitör Devresi.
Periyodun ilk yarısı boyunca anahtar Şekil-3’te gösterildiği gibi 1
pozisyonundadır.
Kapasitör oldukça hızlı bir şekilde voltaj kaynağı V1’e şarj olur.
Böylece, t=0’dan t=T/2’ye kadar kapasitörün V1’e şarj olmasıyla ortalama
akım I1 elde edilir.
Periyodun ikinci yarısında, şekilde gösterildiği gibi anahtar 2
pozisyonuna getirilir. Çünkü V1>V2’dir ve kapasitör hızla V2 voltajına deşarj
olur.
Ortalama akım, V1 kaynağı ve periyot üzerinden aşağıdaki gibi
hesaplanır:
I 1( ort ) 
Q1(T / 2 )  Q1( 0 )
T
Q1(0) t=0 anındaki yük, Q1(T/2) ise t=T/2 anındaki yüktür.
Sonuç olarak Q1(T/2)-Q1(0) anahtar 1 durumundayken ki net yük
transferidir.
T/2’deki kapasitör voltajı V1’e eşittir ve 0 veya T’deki kapasitör
voltajı da V2’ye eşittir. Sonuçta C.V=Q eşitliğinden;
I 1( ort ) 
elde edilir.
C  V1(T / 2 )  C.V2 ( 0 )
T

C  (V1(T / 2 )  V2 ( 0 ) )
T
Yapılandırılabilir Analog Bloklar (CAB):
Şekil-4’te blok diyagramı gösterilen tipik bir AN221E04 elemanı, 2x2 matris
şeklinde düzenlenmiş başlangıç programı ve yeniden yapılandırma için lojik ve diğer
kaynakların birleşimini içeren dört adet CAB’den oluşur.
Devre tasarımında CAB’ler; integratör, fark kuvvetlendiricisi, filtreler,
karşılaştırıcılar ve diğer devre türleri gibi analog işlemlerin kütüphaneleriyle yazılım
geliştirmede kullanılır.
CAB’in blok diyagramı Şekil-5’te gösterilmiştir. İki opampın ve bir
karşılaştırıcının mevcut olduğuna bununla birlikte kapasitör yığınlarının ve
anahtar matrislerin bulunduğuna dikkat ediniz.
Şekil 5

Kontrol Lojik Birimi:
CAB’lerdeki kontrol lojik birimi dış dünyadan gelen verileri verileri gölge
(shadow)SRAM’e gönderir ve yapılandırılmış SRAM’e kopyalar. Herhangi
bir veri güncelenmek istendiğinde SRAM verileri shodow SRAM’e kopyalar.
Gölge SRAM’deki veri yeniden programlanmak veya belirtilen parametreleri
değiştirilmek için yapılandırılmış SRAM’e taşınabilir. Bu işlem on-the-fly
olarak programlanabilir.

Anahtar Matrisleri:
SRAM tarafından kontrol edilen iki anahtar dizisi vardır. Bu diziler devre
bağlantılarını
seçmede,
kapasitör
değerlerinin
belirlenmesinde,
anahtarlamalı kapasitör işlemlerinde ve giriş seçilmesinde kullanılırlar.

Kapasitör Blokları:
Kapasitörler daha küçük kapasitör değerleri için seri; daha yüksek değerler
için paralel bağlanırlar. Ayrica sabit değerler için de bağlanabilir veya direnç
gibi de kullanılabilirler. Bu mimaride dirençlerin üzerinden akım geçirmek
yerine, elektriksel yükün kapasitörler arası geçişini, hassas anahtarlama
zamanları ile kontrol etmek esastır.

LUT Arayüzü:
Adres kodlarının, analog giriş işaretlerinin ve diğer işlemlerin değiştirilmesi
için kullanılır.
FPAA tasarımının konuları nedir?

FPAA’ler hem sürekli zaman hem de ayrık zaman domenlerinde tasarlanır.

Ayrık zamanlı FPAA; anahtarlamalı kapasitör ya da akım anahtarlama
teknolojisiyle tasarlanır;fakat işaret frekansları anlamlı olanlar clock
frekansından daha düşük olanlarla sınırlıdır.

Sürekli zamanlı FPAA; genellikle band genişliği avantajı sağlayan
transkondüktanslar kullanılarak tasarlanır fakat bu parametreler için
programlanma oranı daha kısıtlıdır ve performansları devre parazitlerine
daha eğilimlidir.
FPAA için verilen frekans cevabı limiti nedir?
FPAAlerin frekans performanslarının limit faktörleri:
- FPAA içinde kullanılan opampların bant genişliği ve
- Kaskad yapılardaki CABlerin sayılarına bağlıdır.
Ayrık zamanlı tasarımlarda(anahtarlamalı kapasitör ve akım anahtarlaması)
en yüksek clock frekansı ile sınırlandırılır.


FPAA’LERİN PROGRAMLANMASI
FPAA’le programlanan bir devre tasarlamak, genel kurulum yazılım
geliştirmek için bir bilgisayara, standart arayüzlü bir bilgisayar porta, bir PC
borda ihtiyaç vardır. FPAA elemanı PC bord üzerine yerleştirilmiştir.
Yazılım geliştirme; bir devrenin tasarımını bilgisayara aktarmamızı,
simülasyonlarla tasarlananların beklendiği gibi işlediğinden emin olmamızı
sağlar.
FPAA için ANADIGM DESIGNER 2 simülasyon programı
kullanılmaktadır.Programda Yapılandırılabilir Analog Bloklar(CAMs)’lar
bulunmaktadır. Bunlardan bazıları;






Analog-digital çeviriciler
Kuadratik filtre
Diferansiyel karşılaştırıcı
Yarım dalga doğrultucu
Terslendiren toplayıcı
Örnekleme ve tutma






Lineer olmayan filtre
DC voltaj kaynağı
Bölücü
İntegratör
Periyodik dalga üreteci
Osilatör vs…’dir.
Şekil 6: FPAA Arayüzü
Şekil 7: Modül Seçim Ekranı
UYGULAMALAR
A. Temel PID Blok Yapısı
B.Toplanan İki İşaretten İstenilen İşaretin Yeniden Elde Edilmesi
C.Çift Yan Band Genlik Modülasyonu
Taşıyıcı işaretin genliğinin bilgi işaretinin genliğine bağlı olarak değiştirilmesiyle
elde edilen modülasyon türlerinin genel adı Genlik Modülasyonudur.(AM). Taşıyıcılı
genlik modülasyonunun genel formülü şu şekildedir:
s (t) AM =(1+ m a m(t))c(t)
(1)
Burada c(t)= Ac cos(w c t +ϕ ) taşıyıcı, m(t) bilgi işareti, ma ise bilgi işaretinin
genliğini sınırlamaya yarayan bir modülasyon indeksidir.
Yukarıdaki denklemde c(t) yerine konarak denklem düzenlenirse:
s (t) AM = (1+ ma m(t))A c cos(wc t +ϕ ) = Ac cos(wc t +ϕ )
+ Ac ma m(t) cos(w c t +ϕ )
(2)
Elde edilir.
SONUÇ
programlanması konusunda
Analog devrelerin
FPAA kullanılması
tasarımlarda kolaylık sağlar, ayrık elemanların temini ve maliyetinden
kurtarır. Ayrıca tekrar programlanabilir yapı bize tek bir entegreyle birden
fazla tasarımın gerçekleştirilmesi imkanını verir.






Karışık fonksiyonları çözmenin yanı sıra FPAA’in yararları aşağıdaki
şekilde özetlenebilir:
Tasarlanan yöntemleri basitleştirir.
Çoklu tasarımlar için bir malzeme ile çözüm sağlar.
Envanter yönetimini büyük ölçüde basitleştirir.
Tasarlanan çözümleri toparlamaya olanak sağlar.
Tasarım maddeleri ısıya karşı dayanıklıdır.
İşlemlerdeki kesinlik sayesinde sistem güvenirliliği artar.
Yapılan
çalışmalarda
gerçekleştirilen
lineer
ve
nonlineer
uygulamalarda FPAA tasarımlarının nümerik çözümlerle uyuştuğu
görülmüştür. Yapılan ölçümlerde tasarımların nümerik çözümlere yakın
sonuçlar verdiği, oluşan bu farkın da ayrık elemanlarla gerçekleştirilen
tasarımlardan fazla olmadığı gözlenmiştir.
KAYNAKLAR
[1] Mohd Redzuan bin Ahmad, “Programmable Analog Array”
[2] www.anadigm.com
[3] Hall, Tyson S., “Field-Programmable Analog Arrays: A
Floating-Gate Approach”, In Partial Fulfillment of the
Requirements for the Degree Doctor of Philosophy, 2004
[4] Gaudet, Vincent C., Gulak, Glenn P., Implementation Issues
for High-Bandwidth Field-Programmable Analog Arrays