瞭解現代化混合訊號設計中的現場可編程類比陣列

隨著現代化電子系統整合更多感測器，且在更高動態的環境中運作，固定式類比電路的限制越來越難以忽視。或許數位處理主導著如今的系統架構，但實體世界仍是類比的。每個感測器、致動器和介面仍然從一個實際的電氣訊號開始，必須先經過放大、濾波和調整後，才會進行任何有用的處理。

低延遲反應的地位越來越關鍵，且應用需求持續演變，類比前端的重要性也日益增加。工業監測、醫療儀器、車用電子以及物聯網平台都仰賴精密且可調整的訊號調節能力。類比訊號品質若有小幅度提升，往往就可直接轉化成更優異的系統準確性、可靠性與效率。

在傳統上，類比訊號鏈是由固定功能的元件構成，例如運算放大器、濾波器和比較器。當需求穩定且已充分理解時，這種作法可以帶來優異的結果。然而，其本質上是僵化的。在感測器特性、工作條件或效能目標的變化下，經常需要線路圖變更、PCB 重新佈局，以及額外的驗證循環。

現場可編程類比陣列 (FPAA) 可提供不同的作法。工程師可以透過軟體來配置類比功能，不用再依靠固定在硬體中的類比訊號鏈。Okika Devices 的 OTC2310K04-PIKA Chameleon™ 第八階巴特沃斯低通濾波器，以及 Apex Quad4 (圖 1) 可展示可編程類比架構如何應用在真實的混合式訊號系統中。本文將探討 FPAA 的運作原理、在現代系統架構中的定位，以及工程師在評估可編程類比解決方案時應考量的權衡因素。

圖 1：Okika 的 PiKa Quad FlexAnalog FPAA 開發板。(圖片來源：Okika Devices)

類比設計中的結構性挑戰

數位工程師會在類比設計中面臨鮮少遇到的挑戰。電路的行為對元件容差、溫度漂移、雜訊耦合和佈局效應非常敏感。微小的變化就有可能大幅影響增益、偏移、頻寬或穩定性。

驗證與調校通常耗時且需反覆進行。設計人員必須評估供電和溫度極端條件下的效能，並考慮最壞情況的容差，更要驗證是否符合系統層級的需求。要達到穩健的效能，通常需要多次修改板件版本。

迭代成本是持續存在的問題。調整電阻值或濾波器拓撲通常代表要重新設計硬體。每次改版都會增加成本、延長時程並帶來風險。

後期階段的變更尤其干擾。新的感測器、更新的合規要求或非預期的雜訊來源，都可能迫使進行大幅度的重新設計。與數位系統不同，這些問題無法透過韌體更新來解決。這種缺乏彈性的情況，對類比為主的系統來說，長久以來都是一種結構性的限制。

現場可編程類比陣列簡介

現場可編程的類比陣列是一種提供可配置類比功能的積體電路。FPAA 不依賴固定的內部電路，而是納入可編程的類比建構模塊，其可互連而形成自訂的訊號路徑。

典型的 FPAA 功能包括放大、濾波、積分和比較。同一個裝置可以在開發的不同階段進行不同的配置，甚至完全重新定位，以擔任新的角色。這種可重新配置的能力是 FPAA 的決定性特徵。

FPAA 經常與 FPGA 進行比較，但這種相似性僅在概念上，而非技術層面。兩者都依賴可重新使用的功能模塊和可編程互連元件。主要的差異在於 FPAA 會直接在連續時間的類比域中運作。會對真實世界的訊號進行處理，而非將其轉換成數位形式。

在混合式訊號系統中，FPAA 通常會當作自適應類比前端。其位於感測器與 ADC 之間，或 DAC 與致動器之間，會在數位處理開始之前先增進訊號品質。

核心架構與配置模型

FPAA 是由可配置類比模塊 (CAB) 組成，這些模塊會形成裝置的核心。這些模塊通常會實作放大器、濾波器、積分器和比較器等功能。每個模塊皆可編程，能讓設計人員設定增益、頻寬、偏壓條件及閾值等參數，藉此指定其所需的電路行為。

可編程的互連元件 (路由結構) 會將這些模塊連結在一起。此架構可定義訊號流經裝置的方式，並可在不需外部硬體重新設計的情況下，讓訊號鏈重新排列或擴充。

裝置行為是由配置所定義，通常會儲存在交換清單或配置記憶體中。此配置會在開機時載入，並建立類比訊號路徑。許多 FPAA 平台也支援快速重新配置，能在開發期間或在某些情況下於運作期間進行更新。

類比 I/O 介面會將 FPAA 接到感測器、ADC、DAC 及其他外部元件。這些介面的設計可支援可預測的訊號位準、穩定的操作，並可順利整合至混合訊號系統中。

設計工作流程與開發優勢

FPAA 開發讓類比系統的設計方式有所轉變。工程師不再使用離散元件建構固定功能的電路，而是透過直覺式的線路圖配置工具來指定訊號行為。

設計人員可挑選可配置的類比模塊 (CAB)，並透過可編程路由結構將其連接，藉此建立完整的訊號鏈 (圖 2)。關鍵參數如增益、濾波特性和閾值等，可直接在軟體中設定。這可將類比設計從原本需手動進行且計算繁重的過程，轉變成更快速且更具彈性的配置導向作法。

圖2：挑選可配置類比模塊 (CAB) 並透過可編程路由結構將其連接，藉此建立完整的訊號鏈。(圖片來源：Okika Devices)

由於設計可在數分鐘內完成更新，迭代週期得以大幅加快。工程師可以快速探索替代方案、評估權衡因素，並持續精進效能。這種速度可達到真正的最佳化，但這對傳統的類比硬體來說往往不切實際，因為每次變更都需要重新設計、重建和重新測試。

大多數 FPAA 平台會在開機時載入配置，也有些平台可支援結構化的執行階段重新配置，例如在操作模式之間切換。在這兩種情況下，具有無需改變硬體即可修改類比功能的能力，就可縮短開發時間、降低成本，並延長產品生命週期。

實際上，FPAA 將軟體定義模型帶入類比設計中，讓電子系統的前端迎向嶄新的靈活性、效率和效能層次。

常見應用

感測器訊號調節

感測器介面是 FPAA 的主要應用案例。許多感測器會產生低位準、含雜訊或偏移的訊號，都需要經過放大、濾波和校正後才能數位化。

FPAA 可以將這些功能整合到單一裝置中，因此能減少元件數量並簡化設計變更作業。當感測器特性變化或演進時，訊號鏈可以重新配置，無需重新設計。

這對支援多種感測器類型或需求變動的系統來說特別有價值。

心電圖 (ECG 或 EKG) 監測就是個很好的例子。從人體測量的電氣訊號通常只有幾 mV，且容易受到動作假影、電源線干擾和基線漂移的影響。要達到可靠的測量，需要在訊號抵達 ADC 之前，進行仔細的放大、濾波和共模雜訊抑制。

快速類比原型設計

FPAA 平台在早期開發階段特別有用。

工程師可以評估不同的濾波器響應、增益級或偏壓策略，無需受到最終電路拓撲的制約。由於變更快速且可逆，設計的取捨在開發過程中能更早顯現。

需要的 PCB 改版更少，因此團隊可以更快達成穩定的架構。

自適應與多模式系統

許多系統可在多種模式下運作，例如校正、低功率運作或不同的輸入範圍。

FPAA 可透過重新配置類比參數或訊號路徑的方式來達到此操作。增益、頻寬和濾波皆可在模式之間調整，可透過預先指定的配置或受控更新達成。

使用離散元件達到類似的適應性，通常需要額外的電路並增添複雜性。

類比邊緣處理

FPAA 通常用於類比前端 (AFE)，以在訊號抵達 ADC 之前對其進行調節。

功能包括：

• 降噪與濾波
• 訊號縮放與偏移校正
• 特徵擷取 (例如波封偵測、閾值判定)

在數位化之前增進訊號品質，就可降低 ADC 解析度需求、減少數位處理負載，並降低系統功耗。

在即時和控制應用中，類比預處理也可降低延遲，進而增進系統的反應性。

與其他訊號處理作法相比

若系統需求固定，離散式類比設計可提供最高等級的效能與精確度。然而，此效能是以靈活性為代價，因為即使是輕微的變更，通常也要重新設計硬體。

為了加入適應性，許多系統仰賴以 DSP 或 MCU 為基礎的處理能力，其可在 ADC 之後的數位域中運作。這種作法可達到靈活的訊號處理，但仍仰賴輸入訊號的品質，且會帶來額外的延遲和功率負擔。

FPGA 可達到高吞吐量的平行運算，進一步擴大數位處理能力。然而，僅能處理已數位化的資料，無法直接處理連續時間訊號。因此，在數位化之前仍然需要類比訊號調整。

FPAA 可在 ADC 之前，在感測器介面上操作，以填補這個缺口。因為在來源端提升訊號品質，因此可減輕下游數位系統的處理負擔。如此一來，FPAA 能讓 DSP 和 FPGA 更加完善，有助於打造更高效且平衡的混合訊號架構。

權衡與限制

FPAA 並非離散式類比設計的通用替代方案。相反地，會帶來一連串權衡，必須依據系統需求進行評估。

就效能而言，依據架構和配置的不同，各種參數，例如頻寬、雜訊和精確度等，可能無法與高度最佳化的離散式電路相比。

功耗也是另一個重要考量。FPAA 中的主動類比模塊會消耗電力，在某些情況下，精心最佳化的離散或被動式解決方案則可為專用功能達到更高效率。

成本在技術的挑選上也是考量之一。在需求穩定的高產量的應用中，離散解決方案可能更具成本效益。在注重靈活性、可重新配置性及縮短開發週期的系統中，FPAA 可提供最大價值。

在判斷 FPAA 是否適合指定應用時，必須先瞭解這些權衡因素。

生態系統與降低風險

FPAA 裝置和開發平台在電子元件經銷商大廠推動下，變得更容易評估。支援生態系統通常包含配置工具、參考設計和應用說明文件。

這些資源有助於工程團隊在設計過程初期就對效能假設進行驗證。明確的架構指引和實作範例可以降低整合風險，且更容易判斷可編程類比是否適用於指定應用。

結論

現場可編程類比陣列能為類比系統設計帶來長久以來需要的彈性。具備可在軟體中配置及重新配置訊號鏈的能力，就可縮短傳統硬體迭代所涉及的時間、成本與風險。

這並非用於取代高效能的離散類比電路，也無法抹滅數位處理的需求。相反地，FPAA 能讓 ADC、DSP 和 FPGA 更加完善，可提升前端的訊號品質，並可讓類比行為隨著系統需求的變化進行調適。

Okika Devices 的 FPAA 展示出可編程類比如何從理論進入實際的混合訊號設計。若團隊面臨的是不斷演進的感測器介面、多模式操作或不明確的規格，具有這種彈性會是一大優勢。隨著混合訊號系統越來越複雜，可編程類比可在不接觸 PCB 的情況下，對類比行為進行調整與精進，因此在成現代電子開發中日益珍貴。