Разработка гетерогенных схем для аналого-цифровых систем на кристалле
Автор: Крылов С.М., Сараев М.В., Гребенщиков Е.Н.
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Физика
Статья в выпуске: 5-2 т.11, 2009 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматриваются некоторые подходы к разработке и проектированию различных аналого-цифровых систем на кристалле на основе нового междисциплинарного научного направления - «Объединённой формальной технологии» (ОФТ)
Общая теория систем, гетерогенные системы, функциональные блоки, аналого-цифровые системы на кристалле, схемы коррекции смещения нуля
Короткий адрес: https://sciup.org/148198753
IDR: 148198753
Текст научной статьи Разработка гетерогенных схем для аналого-цифровых систем на кристалле
В работе [1] рассмотрены методы представления различных моделей объектов и систем, основанные на формально-технологическом подходе [2]. Кратко суть предложенного в [1] подхода заключается в том, что любой элемент или объект ai может быть представлен математической моделью в виде совокупности двух множеств: ai=<γpi, Mfi>=<{γi0, γi1,... γin}, {γij=φj(γis,..., γjk);...; γir=φr(γit,..., γml)}>, где γpi – список параметров {γi0, γi1,... γin}, отображающих свойства данного элемента ai на числовую ось (или на другую, заранее оговариваемую, нечисловую шкалу), Mfi={γij=φj(γis,..., γjk);...; γir=φr(γit,..., γml)} - список функциональностей, относящихся к этим свойствам. Состояние элемента ai – это конкретное значение всех параметров γpi – то есть конкретное значение соответствую-щего вектора Гi. Такое унифицированное математическое представление объектов легко позволяет переносить их практически в любую компьютерную среду, поддерживающую объектно-ориентированное программирование (ООП) для проведения различных модельных компьютерных экспериментов, испытаний и аналитических расчётов, и, кроме того, коррелирует с концепциями «алгебры физических взаимодействий» Е.М. Карпова [3]. В работе [4] аналогичные подходы предложены для описания различных гетерогенных компонентов микроэлектронных схем в современных многофункциональных программируемых аналогоцифровых системах на кристалле (МПАЦ СНК). В соответствии с этим подходом в табл. 1 при-ведены различные возможные сочетания
Крылов Сергей Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры вычислительной техники
Сараев Михаил Владимирович, аспирант
Гребенщиков Евгений Николаевич, лаборант кафедры вычислительной техники основных типов входных и выходных электрических сигналов и параметров, наиболее часто используемых для представления какой-либо информации в микроэлектронных системах.
Табл. 1, разумеется, не является исчерпывающей, поскольку с теоретической точки зрения возможны и другие, достаточно экзотические типы электрических сигналов и параметров, способных кодировать и передавать информацию. Тем не менее, табл. 1 достаточно представительна, поэтому в первом приближении можно ограничиться ею. Общее число Г гетерогенных сочетаний вход-выход, согласно табл.1, равно:
Г = n 2 – n =210, (1)
где n – общее число рассматриваемых гетерогенных сигналов и параметров.
В тоже время число гомогенных сочетаний H , согласно той же таблице, равно:
H = n = 15 , (2)
то есть в Г/H= 210/15=14 раз меньше. Ясно, что эффективное освоение возможностей, предоставляемое использованием гетерогенных ФБ при построении различных электронных систем, включая МПАЦ СНК, существенно расширяет поле потенциальных схемо- и системотехнических решений, что позволяет надеяться на получение систем с улучшенными техническими характеристиками.
В современных электронных системах, включая МПАЦ СНК, соответствующие типы сигналов и параметров табл. 1 реализуются самыми различными функциональными блоками и компонентами. Например, фирма Cypress Semiconductor в одной из наиболее удачных своих разработок – в программируемой МПАЦ СНК типа PSoC, использует аналоговые конфигурируемые блоки двух типов – «непрерывные» без коррекции Eсм.0 и на переключаемых конденсаторах с автонулением [5]. При этом максимальная погрешность Eсм.0 одного непрерывного блока достигает 10-30 мВ при полосе пропускания до 5,4 МГц [6], тогда как максимальная частота сигнала, обрабатываемого блоками на переключаемых конденсаторах (из-за импульсного режима работы) как минимум на порядок меньше и требует тщательной дополнительной настройки режимов работы для сглаживания неизбежных пульсаций выходного сигнала.
Таблица 1. Сводная таблица возможных сочетаний вход-выход для электрических сигналов и параметров.
|
Вх/ Вых |
U ц |
I ц |
U а |
I а |
U ф |
I ф |
U д |
I д |
U h |
I h |
U ч |
I ч |
R |
C |
L |
|
U ц |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Гт |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Гт |
Гт |
|
I ц |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
U а |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
|
I а |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
U ф |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
I ф |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
U д |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
I д |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
U h |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
I h |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
U ч |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
|
I ч |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
Г т |
|
R |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
Г т |
|
C |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Г т |
|
L |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
Г т |
- |
Примечание: U - сигналы напряжения, I - тока, R - величина сопротивления, C - величина ёмкости, L -величина индуктивности. Подстрочными буквами обозначены: ц - цифровые сигналы, а - аналоговые, ф - фаза сигнала, д - длительность импульсного сигнала, h - амплитуда импульса, ч - частота сигнала, пробел – гомогенное сочетание входных и выходных сигналов и (или) параметров, Г т - гетерогенное сочетание вход-выход
Очевиден вопрос – нельзя ли научиться конструировать аналого-цифровые (АЦ) блоки для МПАЦ СНК так, чтобы максимально использовать достоинства различных гетерогенных компонентов для улучшения всех основных характеристик таких блоков? Сводя вместе различные источники, описывающие различные компоненты электронных схем [7, 8] и учитывая особенности изготовления различных АЦ элементов КМОП-БИС по планарным технологиям [9], рассмотрим такого рода преимущества и недостатки на ограниченном числе наиболее массовых ФБ различного типа. Соответствующая информация представлена в табл.2.
Из табл. 2 хорошо видно, что различные типы ФБ имеют различные преимущества и недостатки при их использовании в МПАЦ СНК. Например, достаточно просто и эффективно реализуются схемы токовых зеркал, но они работают только с аналоговыми токовыми сигналами. Аналоговые ключи, то есть переключатели сигналов напряжения или микроамперных токов (на базе небольших и поэтому достаточно высокоомных МОП-транзисторов), имеют низкую сложность при своей реализации и занимают небольшие площади кристалла. Точные наборы «взвешенных» микро-ёмкостей (уровень десятков-сотен фемто-фарад), и ряд других компонентов достаточно эффективно реалии-зуются в современных технологиях производства микросхем [7, 9].
Таблица 2. Параметры и качественные характеристики различных АЦ ФБ при реализации в составе МПАЦ СНК
|
Тип ФБ |
Тип по табл.1 |
Сложность |
Авто-настр . Eсм.0 |
Площадь, в у.е. |
Точнос ть или Eсм.0, мВ |
Макс. число функци й |
|
резистор R |
I a /U a U a /I a |
низк. |
нет |
k P k T k R R |
20% |
2 |
|
емкость C |
U a /U h U h /U h |
низк. |
нет |
k P k T k C C |
10% |
2 |
|
МОП-транзистор |
U a /R |
низк. |
нет |
1 k P k T |
- |
1 |
|
RS-триггер с занесением |
U ц /U ц |
сред. |
нет |
18 k P k T |
- |
1 |
|
регистр на m разрядов |
U ц /U ц |
сред. |
нет |
18m k P k T |
- |
1 |
|
непрер. ДОУ |
U a /U a |
сред. |
нет |
k P k T 1000 |
±10 |
2 |
|
ДОУ на ПК (PSoC) |
U a /U h |
сред. |
есть |
K p k T 1240+k C C ос |
±1 |
5 |
|
непрерывный компаратор |
U a /U ц |
сред. |
нет |
k P k T 1000 |
±10 |
1 |
|
компаратор на ПК |
U a /U ц |
сред. |
есть |
k P k T 1200 |
±1 |
1 |
|
симметричное токовое зеркало |
I a /I a |
низк. |
нет |
K p k T 2+ k P k T k R R |
10% |
1 |
|
ЦАП на токовом зеркале на m разрядов |
U ц /I а |
сред. |
нет |
k P k T (2m+1 + 1)+k P k T k R R |
10% |
1 |
|
2-х-полярный токовый ЦАП на m разрядов |
U ц /I а |
сред. |
нет |
k P k T (2m+2 + 2)+k P k T k R R |
10% |
2 |
|
цифровой инвертор |
U ц /U ц |
низк. |
- |
k P k T 2 |
- |
1 |
|
ключ КМОП |
U ц /U а U ц /I а |
низк |
- |
k P k T 4 |
- |
1 |
|
полный двоичный дешифратор на m входов |
U ц /U ц |
сред. |
- |
k P k T (2m+2m+1(m+1)) |
- |
1 |
|
ЦАП на сетке 2 m -R на m разрядов |
U ц /I а |
выс. |
нет |
k P k T (2m+2m+1(m+2))+ +2m k P k T k R R |
20% е.м.з.р |
1 |
|
2-х-полярный ЦАП на сетке 2 m -R на m разрядов |
U ц /I а |
выс. |
нет |
k P k T (2m+2m+1(m+2))++ 5k P2 k T +2mk P k T k R R 1 + +k P k T k R R 2 |
20% е.м.з.р |
2 |
Примечания: за единицу площади принимается площадь, занимаемая «единичным» элементом – МОП-транзистором (размером 1x1 мкм2), поэтому коэффициенты в формулах имеют следующий смысл: k P — коэффициент, связывающий площадь (мощность) «единичного» элемента и того, который необходим в данной конкретной схеме (при увеличении мощности размеры элемента увеличиваются); k T - коэффициент, связывающий текущую расчётную площадь элемента с его реальной площадью, занимаемой на кристалле (то есть с учётом дополнительной пустой поверхности кристалла); k R - коэффициент, связывающий сопротивление резистора величиной в одну единицу, с его длиной, R – величина резистора в принятых единицах, k C – коэффициент, связывающий ёмкость конденсатора величиной в одну единицу, с его площадью, C – ёмкость конденсатора в принятых единицах; R – величина одного резистора в сетке ЦАП типа 2 m -R на m разрядов; R 1 , R 2 – величины резисторов в сетке двухполярного ЦАП типа 2 m -R на m разрядов и в цепи задатчика тока двухполярного токового зеркала для этого ЦАП соответственно, k P2 – коэффициент, связывающий площадь (размеры) транзисторов токового зеркала двухполярного ЦАП с площадью «единичного» элемента.
RS-триггер с занесением реализован на 4-х логических элементах типа 2И-НЕ плюс инвертор; в качестве непрерывного ДОУ взята схема ДОУ из [10]; ДОУ на ПК содержит набор взвешенных емкостей и емкостей обратной связи, эквивалентных емкостям ДОУ на ПК групп А и F в PSoC [6]; компаратор на ПК содержит непрерывный ДОУ из [10] и цепи автонуления с одним инвертором, тремя аналоговыми КМОП-ключами и емкостью автонуления около 200 фемто-Фарад (фФ); токовые ЦАП представляют собой двоично-взвешенные цифро-управляемые источники тока на основе токовых зеркал; двухполярный ЦАП типа 2 m -R, помимо резистивной сетки, содержит разнополярные токовые ЦАП.
Рассмотрим один из возможных вариантов синтеза гетерогенной схемы коррекции напряжения смещения нуля E см.0 инвертирующего непрерывного ДОУ, классическая схема коррекции E см.0 которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Инвертирующий усилитель на базе
ДОУ со схемой коррекции его E см.0
Суть коррекции по классической схеме заключается в том, что для компенсации влияния E см.0 самого ДОУ используется включенный последовательно с ним компенсирующий источник E см.0 , фактически устраняющий влияние первого (рис. 1). Если в качестве компенсирующего источника использовать классический m -разрядный разнополярный ЦАП на последовательной сетке одинаковых резисторов типа 2 m -R, то, согласно табл. 2, занимаемая им площадь кристалла С корр будет равна:
Ско рр = k P k T (2m+2m+1(m+2))+5k P2 k T +2mk P k T k R R 1 +k P k T k R R 2 + 18m k P k T , (1)
что при значениях m =4, k P =1= k P2 , k T =2, k R =2 кОм-1 (из [9]), R 1 =1 кОм; R 2 =10 кОм даст С корр =660.
Если же использовать гетерогенный блок, например, ЦАП на токовых зеркалах с двухполярным токовым выходом на те же m разрядов с хранящим код коррекции аналогичным m -разрядным регистром, причём в качестве конвертора типа I а /U а (см. табл. 1 и [4]) использовать низкоомный резистор (табл. 2), то для его реализации потребуется примерно С кор2 единиц площади:
Ско р2 = k P k T (2m+2+2)+k P k T k R R+ 18mk P k T +k P k T k R r, (2)
что при тех же значениях параметров ( r=100 Ом, R = R 2 ) даст С кор2 =317.
Сравнивая (1) и (2), получаем, что уже при m=4 вариант (2) имеет существенные преимущества перед (1).
Выводы: выдвинутое в настоящей статье и в работе [4] предположение о том, что учёт различных положительных качеств различных гетерогенных ФБ в сравнении с возможностями только гомогенных ФБ существенно расширяет поле эффективных решений актуальных задач современной микроэлектроники, в частности, в области МПАЦ СНК, находит своё вполне конкретное подтверждение.
Список литературы Разработка гетерогенных схем для аналого-цифровых систем на кристалле
- Крылов, С.М. Формально-технологические модели в общей теории систем.//Известия Самарского научного центра РАН. -2003. -Т.5, №1. -С. 83-90.
- Крылов, С.М. Формальная технология и эволюция. -М.: Машиностроение-1, 2006. -384 с.
- Карпов, Е.М. Об алгебре физических взаимодействий. В кн.: Математическое обеспечение САПР (Межвуз. сб. научн. трудов). Куйбышев: КуАИ, 1989. -С.20-29.
- Крылов, С.М. Синтез конфигурируемых блоков для аналого-цифровых систем-на-кристалле с использованием гетерогенных функциональных компонентов./С.М. Крылов, М.В. Сараев//Вестник Самарского государственного технического университета, Серия технические науки. -2007. -№ 2 (20). -С. 58-63.
- Mar, M. An Architecture for a Programmable Mixed-Signal Device/M. Mar, B. Sullam, E. Blom//In: IEEE 2002 Custom integrated circuits conference. 0-7803-7250-6/02/. -P. 55-58.
- PSoC Mixed Signal Array. Final Data Sheet. CY827143, CY827243, CY827443, CY827543, and CY827643. -Cypress Semiconductor Corp., 2002-2006. Document No. 38-12012 Rev. *K
- Хоровиц, П. Искусство схемотехники/П. Хоровиц, У. Хилл. -М.: Мир, 1983.
- Волович, Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. -М.: издательский дом «Додэка -XXI», 2005. -530 с.
- Николаев, И.М. Интегральные микросхемы и основы их проектирования: Учебник для техникумов. 2-е изд., перераб. и доп./И.М. Николаев, Н.А. Филинюк. -М.: Радио и связь, 1992. -424 с.: ил.
- Analogue Circuits II. Exam 21.11.2003. University of Oulu. Electrical and Information Engineering. Электронный ресурс: http://www.ntsat.oulu.fi
