CC BY
15
УДК 621.317.799
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И ЭЛЕГ/ЕНТНАЯ БАЗА КОНТРОЛЫЮ-ИЗМСРИТСЛЫЮЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ БИС
А. В. Ншюнив, Г. В. Нш-оноьа Омский государственный технический университет, с. Омск, Россия
Аннптпнч* — P»t:r\n»ijima фъ hkiiii ih.i |ьиам и ».itмет нам оа с:*, HiiuiiihiVHM»« при |ia qiafiiii ки кин-трольно-измерительнон аппаратуры для испытания больших интегральных схем. Показаны методы, позволяющие достигнуть разрешающей способности менее 100 пс при погрешности не более 10-20 пс. Проведён анализ методов временной задержки, которые можно использовать при создании цифровых устройств пнкосекундного диапазона для улыравысокочастотных сигналов. Приведена структура вы-(iikiiiiiHHi)ii цифр« жоп .inннн ел (рржки для УВЧ iii;in;i {iih:i, jiaiiu i .«ннцин к ин1нрка.1н ю 15 не н щи-инмы! погрешность не более 20 пс.
Клтчекыг едини: УВЧ шанасон, нгиьпаимьиэи сипим», .imh им мдержт, фашк.<м гнюрииииция.
т b^.f.tffhf
Опцраясь па основные поправления совершенствования контрольно измерительной аппаратуры для испы танин БИС ГП- рассмотрим современную функциональную к элементную базу для практической разработки
hciihi rairjikhkix 1*пгм
В автоматизированных системах УВЧ диапазона, производящих установку' и временных параметров в еуб наносекундной области, важную роль играют управляемые цифровые линии задержки, определяющие разрешающею способность и точность временных параметров. Но методы, нспельзусмыс при нх построении. не позволяют достигнуть разрешающей способности менее 100 пс при погрешности ие более 10-20пс Огече-ГТПГКНЫГ рл.чрлботки Х^рЯКТГрТТ^ТОТГЯ ряярглиющги ГТТОГОПИОС —ю прогрлт/?лируг\гпй аддгржги тторядхг 400 пс. Цифровая нптегралызая схема (ИС) для гибридных актовых липни задержке КБ J 56БР1Л Л имеет щаг 5 пс ь дигшгг.>оне ди 25 не при входыий часхилг ди 20 МГц. Генератор хцдивых кл^бимаций «Геклин»> киса шмреш-ность установка временных параметров 1Ь %. Зарубежные изделия характеризуются задержкой сигнала в диапазоне f—200 не при погрешности 2 не.
II.-ICCTAIIODKA ЗАДАЧИ
Научно-техническую н практическую суть данного исследования представляет формирование концепции построения ттифроьктт устройств задержки тгакоегкунднпго лийшяонй для ультрлимгошчлпюпп.тх СИГНЛ7TOR работающих с шпсосекупдпым разрешением. Направлеипем. па котором доспспзты хорошие результаты в со здании cipvKiypHcü. гехни.кличесхой и «лгг.мгги1ной uii:bi длм <LBioi/.aiHi»qjoBaMHb.i лздерик^-ьных сисхги уль-трпвысоколастотногс диапазона до частот 1-5 ГГп. являются прееннд-галлневая н Q-ED те хне логик [2]. Например, генератор тес1-последовательнос1и PG-1400 (ф. Outlook Technology Inc.) при частотах до 1360 МГц имеет диапазон временных параметров до 2 не при разрешающей способности 1 ОС пс. Система аттсстаник форматирующего устройства установки -<ETS 7000» Оф. Hilevel Technologies) для 1содов RZ, NRZ, NRZ с задержкой, RO имеет ногрещнсстью до 5С0 пс В установке ««Polaris-100» (комп. Mega:e« Coup.) в формирователе стробим-пульсов достигнуто погрешность задания временного положениями пс
Зарубежные разработчики предлагают создавать перемегаше задержки с помощыо готовых типовых фугас
ЦИПНИЛННМХ ЧЛГМГНМШ К КИДГ 11ПЛу:Ш!НКЫХ БРГГ [1] TT]Kll]>HMMHJiyrMMr «Vir|>JlKH ;К»ЛЖНК1 ИС" ИЛ К14 И IK или
скомпенсировать разброс временных параметров других системных компонентов в каналах испытательных
систем. Также отмечается, что регулирование задержки возможно при помощи аналоговой обратной связи Но при мгом не у^липги ниишнир кшу, <ик исиунгн стили ралхп'иишишт!
Современная подсистема коррекции задержек должна охватывать все скоростные капали и работать в пеоб ходимой полосе частот. При этом погрешность устранения временного рассогласования должна стремиться к значению не более 0.1 % от периода такгового сигнала. Коррекция должна выполняться автоматически
Кроме того, необходимо ставить задачу метрологической аттестации полученного временного сдвига. Мет-
¡IOJIOI ИЧГЧ fc/IM И1И1И]1>Г1у|И Д11ЛЖНИ СП11]Х)1НШда11| ИГ|1кП«ПГЛННЫГ СИС1ГМЫ К 1ГЧГНИГ НГГП» ЖИЧЧГННОЮ цикли
ш. Теория
ТТрОЯГДГМ тнлпттч мгтодпк лллгржки, жптормг Т/ЮЖНО игпоттыгтлтъ к сочдлнтти тг-^фропт-тх у.-трпкгтв лл.тгржки пикосекушшого диапазона для ультравысокочастотпых спл:алоэ. В работе не рассматриваются методы, где задержка проке ходит с помощью преобразования электрического сигнала в механические колебания. Такие устройства пригодны для формирования относительно больших интервалов времени.
В качестве основного метода не ноль: мот седеЕдню на основе фильтра нижних частот (ФНЧ;. Частота среза CJjjj фк. 1Ыpii о1.ределде1сх ¿начениимн применяемых /Ihjvxiujhl«. .ей 1 и емьАХ..ек С. Длм часшт ipyiuinjuoe upciix пробега иисшаныи к лри6лк^н1е_1ьно разно (Ii)1'*. В области часгох, ближних ь. ¿н?.чению время пробега розно изменяется, и поэтому выходкой импульсный сигнал искажается. Увеличение частоты уменьшает искажения, одновременно уменьшая время пробега одного звена При заданных значениях <%я и Ерсмони зедержки Г/ч необходимое количество звсньсе ?: в ФНЧ определяется: г, = t/n0>.y>2.
В пределе увеличение числа звеньев ведет к линии, для которой б*;,-*». Такие линии могут быть изготовлена с минимальным временем задержки в сотни наносекунд. Время пробега равно (lfc)(^/Jx) Здесь I - длина линии, с — 3-1015 см/с, — о.носи.ельная днэлежлриче^^ам иронид аемоегь. — ошоенгельнаи млшилнах лро-нниасмссть.
Искусственные лннпн задержки (ЛЗ), состоящие из элементов с сосредоточенными параметрами (цепочечные) мгтут ДОГО-ТИКТГ—Т.НО TTU-TT, ИКДуТГ ТТТОНуЮ ГРЖЛЬ (кО^ффиТГ'К'НТ гят 1 %) Для них колнчгстчо яигнык г определяется: ч = 4(izi/iv). где t\ время нарастания импульса на выходе пени. Время задержки одного звена н частота среза связаны выражениями: tzont = гдо/и; Jsr = 0.404//a>.v-
Тлким обритом ргплтщп лганилгалкногп примени задержки. тгирокогп дилшпонл чжтоты следовании гкг-иалов и высокой точности установки зедерлжп в такое лилиях певозмохшы.
В [4] рассми грены харах1ернс1и*н рлогичных .ынии с переменным нре^енем л-.дер.*.хи. Ра<_х.мо1.рим использование варикапов н ферритов с подмагничкваннсм в ЛЗ. Известно, что индуктивность кагушки L с ферромагнитным сердечником определяется выражением:
Ьш*». dl
где X— число витков: Ф- магнитный потоку - сила тока. Или
¿-(*Л2 /¿0/|г.
гдг ¡с— ко»ффитхигттт грптторттонл.-тъчос ти .9 — штощлдт» гетгния
Следовательно^ ипдукпгопость катушки является функцией крутизны зависимости индукции от сапряжеи holjh ноля Ввода иосюмнну.-о - о с i vл. ixjo тук. ышни1н010 ноля. во *дейсмиу кицего ьа сердечник. ири шмммцн подмагннчнвания постоянным током, можно менять наклон кривой намагничивания для переменного тока. Зависимость относительной проницаемости феррита от тока аппроксимируется экспоненциальной зависимостью: /<й — ицвхр^-va), где начальная магнитная проницаемость: а- коэффициент, зависящий от состава феррита.
Таким образом, индуктивность уменьшается при увеличении тока подмагничнвання. Поэтому можно подобрать закон изменения ппдукптпостп, необходимый для обеспечения задержки.
Недостатком этого метода является неоднозначность зависимости ¿fe'от напряженности постоякнсго поля 'Jto объясняется гкстерезиснымн явлениями. Кроме того. иолмагЕичиеанне ферритов обладает большой зависимостью температурного коэффициента прошщаемоств от значения температурного коэффициента про порции и ш' наиажининиюнуц] поля Зякигимопь и по нмичинг, и но милму нгдггг к гложнопи компенсации нестабильности индуктивности в диапазоне температур.
Также противоречивы требования к высокой крушзне кривой иамаг:пгшвапня. высокой начальной нро:ш ■даемосги и ь минимальным погерям к дииничоне чт гчгири ойегигчгнии дпб^чмиекчи
Регулирование задержки прохождения сигнала в мпкрополосковой линии аналогично по прнкпипу.но дополнительно обладает ограничением на применение в нижней части частотного диапазона.
Применение варикапов в ЛЗ позволяет уменьшить потребляемою мошиость. массу, объём, увеличить era Знльность по сравнению с ферритовыми. Для задержки используется зависимость барьерной емкости вгрикапа Су от приложенного напряжения U: Cr - /({U-g>r )~у. где X ~ коэффициент, определяющий емкость варикапа при
ПОЛНОМ ( МШГННИ (l )ЧГН1И Çfc) рикноы 1 R (Ofi — КОКГИННИ] ]И«|Н:ГЬ 1ЧЛГ-НЦИИ.1ГК у— ПОКЖ-ВГГГЛЬ НГЛННГЙНП-
стн варикапа.
Максимальный коэффициент перестройки определяется проонвным напряжением варикапа н минимальным
НИИ]» АГНИГМ 1-МПЦГНИ» ~Т])И Mrt.lhlX ЧНаЧГНИНХ ригггт IT-Vllr'lttrrypHilH Hrt"1Vií)HJIhH(*IK №1})ИК1ИОК, надагг их доП-
ротность, paciyr нелинейные искажения пс переменному гоку.
осзпндукчнвныс J13 используют активные КС-цели, обладающие свойствами фильтров 14 J. и нзготавлнва-кшк ни П1НС1НГ i гнгра пцюк, конкгрт^хж oipHiprrruihHiiio í oiipoiHK. 1гни* «милиционных угмшпглкй И I II Но проблема создания генератора-усилителя с высоким входным н выходным сопротивлением е широкой полосе частот не решена, так как проводимости усилителей действуют как паразитные сопротивления потерь, уменьшая добротность генератора. Рабочая частота таких ЯЗ ограничивается десятками мегагерц.
В [51 для задержки сигнала используется метод осрмировашы задержки с помощью мспостабплъпого устройства. Но этот метсд характерен низкой точностью задания и стабильности задержки из-за несовершенства элементной базы. Форхогоование задержек в единицы и доли наносекунд невозможно.
Кодс^ттраБ.тяемые ЛЗ на основе зависимости задерлжн срабатыва1Н1я элементов быстродействующих mire тральных схем и элементов с накопленным зарядом ог изменения порогевого напряжения позволяют получить разрешающую способность в никосекунднсм диапазоне, но стабильность, идентичность, временной шум усга-павлтаемого зпачешк очень велики.
Рассмотрим фазовый метод, который является двухканальным и позволяет получить два сигнала, сдвинутых по разе (по времени). Связь временных и фазовых соотношении определяется известным выражешгем AQ= 6&t, гдг \(р— ф.НГКыЙ едки г мгжду аана.мми. /V— КТ1ГГ.К-НИС<Й гдни мгжду кимиимн
Двухфазными генераторами называют устройства, служащие для воспроизведения двух когерентных сигналов Они состоят из задающей части и оазосдвнгаюшсп части, в которой может Оыть испсльзован фазовращатель. ко он должен быть высокочастотным и работать в широкой полосе частот.
Фаэозадающне устройства на основе миогоустойчнвых фазовых олементоэ имеют высокую точность vexa новки. Минимальный лискрег фазевоге сдвига можно получить при одновременном запрещении одного импульса во входном сигнале делителей частоты каналов: = (ЗбС/к)[1/(гг-1)] . где я и ¡>+1) - коэффициенты деления делителей частоты каналов.
На tx HOKr фи-юкит «пида мо.«н(1 ггроигк иргцичионнуш ЛЗ г нксокой ]>ir<jiriiiaK)iii.rv сшм'.оПжк-гкм елг-дующим образом.
1. Создал канал, сигнал которого эквивалентен входному сигнолу ЛЗ. В этом качестве можег оыгь опорный канал фазозадающего устройства
2. Создать Еторой канал, сигнал которого эквивалентен выходному сигналу ЛЗ. В этом качестве можег Оыть («гнильныи кии/ill фачия^кшги)уп{нм"ГК1
3. Перенести фазовый сдвиг, заданный за относительно низкой частоте, в область УВЧ-СВЧ. Для этой пели используются фазовые автоподстройкн часгсты и фазы (А114 н А11Ф) L6J в генераторах-коотораторах фазы н i гнг]К11(1}К1х-ка:1иО(:иiорах kj)гмг"Ннык ин'1г[!ка.и!к, харак irjw-hix с 1]>ук ryjiHi»i< и аниар-иной к:(6ы1№н;нткн)
Поэтому- можно предложить следующий способ.
1. Создать в сбластн УВЧ СБ4 сигнал. имеющий высококачественные спектральные характеристики для
у||])аклгни<4 ll,Ht[tJ4)4hl V мыи tiyc"тйникым y<JICIM
2. Сигнал по п. J должен иметь возможность управлешк по фазе.
3. Создать цифровой управляемый многоустойчнвый узел на основе скоростной элементной базы, обеспечивающей необходимые частотные характеристики
'1. Обеспечить тактирование и регулнровазше по времегш за счёт управлешы ключевым элементом путём установки необходимого фазового сдвига, что разрешит прохождение задерживаемого сигнала.
В качестве аналогов и прототипов можно применять методы получения задержек, изложенные в [7]. Но они не позволяют работать в области пикосекупдпых времегшых параметров и па частотах сот:ш - тысячи мега гери.
Таким образом, в канале испытательной системы, рис. 1. на выходе синтезатора фазы 1 установлена элек-трогшая ЛЗ 2? управляемая кодом, необходимая для подстройки пулевого фазового сдвига между выходами в каналах игпыта1глкнгй гигггмм Далгг г hi нал пси л у наг г на гитг-оиор чжгшы Я, mi. ормй ([нормирует после-
дозатсльность нмпуяьссв с частотой. меняюшсйсяв пределах перестройки частоты синтезатор а и с дискретом, определяемым частотой опорного сигнала синтезатора 3.
Рис. . Структура канала испытательной системы
IV'. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Дня нничтгшчнпй упинокки :члдгр*«.и н УВЧ диапичоне |»-1храГогана цифронан синхроничирусл^я .ТП (ЦЛЗ), имеющая параметры: общая задержка 15 не (возможно паращшзание), погрешность установки задержки не более 70 к Данная цифровая .ТТ1, ¡»иг л относите* к «чадержкам I гнгра шрик кременных дил1рлмм>-, когда отсчёт задержки начинается по входному импульсу. а выходной фронт появляется спустя гфограммируемый ишерка.:! кремени В ТЩ! ночможно динамические унрикленне ^п чадании нечакигииош чначеьим чадержки
для каждого запуска.
Число дискрс^ ток по 1 НС
о
1 ГГц
СТ
— 2/10
Р
с
ОГ
Опорный канал
и-й канал! Аг системы I
"Коррекция"
Рис. 2. ЦЛЗ о канале испытательной системы
В ЦЛЗ по задерживаемому сигналу синхронизируется тактовый генератор, работающий в УВЧ диапазоне 1-3 ГГц для получения спектрально чистого сигнала. Для этого используется фазовая автопсдстройка частоты с фиксированным (или переменным) дслнтслсм частота в ненн обратной связи. Код задержки записывается в счетчик с предустановкой, охваченные днсдно-резнстнвной схемой «И»>. Вентиль, управляемый счетчиком, разрешает прохождение на выход задерживаемого сигнала через программируемый интервал времени. 1акос построение ЦЛЗ является открытым для управления по фазе тактовым генератором и позволяет увеличить разрешающую способность задержки до 21) 100 пс [мелкий дискрет) при возможности установки крупного дискрета 1-1000 не.
Период тактирующего сигнала определяет разрешающую способность и формируется систсмойнмпульсно-фазовон азтоподетронкк частот с делением По выходному сигналу с частотой еднннны мегагерц, прошедше-\гу*тгрглрггултфутотттийфл чежрлплтеттъ уттрляляетгя подгтрашйгмнк тенерлтор (ПО СЯП«Л1 ФА114 г которой снимается тактирующий сигнал. Значение частоты ПГ лежит в диапазоне 500-3000 МГц н определяется коэф-^яц*ктом деления АГДГПСД гистетчтьт ФАПЧ "">пт\г ялдлётся кр\ичктй дискрет программируемой яадеригхи 1—9. ис. Мелкий днекрег задается фазовым сдвигом, вносимым фазовращателем, и определяется зырал<е:шем: гт~
где Т-1 период тгктпклго гитлттл
При экспериментальной проверке частота входного сигнала системы ЛФА11Ч равнялась 128 Ml и. частота сигнала иа входе фазовращателя 2.56 МГц. Выходной сигнал имел частоту- 1024 МГц. а минимальный ьносимый фазовый с дзет 0.1125°. При таких значениях крупный дискрет разсн 976 5625 не. малый дискрет 125 пс.
V. Обсуждение результатов
Можно сделать вывод, что для прецизионного задания временных соотношении в каналах испытательных систем УВЧ диапазона нужно применять многоустойчивые фазовые элементы тркггернсго шла. Они имеют принципиально устойчивые дискретные значения задаваемых фазовых сдвигов, малую методическую погрешность и апшратно просты. При этом лолжна использоваться скоростная элементная база
Пре*гмушествгнпое использование арсенал галлневон элементной базы определяется более высокой скоро ctbKJ ¿лаиронив. В нашей ар<ше на оиноие арсеннда гашшх разрабо ганы ин.е1ра.льные схемы. базовые вш-
ричпые кристаллы серий 65Э0 — 6501. Низкое качество оксида Gîl4s и высокая плотность поверхностных состо
яниЛ на границе раздела GbiAï-HJOJixiup лрнвело к îuxiv, но практическое использование получили нолевые трсшзнсторы на основе барьера Шоткк (ПТШ) Большая подвижность электронов и высокая скорость насыщения в ОпАз дак>1 существенный ьышрыш ь itap^^ieipoix фан зке iupa.
Существующие модели нонно-нмилантированных арсснид-галлневых полевых транзисторов, не основе которых изготавливаются основная масса СВЧ-приборов и цифровых ИС. показывают значительное улучшение шумовых характеристик в зерхней области частотного диапазона. Полсэон транзистор на частоте 12 ГГц имеет коэффициент шума менее 0.95 дБ и коэффициент усиления более 11.5 дБ [S]. Кроме того, процент выхода годных ИС делает экономически еыгодным серийное изготовление интегральных узлов малого и среднего уровня интеграции на GaAs.
D цифровой твердотельной схемотехнике элементы на GaAs являются наиболее быстродействуюши>ш. В логических схемах на основе ПТШ время задержки распространения сигнала для одного логического элемента менее 10-15 пс пои температуре 300 К.
Создан ряда устройств различного функлионального назначения. Это ИС запоминающих устройств с временем доступа менее 0.5 ес. Для испытательных систем с преобразованием частоты можно указать на строб-преосразоватедн на основе фосфида индия (IvP) ("51- Использование стробпреобразователей с обратной связью пткгетит пбггттечить кысокую -овттоетт» r полосе чяс.тлгт до пГ—70 ТТд [10]
Дтя сверхбыстродействующих ИС разработана многоконтакткая система подключения, состоящая из под-
водтгцит vпакгтга пъних линии wplhlw полос vcrstt линии рлчтюдки с гон-^ктлми нл кпнцг'т Tvft полоса прогуг-
каиия более 5 ГГд. диапазон температур ог 300 к до 1.2 К
V3. ВЫВОДЫ И ЗАКЛОЧЕШП
Повышение технического уровня испытательных систем связано с повышением уровня элементной базы. Нужно создавать ис специального назначения на основе заказных БИС. Так. в снстсмс lt-1000 уже при тактовой частоте 50 МГн и 256-ти двунаправленных каналах, и драйверы, компараторы и еинхрогенераторы. устройства для задания формата данных реализованы в двух монолитных заказных ЬИС на каждый канал и в восьми блоках ¿ш;-электроники
Актуальными задачами для построения широкополосных испытательных систем яеляются разработка методов анализа и проектирования систем фазовой синхронизации с широкополосным преобразованием частоты, а такжсмстодов построения функциональных узлов на оснозс высокоэффективной фазовой синхронизации для систем с высокой точностью
Сшст ЛИ1Ы»АГ VFbJ
1. Mikonov A. V. Analysis of architectures of control equipment designed for testing ultra-high-speed integrated circuits : Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 20L4.P 1-4, DDL 10.1109 / Dynamics. 2U14./0056S/. IEEE Conicrcncc Publications.
2. Уоллер JL Заметное крепление позиций ареенид-галлиевой технологии на рынке сбыта, интегральных схсм /' Электроника. 12 13. С. 30 ЗЬ.
3. Фелдман Р.. Роскн Д. Систематизированный подход к реализации программируемых задержек V Электроника. \Ш. JSs 11 12. С. 46 ЬЗ.
4 Баев Е. Ф. Бырылин И Миниатюрные электрические линии задержкн.М : Сов. радио. 1977.24S с
5. Чулков В А.. Федосеев t. Ь. Управляемая электронная линия задержки П Ирпооры н техника эксперимента. 1984 № З.С. 123-125.
6. Жилин Н. С.Принципы фазовой синхронизации б измерительной технике. Томск: Рядно и связь. 1989.
384 с
7. Мелешко Е. А. Наносекундная электроника в экспериментальной технике. ML: Энергоатомиздат. 1987.216 с.
8. Slim Michael. GaAs Devices and Circuits. Plenum Press. New York aibd. London, 1987.
9. Льюис Дав. Особенности изготовления микросхем для осциллографов Agilent Infmiium 90000к и осшш-лографическнх пробников Infimtmax Ш П Контрольно-измерительные приборы и системы. 2010. № 5. С. 9—10.
10. Никонов А. В Прецизионная установка амплитуды ВЧ—СВЧ сигналов Анализ н методы решения мо-ногр.Омск : Изд-во ОиГТУ, 2015. 131 с.
