CC BY
31
Радиотехника и связь
УДК 621.3.049.77 : 621.372.632 + 53.072 : 681.3
ГЕНЕРАТОР МОДУЛИРОВАННЫХ ПО ЧАСТОТЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ В СУБМИКРОННОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ БАЗИСЕ
Е.Б. Барбарина, Д.В. Шеховцов, А.И. Мушта
Статья посвящена разработке генератора прямоугольных импульсов, модулированных по частоте, пригодного для реализации в интегральном исполнении с использованием топологических норм в субмикронном технологическом базисе. Архитектура генератора модулированных импульсов базируется на структуре асинхронного RS-триггера. Особенностью предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей стандартного асинхронного RS-триггера за счет применения оригинальных схемотехнических решений. Триггер в структуре генератора является формирователем прямоугольных импульсов. Это позволило исключить внешний формирователь меандра. В схему генератора введены две схемы задержки в цепи обратной связи RS-триггера, которые позволяют управлять временем прохождения сигнала. Управление осуществляется за счет использования внешнего генератора управляющего напряжения. Изменение амплитуды управляющего сигнала вызывает изменение сопротивления цепей обратной связи и времени прохождения сигнала. В работе проведены экспериментальные исследования реализации генератора прямоугольных импульсов. Для этого он был реализован в интегральном исполнении с применением стандартных базовых компонентов технологической библиотеки субмикронной технологии ХН035 фабрики XFAB. Проведенное высокоточное моделирование устройства показало, что частота генератора может изменяться в достаточно широких пределах, от 47 до 94 МГц. В заключение исследований была разработана топология генератора с использованием базовых технологических элементов библиотеки
Ключевые слова: генератор прямоугольных импульсов, частотная модуляция, субмикронные проектные нормы, МОП-транзистор, логические элементы
Введение. Создание микроминиатюрных передающих устройств является важной научной-технической задачей современной интегральной электроники. В зарубежной и отечественной литературе тема разработки интегральных приёмопередатчиков практически не освещена. Разработка подобных устройств позволит существенно упростить имеющиеся комплексы приемопередатчиков и разрабатывать новые компактные решения. Не менее важной задачей является задача создания генератора тактовых частот с настраиваемой частотой, использующихся для стро-бирования сложных микропроцессорных устройств. Использование указанного источника прямоугольных импульсов позволит гибко подстраивать частоту процессора под нужды системы, изменяя ее плавно в широком диапазоне.
Реализация задачи. Предлагаемый генератор модулированных по частоте прямоугольных импульсов может быть использован в радиопередающих устройствах, в измерительной и микропроцессорной технике в качестве источника частотно модулированных прямоугольных импульсов [1]. При этом его архитектура разрабатывалась с учетом реализации по КМОП-технологии в любом субмикронном или глубоко субмикронном технологическом базисе.
Барбарина Елена Борисовна - ВГТУ, магистрант, e-mail: elena_fars@mail.ru, тел. 8-919-2420604 Шеховцов Дмитрий Витальевич - АО «НИИЭТ», начальник лаборатории проектирования процессоров ЦОС и систем на кристалле, канд. техн. наук, e-mail: wexwex@mail.ru, тел. 8-908-1326813
Мушта Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: micronano 1441@yandex.ru, тел. 8-919-1856830
Разработка устройства проводилась в несколько этапов. Вначале была разработана архитектура генератора, с использованием прототипа устройства [2]. Структурная схема генератора представлена на рис. 1 Генератор содержит: содержит внешний генератор управляющих прямоугольных сигналов 1; логические элементы 2ИЛИ-НЕ 2 и 3; цепи задержки прохождения сигналов 4 и 5; буферный логический элемент 6; состоящего из двух последовательно включенных инверторов генератор модулирующего напряжения 7, регулятора 8 цепей задержки прохождения сигналов 8.
Разработка функциональной реализации устройства производилась на основе структурной схемы генератора.
Рис. 1. Структурная схема генератора модулированных по частоте прямоугольных импульсов
Структура генератора позволяет использовать в качестве базовых логических элементов как 2ИЛИ-
НЕ, так и 2И-НЕ, а также транзисторы с различным типом канала в составе регулятора цепей задержки. Функциональная схема генератора представлена на рис. 2.
Генератор модулированных по частоте прямоугольных импульсов на логических элементах 2ИЛИ-НЕ с использованием МОП-транзисторов с каналом п-типа работает следующим образом. Первый П-образный RC-фильтр, составленный из конденсаторов 4, 6, резистора 5 и включенного параллельно резистору 5 МОП-транзистора 12 образует первую цепь задержки прохождения сигнала с выхода первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ 2 на второй вход второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ 3 со временем задержки ^ад 1, второй П-образный RC-фильтр, составленный из конденсаторов 7, 9, резистора 8 и включенного параллельно резистору 8 МОП-транзистора 13 образует вторую цепь задержки прохождения сигнала с выхода второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ 3 на второй вход первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ 2 с временем задержки ^ад 2. Цепь, состоящая из параллельно включенных МОП-транзистора 12 и резистора 5, характеризуется эквивалентной величиной сопротивления Rэкв 1, цепь, состоящая из параллельно включенных МОП-транзистора 13 и резистора 8, характеризуется эквивалентной величиной сопротивления Rэкв 2. В случае равенства нулю напряжения на выходе генератора модулирующего напряжения 14 сопротивления Rэкв 1 и Rэкв 2 представляют собой фиксированные величины, поэтому частотной модуляции генерируемой импульсной последовательности нет.
Рис. 2. Функциональная схема генератора модулированных по частоте прямоугольных импульсов на логических элементах 2ИЛИ-НЕ с использованием МОП-транзисторов с каналом п-типа
При подаче переменного напряжения с выхода генератора модулирующего напряжения 14 на затворы МОП-транзисторов 12 и 13 с каналами п-типа сопротивления каналов МОП-транзисторов 12 и 13 изменяются по закону модулирующего напряжения, поэтому изменяются эквивалентные сопротивления Rэкв 1 и Rэкв 2 П-образных RC-фильтров, это приводит к изменению времени задержки ^ад 1 прохождения сигнала с выхода первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ 2 на второй вход второго логического элемента
2ИЛИ-НЕ 3 и времени задержки ^ад 2 прохождения сигнала с выхода второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ 3 на второй вход первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ 2 соответственно. В результате генерируемая импульсная последовательность модулируется по частоте. Частотная модуляция прямоугольных импульсов осуществляется за счет изменения величины сопротивления каналов первого 12 и второго 13 МОП-транзисторов с каналами п-типа под действием выходного напряжения генератора модулирующего напряжения 14 на затворы первого 12 и второго 13 МОП-транзисторов.
Вариация величин параметров элементов первой и второй цепей задержки прохождения сигналов под действием модулирующего напряжения позволяет изменять частоту генерации прямоугольных импульсов.
Проведено моделирование реализации генератора модулированных по частоте прямоугольных импульсов на логических элементах 2ИЛИ-НЕ с использованием МОП-транзисторов с каналом п-типа. Возрастание амплитуды напряжения на выходе генератора 14 приводит к уменьшению сопротивления каналов п-типа, вследствие чего уменьшается сопротивление Rэкв = Rэкв 1 = Rэкв 2, поэтому время прохождения сигналов с выхода первого П-образного RC-фильтра на второй вход второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ 3 и с выхода второго П-образного RC-фильтра на второй вход первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ 2 уменьшается. Это влечет за собой рост частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Уменьшение амплитуды напряжения на выходе генератора приводит к снижению частоты генерируемой импульсной последовательности за счет увеличения сопротивления каналов МОП-транзисторов, приводящего к росту эквивалентного сопротивления Rэкв = Rэкв 1 = Rэкв 2. Временная диаграмма модулированных по частоте генерируемых прямоугольных импульсов на логических элементах 2ИЛИ-НЕ при использовании МОП-транзисторов с каналом п-типа приведена на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограмма выходного сигнала генератора модулированных по частоте прямоугольных импульсов на логических элементах 2ИЛИ-НЕ при использовании МОП-транзисторов с каналом п-типа
В соответствии с рекомендациями, изложенными в [3] была разработана топология генера-
тора (рис. 4) с использованием базовых библиотечных компонентов процесса XH035.
Рис. 4. Топология генератора модулированных по частоте прямоугольных импульсов
Выводы
Таким образом, генератор прямоугольных импульсов обеспечивает широкие возможности частотной модуляции выходного сигнала и изменение частоты сигнала происходит без разрыва фаз. Достоинство предложенной конструкции генератора заключается в ее реализации по любой КМОП-технологии с использованием стандартных библиотечных элементов, в том числе с наноразмерными технологическими нормами.
Литература
1. Журавлев Д.В. Эффективность преобразования частоты на наноразмерных моп-транзисторах с индуцированным каналом в интенсивной помеховой обстановке / Д.В. Журавлев, А.И. Мушта // Известия высших учебных заведений. Электроника. -2015. -Т. 20. - С.382-390
2. Патент RU 150841 Ш «Генератор прямоугольных импульсов». Шеховцов Д.В., Мушта А.И., Сальников Д.Н. Опубликовано 27.02.2015 Бюл. № 6
3. Шеховцов, Д.В. Методология проектирования аналоговых блоков УБИС, выполненных по субмикронной технологии / Д.В. Шеховцов, Ю.С. Балашов, А.И. Мушта // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 11. С. 174-184.
Воронежский государственный технический университет АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж
THE GENERATOR OF FREQUENCY MODULATED RECTANGULAR PULSES APPLIED TO THE SUB-MICRON TRCHNOLOGICAL BASE E.B. Barbarina1, D.V. Shekhovtsov2, A.I. Mushta3
Graduate Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: elena_fars@mail.ru
2Ph.D., Head of the Laboratory for Design DSP and Systems on Chip of Scientific research institute of electronic engineering,
Voronezh, Russian Federation, e-mail: wexwex@mail.ru 3Ph.D., Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: micronano 1441 @yandex. ru
The article is devoted to the development of the generator of rectangular pulses, modulated in frequency. The generator is suitable for implementation in integrated form using topological rules in the sub-micron technological base. Architecture modulated pulse generator is based on the structure of an asynchronous RS-trigger. The peculiarity of the proposed generator is to expand the functionality of the standard asynchronous RS-flip-flop using the original circuit solutions. The trigger in the generator structure generates square-wave pulses. It is possible to eliminate the external oscillator meander. The oscillator circuit has two delay circuit incorporated in the circuit RS-flip-flop feedback, which enables the signal propagation time. Management is carried out through the use of an external oscillator control voltage. Changing the amplitude of the control signal causes a change in resistance of the feedback circuit and the signal propagation time. In the experimental studies of the construction of the generator rectangular pulses have to applied. To do this, the generator was set up in integrated form using standard base components technology library (submicron technology XH035 XFAB factory). High precision simulation of the device showed that the oscillator frequency varies over a wide range, from 47 to 94 MHz. In conclusion, the research designed oscillator topology using the basic technological elements of the library
Key words: square-wave generator, frequency modulation, pro-submicron design rules, MOSFET gates, logical elements
References
1. Zhuravlev D.V., Mushta A.I., "The efficiency of frequency conversion on nanometer-size transistors with an induced channel" ("Jeffektivnost'preobrazovanija chastoty na nano-razmernyhMOP-tranzistorah s inducirovannym kanalom v intensivnoj pomehovoj obstanovke"), Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Elektronika 20 (2015): 382-390.
2. Shehovtsov D.V., Mushta D.I, Sal'nikov A.I. "Square wave generator", "Generatorprjamougol'nyh impul'sov," Patent RU 150841 U, 6 (2015).
3. Shehovtsov D.V., "Methodology for designing of UBIS analog blocks" ("Metodologija proektirovanija analogovyh blokov UBIS"), Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta 6-11 (2010): 174-184.
