CC BY
33
РАДІОЕЛЕKТРОНІKА ТА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ
РАДІОЕЛЕKТРОНИKА ТА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
RADIO ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS
УДК 004.3 Проскурін М. П.1, Костенко В. Л.2, Щекотихін О. В.1, Грушко С. С.3
1Канд. техн. наук, доцент Запорізького національного технічного університету 2Д-р техн. наук, професор Одеського національного політехнічного університету 3Асистент Запорізького національного технічного університету
ОБҐРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ ПЕРЕХОДУ ДО МІКРОПОТУЖНИХ ТВЕРДОТІЛЬНИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ З ОПТОЕЛЕКТРОННИМИ КОМПОНЕНТАМИ ДЛЯ ЦИФРОВИХ АВТОМАТІВ ТА ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ
Розглянуто проблеми передачі даних в металевих напрямних середовищах для систем обробки інформації, керування об’єктами та в цифрових інтегральних схемах. Проведено порівняльний аналіз типів схем електронної логіки та напрямних середовищ. Обґрунтовано можливість використання мікропотужних оптоелектронних елементів для створення оптоелектронної логіки та інтегральних схем на їх основі.
Ключові слова: цифрові інтегральні схеми, оптоелектроніка, оптопара, напрямне середовище, світлодіод, фотоприймач, волоконнооптичний канал зв’ язку, цифрові автомати.
ВСТУП
Обробка оптичної інформації набула широкого застосування у техніці, зокрема у приладах і мережах передачі інформаційних потоків, у пристроях управління (ПУ) технологічним і бортовим обладнанням, персональних комп’ютерах (ПК) та цифрових автоматах (ЦА). Це пов’язано з перевагами оптичних і оптоелектронних пристроїв (способів зв’язку на їх основі) над електричними. В основі оптоелектроніки лежать ефекти взаємодії між електромагнітними хвилями (електронейтральними фотонами) і електронами речовин. У пристроях на основі систем випромінювач - фотоприймач (ФП), що з’єднані з волоконнооптичним каналом або кабелем (ВОК), оптичний сигнал від випромінювача без значних втрат проходить великі відстані (102.. ,103 км) по волоконнооптич-них лініях зв’язку (ВОЛЗ). В останні 30 років пристрої,
схеми обробки оптичної цифрової інформації одержали поширення і застосування у різних видах обладнання: системах зв’язку і телекомунікацій, об’єктовому (бортовому, наземному), медицині, військових і цивільних проектах та ін. [1, 2].
У статті проведено аналіз необхідності переходу до використання оптоелектронних компонентів в інтегральних схемах логіки для цифрових пристроїв і автоматів.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМИ В ЗАГАЛЬНОМУ ВИГЛЯДІ
Логічна обробка потоків оптичних цифрових сигналів (ЦС), які передаються по ВОЛЗ, базується на використанні їх відображень у вигляді електричних сигналів (після перетворення типу випромінювання - фотострум:
© Проскурін М. П., Костенко В. Л., Щекотихін О. В., Грушко С. С., 2011
Ь ^ Е за допомогою фотоприймачів). Для детектування оптичних ЦС використовують фоточутливі пристрої і напівпровідникові (НП) структури: фотодіоди (ФД), фо-тотранзистори (ФТр). Сформовані за допомогою підсилювачів фотоструму у вигляді потоків електричних сигналів, вони обробляються НП цифровими інтегральними схемами (ІС) на базі схем вентилів Т2Л, РЛ, ЕЗЛ, Т2ЛШ, МОН, МЕН та ін. Для одержання вихідних оптичних цифрових сигналів (перетворення типу струм - випромінювання: Е ^ Ь) застосовують інші схеми. У них посилені ЦС із виходів ІС модулюють струм випромінювачів на твердотільних НП структурах, до яких відносять інжекційні лазери (ІЛ), лазерні діоди (ЛД) і світлодіоди (СД). Оптичні ЦС передаються на значні відстані по ВОК, що створені на основі оптичнопрозорих діелектричних матеріалів. За допомогою оптоелектронних пристроїв типу оптронів (оптопар), які містять у собі твердотільні випромінювачі і фотоприймачі, забезпечуються численні перетворення типу Ь о- Е [1, 2].
Увага до оптичних і оптоелектронних пристроїв пов’язана з трьома моментами:
1) наявністю обмежень електронних цифрових ІС традиційного типу (табл. 1, рис. 1);
2) перевагами оптичного зв’язку (основні: діапазон частот до 1015 Гц, гальванічна розв’язка каскадів перетворення, нечутливість до електромагнітних перешкод, доступність матеріалу (8Ю2) та ін.;
3) зростаючими вимогами до цифрових систем теле-комунікацій: збільшення обсягів цифрових потоків (кількісно і якісно) у всіх сферах життя і створення нової інформаційної сфери (знань, відомостей, даних), що доступна більшості бажаючих через Інтернет.
Параметри відомих типів логіки і напрямки розвитку ІС наведені в табл. 1, 2 [3, 4]. Незважаючи на успіхи в освоєнні нано- і субнаносекундного діапазонів, що відповідає частотам 1.. .5 ГГц, розвиток мікро- і наноелектро-ніки у вигляді цифрових ІС і їх різновидів (схеми логіки Т2ЛШ, І2Л, ЕЗЛ, К-МОН, МЕН та ін.) характеризується наближенням до кількох видів обмежень: фізичних (а),
юо.
н 10'3
S3
«ТО a
ю-a
\fj V \ X 4pJ s / X. гч, v\
V\/(c) N \ Ха ehtium IV X
^ 4 Ox
10-15 10-12 10-9
Час перемикання
10-
Рис. 1. Графік досягнутих середніх значень параметрів логічних вентилів (біле поле праворуч): потужності
(Рвик.сер., ^ часу (^.сер^ нс) і роботи ПереМИкаННЯ (4сер , пДж) та обмеження властивостей НП матеріалів для 8і (сіре поле); * - параметри Репйиш IV
конструктивно-технологічних (б), а також якостей НП матеріалів, що використовуються (8і, ваАє) (в). Основні з них такі [5, 6]:
1. Використання носія сигналу в ІС у вигляді зарядженої частки (електрона), що обумовлює обов’язкову наявність дводротової лінії (сигнальний - загальний дріт, тобто замкнутість контуру струму) при передаванні сигналу.
2. Властивості напрямних середовищ (НС) для електронів (металеві провідники з параметрами Ь, Я, С, що мають характерний час перемикання ґ3 ~ ЯС при малому Ь: міжз’єднання довжиною МЛ = 10 мм вносить затримку в поширення сигналу ґ3 близько 1 нс).
3. Величина потужності, що споживається, розсіюється в ІС з N ~ 107.. ,108, £Кр ~ 1.. .10 см2 (споживання логічного вентиля 0,01.20 мВт при коефіцієнті навантаження £ ~ 0,1...0,3) становить декілька десятків Вт і більше, що наближається до меж фізичних характеристик НП матеріалів (8і, ваАє) і є обумовленою фундаментальними співвідношеннями.
Таблиця 1. Порівняльні характеристики параметрів логічних вентилів ІС
Тип логіки Середні значення параметрів логічних елементів (ЛЕ) цифровихІС Коб.: коефіцієнт об’єднання по входу Кроз.: коефіцієнт розгалуження по виходу
Рсер., мВт: споживана потужість /Зт сер, нс: час перемикання Асер., пДж: робота перемикання
Т2Л/Т2ЛШ 20/1 5-20/2-10 50-100/10-20 2-5 10
ЕЗЛ 20-50 0,5-2 20-50 2-5 10-20
І2Л 0,01-0,1 10-100 0,2-200 1 3-5
МОН 1-10 20-200 50-200 2-5 10-20
КМОН 0,01-0,1 10-50 0,5-5
ВіКМОН 0,01-0,1 2-10 2-20 2-5 10-100
МЕН 0, 5 0,15-0,5 0,1-0,5 2-5 2-5
Таблиця 2. Основні напрямки розвитку великих ІС
Надвеликі ІС Мікрозбірки Надшвидкісні ІС
N < 106-108 ґв > 50-100 нс Рв = 0,1-0,01 мВт Nz > 107 -109 N < 104 ґв > 0,15-2 нс Рв = 0,1-20 мВт
4. Потужність, що витрачається на перезарядження металевої провідної лінії довжиною МЛ, сягає 80 % значення потужності, що підводиться до кристала ІС.
Істотно впливають такі характеристики: максимальна кількість зовнішніх виводів К корпусу ІС (визначається розміром площі її кристала ^Кр); зниження напруги у міжз’єднаннях (досягає значень десятих часток Вольта при значеннях струмів живлення 1.3 А). Це погіршує параметри фронтів імпульсу, знижує завадостійкість ІС, інші її характеристики.
Є питання, пов’язані з електричними зв’язками між кристалами, корпусами ІС, платами через дротові з’єднання і забезпеченням параметрів передачі ЦС (з урахуванням властивостей з’ єднувачів: електричних, частотних, механічних, температурних та ін.):
- у лініях зв’язку, металевих НС всередині і зовні ІС має місце збільшення загасання ЦС від частоти перемикання (рис. 2) з урахуванням відомої залежності /пер ~ кЯНС СНС;
- при впливі електромагнітних імпульсів від перемикань ІС на металевих НС плат виникають електромагнітні перешкоди, амплітуда яких пропорційна довжині лінії МЛ;
- низька надійність з’єднувачів, що забезпечують контакт металевих дротів.
Зазначені фактори можна послабити спеціальними прийомами: зменшенням топологічного розміру, застосуванням знижених значень напруги живлення, струму, оптимізацією трасування і охолодження кристала, застосуванням коаксіальних кабелів, екранування блоків, плат та ін. Але це не вирішує зазначених проблем ІС у цілому, а зі збільшенням рівня інтеграції N зростанням кількості зв’язків і підвищенням робочих частот ІС вони мають
10* 10і Ю! Ю10 Ю1: 10і* 10ь і; Ги
Рис. 2. Частотні залежності загасання напрямних середовищ: КК - коаксіальний кабель, СК - симетричний кабель, ПЛ -повітряна лінія, НПК - надпровідний кабель, ОК - оптичний канал (кабель), Х - хвилевід
тенденцію накопичуватися і підсилювати свій негативний вплив.
Наведений аналіз вказує на те, що недоліки технології обробки потоків оптичних ЦС традиційними типами логіки на основі електронних цифрових ІС мають дві складові: використання обраних носіїв сигналів (у вигляді заряджених часток - електронів) і НС у вигляді металевих провідників, доріжок, контактних майданчиків [5, 6].
На погляд авторів, недоліки електронних цифрових ІС можуть бути вирішені через зміну підходів до розробки схем логіки для ІС і ЦА, а саме широким використанням оптоелектронних, оптичних явищ для створення альтернативних схем логічних елементів (ЛЕ) відносно електронних логічних вентилів, що вже існують (табл. 1), і їх впровадження в технології створення «оптичних» і «оптоелектронних» ІС нового покоління.
ПОСТАНОВКА ЦІЛІ І ЗАВДАНЬ СТАТТІ ДЛЯ ЇЇ ВИРІШЕННЯ
Рішення вказаних завдань для ІС і ЦА, пристроїв на їх основі можна сформулювати у вигляді цільової функції: що потрібно зробити, щоб, використовуючи вже відомі типи зв 'язку, розв 'язати поставлені питання. Відповідь є очевидною - необхідна заміна електричного носія (електрона) і металевих НС зв 'язком іншої природи, що менш пов’язаний із двома (з трьох) обмеженнями: а) фізичним (обраний вид зв’язку між каскадами в ІС, рис. 2) і б) конструктивно-технологічним (основа перетворення сигналу: тип схем електронної логіки на досягнутому топологічному розмірі, табл. 1), але з урахуванням третього (в) - властивостей НП матеріалів 8і, ваАє, що використовуються, - див. рис. 1 (ліве штриховане поле). Це положення має принципове значення, бо з нього виходить, що третє обмеження (в) на даному етапі розвитку технології (рис. 1) ще не є настільки критичними, як а) і б) - тобто має достатньо великий резерв підвищення частоти перемикання (включно до сірого поля зліва рис. 1).
Можливість обійти означені обмеження ІС відкриває заміна електричного струму (засобу передачі інформації в сучасних ЦА і обчислювальних пристроях - ОП) на сигнали іншої фізичної природи. Переваги оптичного способу зв’язку базуються на використанні електронейт-ральних фотонів для переносу інформації і властивостях НС, у яких вони поширюються від джерела випромінювання до приймача, та характеру їх взаємодії з електронами твердих речовин [5-7]. Застосування оптичного випромінювання вирішує завдання збору, передачі, перетворення, індикації інформаційних потоків безконтактним (некондуктивним) способом - за допомогою формування інформаційних полів з електрично-непов’язаними ланцюгами джерел і приймачів сигналів (гальванічна розв’язка). Така якість важлива для інформаційних систем і ОП, що перебувають в умовах «забруднення» простору ЕМП (внутрішнього - комутація силових пристроїв, зовнішнього - грозові розряди, раді-
аційні впливи та ін.) для одержання неспотвореної інформації стану об’єкта, її обробки, видачі сигналів управління. Прилади на основі оптичних і оптоелектронних пристроїв використовуються у зв’язку, системах управління, промисловій автоматиці, техніці [1, 2].
АНАЛІЗ ОСТАННІХ ДОСЛІДЖЕНЬ І ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМАТИКОЮ СТАТТІ
Слід зазначити, що останнім часом з’явилася велика кількість нових розробок удосконалених пристроїв, що використовують оптичні і оптоелектронні прилади (ОЕП), ВОК як робочі елементи для пристроїв виміру і діагностики станів у промисловості, зв’язку, медицині, побуті. У приладах прийому, передачі електричних, оптичних ЦС все більше місце займають оптоелектронні, інтегрально-оптичні компоненти, виконані за планарними технологіями. Оптоелектроніка, інтегральна оптика перетворюються у напрямок, який характеризується багатофункціо-нальністю (при використанні різних фізичних ефектів, їх комбінацій), багатоваріантністю технологічного виконання, способів втілення в прилади і пристрої. На рис. 3, а наведена узагальнена функціональна схема ОЕП [7], а в простішому випадку його можна представити у вигляді оптопари (СД-ФП). На рис. 3, б показана спрощена схема оптоелектронного каналу. Залежно від конкретного застосування, вона подається у вигляді комбінації її частин (ОЕП, канал - ВОК, датчик, модулятор та ін.). Для забезпечення зв’язків у ОП, ЦА і ПК використовують зв’язок по ВОК між кристалами, приладами, компонентами, платами, блоками на основі випромінювачів (ІЛ, ЛД, СД) і ФП на р-і-п ФД із робочою частотою /Р до декількох ГГ ц. Реалізація одного з варіантів міжкомпонентних і міжплат-них «вертикальних» зв’язків з ІС на основі СД-ВОП-ФП показана на рис. 4 [8]. У нових розробках матриць регулярних (систолічних) структур типу однорозрядних процесорів, що носять назву «пульсир», також використано подібні оптичні зв’язки між платами для нарощування структури ОП, ЦА за трьома вимірами [9]. Значним досягненням в практичній реалізації оптичних міжкомпонентних зв’язків є створення системної плати для ПК з виключно оптичними зв’язками («горизонтального» типу) російським винахідником [10]. Передавання сиг-
налів оптичним волокном із застосуванням технології WDM (Wavelength Division Multiplexing: мультиплексу-вання по довжині хвилі) дозволяє на 1.3 порядки підвищити продуктивність системи (збільшити пропускну здатність ділянки без прокладки нових кабелів) [1, 2]. Фірмою Bell Labs (корпарация Intel) здійснено передачу 1024 оптичних потоків по одному експериментальному ВОК, створено прототип швидкісного оптичного інтерфейсу вводу/виводу для міжкомпонентних зв’язків кристал - кристал в корпорації Intel [11]. Але найбільш «консервативною» у ОП, ЦА, ПК з використанням потоків оптичних ЦС залишається їх цифрова елементна база обробки інформації і її основа: електронні ІС на відомих типах логіки (табл. 1).
Підсилені і сформовані у вигляді електронних сигналів -відображень оптичних ЦС, вхідні цифрові потоки обробляються НП ІС на базі схем логіки (табл. 1) [3, 4]. З підвищенням продуктивності П (визначається тактовою частотою ОПf і розрядністю металевих шин К = 8.. .128 на поверхні кристалу ІС: П = f х К), усе більше проявляються обмеження образного інструменту - електронних ІС -при обробці потоків оптичних ЦС. В значній мірі це обумовлює неможливість подолання частотного бар ’єра для обраного НС - металевих дротів (доріжок) в ОП і ЦА. Це, зокрема, проявляється в тому, що параметри частоти ядра процесора f^ в ІС сягають значень ~ 2,5.5 ГГц, тоді як частота системної шини/СШ, що зв’язує інші частини (ПК, ОП, ЦА), і має більшу довжину
(вдшида значення RH^ СНС: f = 'пер. ~ k RHd СНСі) та є
приблизно вп’ятеро - вдесятеро нижче - 0,5.1 ГГц. Велика кількість металевих шин потребує використання багатошарових плат, що стає завадою як у технологічному виконанні, так і щодо швидкодії (будь-який дріт має кінцеве значення параметрів R, С, L і, відповідно, кінцеве значення t ~ k R. С„„).
пер. Нсі НСг
ВИДІЛЕННЯ НЕВИРІШЕНИХ РАНІШЕ ЧАСТИН ЗАГАЛЬНОГО ЗАВДАННЯ ТА ПРОПОЗИЦІЇ ЩОДО ЇХ ВИРІШЕННЯ
Огляд досягнень та напрямків досліджень вказує на кілька можливих шляхів вирішення означених проблем
а)
б)
Рис. 3. Узагальнена функціональна схема оптоелектронного пристрою (а); схема оптоелектронного каналу з урахуванням протікання струмів завад крізь паразитні зв’язки (б): ППВС - пристрій перетворення вхідного сигналу; В - випромінювач; ПКПОС - пристрій керування параметрами оптичного середовища; ОС - оптичне середовище; ФП - фотоприймач; ПОСВ -
пристрій обробки сигналу на виході; Е зав. - ЕДС наведеної завади
а)
б)
Рис. 4. Реалізація оптичних міжблочних зв’язків на онові пристроїв типу волоконно-оптична пластина (ВОП):
а - конструкція у зборі; б - ВОП з ВОК: 1 - плата; 2 - ВОП з ВОК; 3 - блок світловипромінювачів; 4 - блок ФП; 5 - струмопровідні доріжки; 6 - хід оптичних променів; 7 - мікросхема; 8 - вікна для електричних зв’язків; І - збільшений вид зверху на ВОК, що
складають ВОП
електронних ІС. Основним напрямком є поступове збільшення використання оптичних компонентів в ІС і організація не тільки входів-виходів у вигляді оптичних зв’язків, але і їх застосування для зв’язку зовні і всередині ІС [1, 2, 5-10]. Тут можливі кілька варіантів розвитку. Перший, що характеризується застосуванням планарних ВОК для більш довгих, ніж в ядрі процесора, зв’язків між каскадами ІС для організації системних шин, вирішується без проведення зміни схем типів логіки (табл. 1). З цим підходом все зрозуміло: концепції звичайних (на мак-рорівні) сучасних оптичних зв’язків треба втілити на поверхні кристалів ІС за планарними технологіями [2, 5]; між ІС на декількох платах і в блоках ЦА, ОП - наприклад, згідно з технічними рішеннями, що подано в [11].
Другий напрямок, на наш погляд, є більш перспективним і стосується заміни схем логіки, що використовуються для ІС, на альтернативну, наприклад, оптоелектронну або оптичну. Для цього підходу (що передбачає перехід до іншої фізикотопологічної моделі логічного елемента -ЛЕ - і створення, наприклад, робочої схеми оптоелект-ронного або оптичного інвертора) формування позитивної чи негативної відповіді потребує додаткового аналізу елементів оптопар, їх параметрів. Його мета - дати відповідь на питання про можливість:
- формування елементів оптопар (СД, ФП, ВОК) з розмірами, що досягнуті сучасними технологіями і що можуть функціонувати з параметрами не гіршими за ІС відомих типів логіки;
- вибору базової схеми (або базису) оптичного або оптоелектронного ЛЕ - ОЛЕ;
- досягнення частот перемикання і споживання ОЛЕ на рівні електронних ІС.
Оцінка твердотільних елементів оптопар, їх параметрів і типів (в т.ч. в інтегральному вигляді) достатньо глибоко проведена в [6, 7]. З неї виходить, що швидкодія перемикання СД і ФП може сягати 0,1.1 ГГц, а в особливих режимах перемикання - ще вище. Все це вказує на те,
що частка відомих конструкцій твердотільних елементів оптопар (СД, ФП і ВОК) може бути використана в схемах, наприклад, оптоелектронної логіки для ІС.
До недоліків оптопар СД-ФД відносять мале значення фотоструму, що становить одиниці відсотків від значення струму СД. Для підвищення КФД в оптопарах СД-ФД використовують вбудовану електронну схему на одному (або декількох) транзисторах, що застосована в оптопарах КОЛ201А (СНД), імпортних - ТЬР112, ИСРЬ-0501, ИСРЬ-0700 та ін. [12]. При значенні КФД ~ 0,5.5 % для одержання вихідного струму /Вих порядку струму I досить транзистора з коефіцієнтом підсилення h > 21.210 (наведено із запасом ~5 %). До параметрів, що впливають на частотні властивості оптопар, відносять значення ємностей ФП, розмір його області просторового заряду (ОПЗ), щільності струму (/ФП= ІФП/£ФП) на робочій частоті /Р фотоперетворення. Наприклад, при модуляції СД інтегральної оптопари ДВЧ діапазону (0,03.0,3 ГГц) на робочій частоті/ необхідно, щоб параметри ФП (його час відгуку) відповідали перемикальним параметрам СД. Швидкодіючим ФП єр-і-п ФД. На основі таких ФП створені дискретні оптопари в складі СД - р-і-п ФД (3ОД120 А-1), що відзначаються малими розмірами, високою швидкодією - від десятків нс [12]. Задовільного результату по збільшенню фотоструму домагаються, застосовуючи в оптопарі в якості ФП біполярні ФТр, які сполучають у собі функції ФД і елемента підсилювача-формувача (ПФ) вихідного сигналу. Але за швидкістю вони поступаються оптопарам з окремими р-і-п ФД і ВЧ транзисторам приблизно на порядок. На рис. 5, а-г наведено відомі схеми і ВАХ оптопари СД-ФТр. Для порівняння на рис. 5, д наведено вихідні ВАХ оптопари СД-ФР Перевагою ВАХ (г) перед (д) є використання двох режимів: лінійної ділянки і насичення ФТр. В інтегральній оптопарі ДВЧ діапазону частіше застосовують роздільне фотоперетворення (ФП - р-і-п ФД з частотою детектування до декількох ГГц) і ПФ: ВЧ транзистор
а)
б)
Рис. 5. Електрична схема ОЕП і його ВАХ:
а - схема включення фототранзисторної оптопари (СД-ФТр); б - еквівалентна схема n-p-n фототранзистора; в - вхідна характеристика оптопари (ВАХ СД); г - характеристика фототранзисторної оптопари по виходу; д - характеристика фоторезисторної
оптопари (СД-ФР) по виходу
(Тр) з коефіцієнтом підсилення h > 21.55 на частоті/) [2, 7, 12], що співпадає зі схемою рис. 5, б. Передатні параметри оптопар у режимах малих струмів СД близькі до лінійних, а еквівалентні схеми п-р-п ФТр і ФД із п-р-п Тр ідентичні [7].
Аналіз параметрів оптопар, елементів ОЕП [6-10], показує, що вони можуть бути використані для створення мікропотужної оптоелектронної елементної бази цифрових пристроїв ДВЧ, УВЧ діапазонів і подолання частини обмежень, що властиві сучасним ІС.
ОСНОВНИЙ МАТЕРІАЛ ДОСЛІДЖЕННЯ З ПОВНИМ ОБҐРУНТУВАННЯМ ОТРИМАНИХ НАУКОВИХ РЕЗУЛЬТАТІВ
Авторами було запропоновано кілька конструкцій структур швидкодіючих елементів мікропотужних оптопар нижньої частини УВЧ діапазону (0,3.3 ГГц) у складі СД-ФП у вигляді малорозмірних їх конструкцій. Інтегральний фотоприймальний пристрій (ІФП) на основі р-і-п ФД і ВЧ Тр є схемою з роздільним фотоперетворенням (що має максимальну спектральну чутливість при X ~ 0,8. 0,9 мкм) і підсиленням фотоструму планарним ВЧ п-р-п Тр на 8і, спроектованою згідно з вимогами до
ДВЧ приладів [13, 14]. Випромінювач - швидкісний ІЧ СД на сполуках ваАє з поверхневим виходом випромінювання (ПВВ) і довжиною хвилі випромінювання X ~ 0,8.0,9 мкм [15]. Розрахунок структур здійснено: СД (один р-п перехід) - на основі аналітичної моделі [16]; ІФП у складі р-і-п ФД з ВЧ п-р-п Тр (трир-п переходи) -методом чисельного моделювання (ПС «Дослідження»), що розроблена за методиками роботи [17].
Частина результатів розрахунків і моделювання параметрів елементів мікропотужної оптопари ДВЧ діапазону (СД - р-і-п ФД з ВЧ п-р-п транзистором) подана на рис. 6-8.
На рис. 6 подано результати моделювання ІК СД ПВВ у вигляді залежностей від напруги ІК СД на графіках: щільності оптичної потужності Р для двох значень часу життя / основних носіїв заряду (НЗ) (рис. 6, а) і струмів: повного (1) і рекомбінації (2) (при X = 0,84 мкм, I макс = =120 мкА, / ~ 0,333 ГГц) (рис. 6, б). Характерноюособ-ливістю наведених даних на рис. 6, а, в є те, що розрахунки проведено для двох значень фізичних параметрів НП структур: /НЗ = 0,1 нс (1); /НЗ = 0,2 нс (2). Значення струму рекомбінації 2 (внутрішній ККД потужності випромінювання) в робочому режимі моделі сягає до 20 % від пов-
а)
в)
Рис. 6. Частина результатів розрахунків параметрів мікропотужного ІК СД
ного струму інжекції 1 СД (рис. 6, б). Модуляцію СД запропоновано проводити в режимі «малого сигналу», що забезпечує підвищення частоти перемикання приблизно на порядок порівняно з режимом «великого сигналу».
На рис. 7 подано результати моделювання ІК р-і -п ФД: фоточутливість при X = 0,84 мкм дорівнює 0,45 А/Вт, гранична частота /Гр~ 5 ГГц, коеф. перетворення до 2.2,25 %, приймальне фотовікно £ ~ 25 мкм2. Наведено графіки: значення згенерованого фотоструму ФД (при дії 2 нс синусоїдального оптичного вхідного імпульсу) для двох значень об’ємної швидкості генерації О (рис. 7, а); залежність зміни заряду 2р-і-п ФД від напруги и для розрахунку ємності СФд, що не перевищує
0,0045 пФ (рис. 7, б).
На рис. 8 подано результати моделювання підсилювача фотоструму у вигляді ВЧ п-р-п Тр в схемі із загальним емітером: пряма (а) і зворотна (б) ВАХ; значення вихідного струму його колектора (1, 2) для двох трапеціє-видних вхідних імпульсів від р-і-п ФД амплітудою І = =ІБ1 = 1 мкА і І = ІБ2 = 2 мкА (в), що задані таблицею. Особливістю їх є те, що з них видно, з якою динамікою перемикання інтегральний ВЧ п-р-п Тр працює з двома значеннями фотоструму ФД (І = ІБ1 = 1 мкА; І = =ІБ2 = 2 мкА): при значеннях коефіцієнту передачі по струму h ~ 100 (І = 1 мкА) і h ~ 50 (І = 2 мкА) робоча частота сягає/ро6 ~ 0,167 ГГц (1) і 0,333 ГГц (2) відповідно; розрахункова гранична частота перемикання (при h = 1) 4~ 2,7 ГГц.
а)
б)
Рис. 7. Частина результатів розрахунків параметрів ІК р-і-п ФД
М
tU
1>,і
*
М «jj і,» U
a)
мА Іи=2мкА мкА Час t, не ІфД^БЛЇ)’ мкА Час t, НЕ ІфД^Б.ТЇ)’ мкА
Ґ " OJ- / 0 0
// Іг1=1мьсА ї Е1 0.1- / 1,2 1 0,6 2
/ 2,8 1 1,4 2
I и*,в ик,в 3,0...5,0 0 1,5...5,0 0
а,р
о л
OjS OJl 1,3 6)
в)
Рис. 8. Частина результатів розрахунків параметрів інтегрального ВЧ п-р-п Тр
Результати аналізу, розрахунків і досліджень показали можливість функціонування таких пристроїв, як елементів оптопар при їх відповідних розмірах, в мікропо-тужних режимах у нижній частині УВЧ діапазону і можливість формування на їх основі ДВЧ, УВЧ оптопар. Параметри часу перемикання ґ запропонованих еле-
і і .і і зт.пер. А
ментів оптопар (рис. 6-8) сягають значень електронних типів логіки (табл. 1) при достатньо малих значеннях Рсер, мВт; Асер, пДж. Обговорення результатів дослідження проводилось на кількох МНТК [18-21 ].
ВИСНОВКИ З ПРОВЕДЕНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ І ПЕРСПЕКТИВИ ПОДАЛЬШИХ РОЗРОБОК В ДАНОМУ НАПРЯМІ
На основі проведеного аналізу можна зробити такі висновки.
1. Динаміка зміни параметрів електронних цифрових ІС вказує на те, що вони наближаються до певної межі досягнутих параметрів. Вона є різною для відомих типів електронної логіки, пов’язана з мінімальним розміром елемента ІС (топологічний розмір сучасної технології: 1 мкм; ... 100 нм; .. .10 нм), але зв’язана з загальними для ІС факторами, основними з яких є фізичні властивості носіїв інформації, НС і технологічні обмеження.
2. Фізичні обмеження НПматеріалів і структур, що входять до складу ІС, ще мають певний запас для підвищення частоти перемикання при заданому значенні Рсер. (рис. 1).
3. Є суттєві переваги ОЕП у складі ОП і ЦА (для управління об’єктами: передавання, прийом, перетво-
рення інформації в телекомунікаційній техніці та ін.), засновані на використанні фотонів і діелектричних НС і відповідних перевагах оптичного засобу зв’язку.
4. Аналіз випромінювачів у оптронів, ОЕП вказує, що прийнятним рішенням для випромінювача у складі оп-тоелектронних логічних схем є твердотільні пристрої. Серед них виділяються СД - некогерентні випромінювачі на основі ваАє із прийнятним набором характеристик, що відзначаються: малою споживаною потужністю, швидкодією перемикання (10-9 с), ККД перетворення електричного струму у випромінювання у межах 10.20 %, значним часом функціонування (106 год) і роботою у ВЧ, ДВЧ і УВЧ діапазонах. Є можливість отримати вихід випромінювання як перпендикулярно площині р-п переходу (СД типу ПВВ) так і вздовж неї (більш придатний для планарних технологій отримання ВОК).
5. Оцінка ФП ДВЧ, УВЧ діапазону і їх параметрів показує, що структура із роздільним фотоперетворен-ням і підсиленням типу ІФП (рис. 5, б) забезпечує прийнятну швидкодію на робочій частоті. В пристроях, що існують, схеми ФП сполучаються із входами ІС (на основі Т2ЛШ), не вимагають підвищених напруг живлення (звичайно 1.5 В), мають високу швидкодію - до 10-10 с і можливість вибору режиму Тр (ділянки: лінійна або насичення ВАХ) та реалізації адаптивних ФП (через вплив на струм бази Тр).
На основі аналізу можливо зробити припущення, що між етапом розвитку сучасної електронної логіки і майбутньою «оптичною» логікою може перебувати період застосування оптоелектронної логіки, наприклад, на
базі використання мало- та мікропотужних режимів елементів оптопар ДВЧ і УВЧ діапазонів у складі оптоелект-ронних логічних схем (НІ, АБО-НІ, І-НІ, їх комбінацій) для ІС, що можуть сполучати відомі фізичні процеси: оптичні, оптоелектронні і електронні та використовуватимуть їх переваги.
З вищевказаного випливає, що завдання створення мало- і мікропотужних цифрових ІС на елементах оптопар ВЧ, ДВЧ і УВЧ діапазонів (з малим енергоспоживанням для ОП і ЦА) практично назріли. Широке застосування в них елементів оптопар може привести до вирішення частини питань, які вказані в перших частинах статті, а саме: зниження споживаної потужності ІС для ПК, ОП, ЦА (через зниження t3 при поширенні оптичних ЦС по ВОК) і підвищення широкосмужності оптичних ліній зв’язку і інтерфейсів ІС. Такий підхід відкриє нові можливості розвитку елементної бази ОЕП і використання якостей оптичного середовища для організації міжз’ єднань (оптичних інтерфейсів), створення оптоелек-тронних цифрових ІС для ПК, ОП, ЦА, що можуть конкурувати з відомими типами електронних ІС.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Фриман, Р Волоконно-оптические системы связи / Р. Фри-ман. - М. : Техносфера, 2003. - 430 с.
2. Волоконные оптические линии связи - ВОЛС: [справочник под ред. С. В. Свечникова, Л. М. Андрушко]. - К. : Тэхника, 19SS. - 239 с.
3. Алексенко, А. Г. Основы микросхемотехники / А. Г. Алексенко. - М. : Юнимедиастайл, 2009. - 44S с.
4. Аванесян, Г. Р. Цифровые интегральные микросхемы : справ очник / Г. Р. Аванесян. - М. : Радиотехника, 200S. -272 с.
3. Свечников, Г. С. Интегральная оптика / Г. С. Свечников. -К. : Наукова думка, 19SS. - 166 с.
6. Носов, Ю. Р Оптоэлектроника / Ю. Р. Носов. - М. : Радио и связь, 19S9. - 360 с.
7. Гребнев, А. К. Оптоэлектронные элементы и устройства /
А. К. Гребнев, В. Н. Гридин, В. П. Дмитриев. - М. : Радио и связь, 199S. - 336 с.
5. Радиоэлектронный блок с некондуктивными свіязями : тр.7-й Междунар. конф. «Волоконная оптика в системах связи, промышленной автоматике, медицине» / В. П. Тес-ленко, О. В. Щекотихин, Г. А. Полянский, П. А. Ройбул. -Запорожье : ЗНТУ, 2002. - С. 70-72.
9. Шмойлов, В. И. Пульсирующие информационные решетки с матричной коммутацией / В. И. Шмойлов, В. О. Бронзов // Штучний інтелект. - 200S. - № 3. - С. 790-799. -Режим доступу до журн.: www.nbuv.gov.ua/portal/natural/ ii/200S_3/JournalAI_200S_3/RazdelS/ 23_Shmoylov_Bronzov.pdf
10. SciTecLibrary - Новости Науки и Техники. 13.0S.2003. Российским специалистом разработана оптоэлектронная системная плата нового поколения, превосходящая даже современные аналоги компании IBM. - Режим доступу до матеріалів: www. sciteclibrary. ru/rus/catalog/pages/3S33. htm
11. Корпорация Intel представляет прототип высокоскоростного оптического интерфейса ввода/вывода для межкомпонентных соединений кристалл - кристалл. - Режим доступу до матеріалів: http://www.intel.com/corporate/europe/ emea/rus/country/update/contents/it04041.htm
12. Юшин, А. М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги : [справочник]. В 3 т. Т. 1 / А. М. Юшин. - М. : РадиоСофт, 2000. - З12 с.
13. Пат. № 68540А. Україна, МКИ G02F 3/00. Інтегральний фотоприймальний пристрій / Білявська О. С., Костенко В. Л., Проскурін М. П. - № 20033076496; за-явл.11.07.2003; опубл. 16.0S.2004, Бюл. № S. - 3 с.
14. Костенко, В. Л. Модели фотоприемников для микромощ-ных оптопар ВЧ диапазона и оптоэлектронных логических элементов, устройств на их основе / В. Л. Костенко, Е. С. Белявская, Н. П. Проскурин // Нові технології. Науковий вісник Ін-ту економіки і нових технологій. - 2004.-№ 3(6). - С. 14-19.
13. Пат. № 12S63. Україна, МКИ G02F 3/00. Інтегральний світлодіод / О. С. Білявська, М. П. Проскурін. - № u 2003 04396; заявл. 17.03.2003; опубл. 13.03.06, Бюл. № 3. - 4 с.
16. Берг, А. Светодиоды / А. Берг, П. Дин ; [пер. с англ. под ред. А. Э. Яновича]. - М. : Мир, 1979. - 6SS с.
17. Григоренко, В. П. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов /
В. П. Григоренко, П. Г. Кузьмин, В. А. Кузьмин, Т. Т. Мнацаканов. - М. : Энергоатомиздат, 19SS. - 2S0 с.
15. Костенко, В. Л. Модель интегрального фотоприемника, его параметры и характеристики : труды Междунар. конф. «Сучасний стан та перспективи використання ВОЛЗ. Первинні мережі як транспортна основа телекомунікаційної інфраструктури України» / В. Л. Костенко, Н. П. Проскурин. - Запоріжжя : ЗНТУ, 2003. - С. 179-1S3.
19. Костенко, В. Л. Интегральное фотоприемное устройство : труды Междунар. конф. «Современные информационные и электронные технологии» / В. Л. Костенко, Н. П. Проскурин, Е. С. Белявская. - Одеса : Од.НПУ, 2003. - С. 193.
20. Proskurin, N. P The models of photoreceivers optocouples, micropowerful optoelectronic logic elements and devices of HF range : труды 6-й Междунар. конф. «Modern problem of radio Ingineering, Telecommunications and Computer Science» / N. P. Proskurin, E. S. Belyavskaya, O. V. Schekotihin. - Львів - Славське : Львівська політехніка, 2004. - С. 349-330.
21. Демиденко, Е. А. Результаты исследований мало- и мик-ромощных оптоэлектронных логических элементов : труды Междунар. конф. «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» / Е. А. Демиденко, Н. П. Проскурин. - Запоріжжя : ЗНТУ, 2006. - С. 3S-60.
Стаття надійшла до редакції 02.09.2010.
Після доробки 03.11.2010.
Проскурин Н. П., Костенко В. Л., Щекотихин О. В., Грушко С. С.
ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПЕРЕХОДА К МИКРОМОЩНЫМ ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ИНТЕГРАЛЬНЫМ СХЕМАМ С ОПТОЭЛЕКТРОННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Рассмотрены проблемы передачи данных в металлических направляющих средах для систем обработки информации, управления объектами в цифровых интегральных схемах. Проведен сравнительный анализ типов схем электронной логики и направляющих сред. Обоснована возможность использования микромощных оптоэлектронных элементов для создания оптоэлектронной логики и интегральных схем на их основе.
Ключевые слова: цифровые интегральные схемы, оптоэлектроника, оптопара, направляющая среда, светодиод, фотоприемник, волоконнооптический канал связи, цифровые автоматы.
Proskurin N. P., Kostenko V. L., Schekotihin O. V., Grushko S. S.
VALID NECESSITY OF TRANSFER TO MICROPOWER SOLID STATE INTEGRATED CIRCUITS WITH OPTRONIC COMPONENTS FOR DIGITAL MACHINES AND COMPUTING DEVICES
The problems of data transmission in metal directing mediums for the systems of data processing and objects control in digital integrated circuits are considered. Comparative analysis of the types of electronic logic circuits and directing mediums has been carried out. The possibility of using micropower optoelectronic elements for creation of optoelectronic logic and integrated circuits based on it is shown.
Key words: digital integrated circuits, optoelectronics, optocoupler, directing medium, LED, photodetector, fiber-optic communication channel, digital machines.
УДК 621.395
Сметанин И. Н.1, Ложковский А. Г.2, Пиза Д. М.3, Вербанов О. В.4
1 Ст. преподаватель Запорожского национального технического университета 2Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Одесской национальной академии связи им. А. С. Попова 3 Д-р техн. наук, профессор Запорожского национального технического университета
4 Ст. преподаватель Одесской национальной академии связи им. А. С. Попова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАФИКА УЧАСТКА СЕТИ GSM ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛОКАЛЬНЫХ ПЕРЕГРУЗОК
В данной статье обосновывается необходимость проведения исследований параметров нагрузки для участков сотовой сети связи стандарта GSM, которые подвергаются локальным перегрузкам, приводятся результаты проведенных статистических измерений,
и, на основе анализа полученных данных, сделаны выводы об отличии характера потока нагрузки, создаваемого различными видами соединений.
Ключевые слова: сотовая сеть, час наибольшей нагрузки, поток вызовов, длительность разговора, интенсивность нагрузки, число занятий, отказ в обслуживании, локальная перегрузка.
ВВЕДЕНИЕ
С ростом возможностей современных сотовых операторов и количества обслуживаемых ими абонентов, иногда возникают условия, при которых происходит превышение телефонной нагрузки в соте за счет увеличения нагрузки от некоторой части абонентов в этой соте, т. е. возникает локальная перегрузка. Максимальное количество абонентов, собранное в пределах одной соты, можно наблюдать в период проведения массовых мероприятий, таких как День города, концерты и т. д. При этом очень важно качественно обеспечить абонентов сети всеми заявленными услугами. Стабильная и высококачественная работа телекоммуникационной сети зависит от правильного ее проектирования и возможной реконфигурации при ее эксплуатации. Основной исследуемой характеристикой при этом является интенсивность телефонной нагрузки. Причем исходные величины для каждого случая определяется по-своему.
Выбор величины нагрузки при проектировании сети основывается на предполагаемых (прогнозируемых) данных, т.к. точные данные о телефонной нагрузке еще неизвестны. Для внесения изменений при эксплуатации в качестве исходных данных используются уже известные результаты измерений работающей сети. Однако,
и в первом и во втором случаях используются усреднен -ные значения, которые получают при статистических наблюдениях за телефонной нагрузкой. При этом определяемые основные характеристики имеют первичные и вторичные параметры. К первичным можно отнести параметры, которые характеризуют нагрузку, создаваемую потоком вызовов, т.е. среднюю длительность разговора, интенсивность нагрузки и число занятий. В группу вторичных параметров, можно внести количество вызовов абонентов за промежуток времени, длительность паузы между вызовами и время обслуживания вызова. Эта группа параметров может помочь сделать правильный вывод о характеристиках исследуемого потока вызовов и подтвердить либо опровергнуть достоверность предположений о потоковой модели и виде закона распределения случайных величин.
Для этих параметров расчет необходимого объема оборудования, числа линий и каналов может производиться соответствующим методом. Если применить метод, который не будет учитывать реальный поток вызовов, а, следовательно, не отражает их реальную структуру, то точность полученных расчетов будет небольшой, что естественно скажется на качестве обслуживания абонентов и эффективности использования оборудования.
© Сметанин И. Н., Ложковский А. Г., Пиза Д. М., Вербанов О. В., 2011
