Разработка гетерогенных схем для аналого-цифровых систем на кристалле Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 519.714.23+621.3.049.771.14

РАЗРАБОТКА ГЕТЕРОГЕННЫХ СХЕМ ДЛЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ

© 2009 С М. Крылов, М.В. Сараев, Е.Н. Гребенщиков

Самарский государственный технический университет

Поступила в редакцию 16.11.2009

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)

Ключевые слова: общая теория систем, гетерогенные системы, функциональные блоки, аналого-цифровые системы на кристалле, схемы коррекции смещения нуля

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: a,=<yVi, Mfi>=<{ Yi0, Yi1,... Yin}, {yij=fy(jis,..., Yjk);...; jir=9r(jit,-, Ym¡)}>, где Ypi - список параметров {yi0, Yi1,... yin}, отображающих свойства данного элемента ai на числовую ось (или на другую, заранее оговариваемую, нечисловую шкалу), Mfi={Yj=jy,s,..., Y/k);...; j,r=9r(j,t,..., ym¡)} - список функциональностей, относящихся к этим свойствам. Состояние элемента ai - это конкретное значение всех параметров ypi - то есть конкретное значение соответствую-щего вектора Г 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 аналого-цифровых 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=п2 - п=210, (1)

где п - общее число рассматриваемых гетерогенных сигналов и параметров.

В тоже время число гомогенных сочетаний H, согласно той же таблице, равно:

H = п =15, (2)

то есть в Г/Н=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 Есм.0 и на переключаемых конденсаторах с автонулением [5]. При этом максимальная погрешность Есм0 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 Иц 1ц Иа 1а Иф 1ф Ид 1д Иь 1ь Ич 1ч Я С Ь

Иц - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

1ц Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

Иа Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

1а Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

Иф Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

1ф Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

Ид Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

1д Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт

Иь Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт Гт Гт

1ь Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт Гт

Ич Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт Гт

1ч Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт Гт

Я Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт Гт

С Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт - Гт

Ь Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт Гт -

Примечание: и - сигналы напряжения, I - тока, Я - величина сопротивления, С - величина ёмкости, Ь -величина индуктивности. Подстрочными буквами обозначены: ц - цифровые сигналы, а - аналоговые, ф - фаза сигнала, д - длительность импульсного сигнала, И - амплитуда импульса, ч - частота сигнала, пробел -гомогенное сочетание входных и выходных сигналов и (или) параметров, Гт - 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 планар-ным 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 Есм.0 Площадь, в у.е. Точнос ть или Есм.0, мВ Макс. число функци й

резистор Я 1а/иа ИЛ низк. нет кРкТкЯЯ 20% 2

емкость С иж иж низк. нет кРкТкСС 10% 2

МОП-транзистор Иа/Я низк. нет 1 кРкТ - 1

Я8-триггер с занесением Иц/Иц сред. нет 18 кркт - 1

регистр на т разрядов Иц/Иц сред. нет 18т кРкТ - 1

непрер. ДОУ иа/иа сред. нет кркт1000 ±10 2

ДОУ на ПК (Р8оС) ИЖ сред. есть Кркт1240+ксСос ±1 5

непрерывный компаратор Иа/Иц сред. нет кркт1000 ±10 1

компаратор на ПК Иа/Иц сред. есть кркт1200 ±1 1

симметричное токовое зеркало 1а/1а низк. нет КркТ2+кРкТкЯЯ 10% 1

ЦАП на токовом зеркале на т разрядов ИЛ сред. нет кркт(2т+1+1)+кркткяЯ 10% 1

2-х-полярный токовый ЦАП на т разрядов иЛ сред. нет кРкТ(2т+2+2)+кРкТкЯЯ 10% 2

цифровой инвертор Иц/Иц низк. - кРкТ2 - 1

ключ КМОП Иц/Иа ил низк - кРкТ4 - 1

полный двоичный дешифратор на т входов Иц/Иц сред. - кркт(2т+2т+1(т+1)) - 1

ЦАП на сетке 2т-Я на т разрядов ИЛ выс. нет кркт(2т+2т+1(т+2))+ +2т кРкТкЯЯ 20% е.м.з.р 1

2-х-полярный ЦАП на сетке 2т-Я на т разрядов ИЛ выс. нет кркт(2т+2т+1(т+2)) + + 5кР2кТ +2ткРкТкЯЯ1 + +кРкТкЯЯ2 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: кР _ коэффициент, связывающий площадь (мощность) «единичного» элемента и того, который необходим в данной конкретной схеме (при увеличении мощности размеры элемента увеличиваются); кт - коэффициент, связывающий текущую расчётную площадь элемента с его реальной площадью, занимаемой на кристалле (то есть с учётом дополнительной пустой поверхности кристалла); кЯ - коэффициент, связывающий сопротивление резистора величиной в одну единицу, с его длиной, Я - величина резистора в принятых единицах, кс -коэффициент, связывающий ёмкость конденсатора величиной в одну единицу, с его площадью, С - ёмкость конденсатора в принятых единицах; Я - величина одного резистора в сетке ЦАП типа 2т-Я на т разрядов; Я}, Я2 - величины резисторов в сетке двухполярного ЦАП типа 2т-Я на т разрядов и в цепи задатчика тока двухполярного токового зеркала для этого ЦАП соответственно, кР2 - коэффициент, связывающий площадь (размеры) транзисторов токового зеркала двухполярного ЦАП с площадью «единичного» элемента. Я^-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 Б в Р8оС [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 2т-Я, помимо резистивной сетки, содержит разнополярные токовые ЦАП.

Рассмотрим один из возможных вариантов синтеза гетерогенной схемы коррекции напряжения смещения нуля Есм.0 инвертирующего непрерывного ДОУ, классическая схема коррекции Есм.0 которого представлена на рис. 1.

Roc

Рис. 1. Инвертирующий усилитель на базе ДОУ со схемой коррекции его Есм0

Суть коррекции по классической схеме заключается в том, что для компенсации влияния Есм0 самого ДОУ используется включенный последовательно с ним компенсирующий источник Есм0, фактически устраняющий влияние первого (рис. 1). Если в качестве компенсирующего источника использовать классический т-разрядный разнополяр-ный ЦАП на последовательной сетке одинаковых резисторов типа 2т-Я, то, согласно табл. 2, занимаемая им площадь кристалла Скорр будет равна:

Скорр=кркт(2т+2т+1(т+2))+5кр2кт +2ткркткяЯ1+кркткяЯ2+18т кркт, (1)

что при значениях т=4, кр=1=кр2, кт=2, кр=2 кОм-1 (из [9]), Я;=1 кОм; ^=10 кОм даст

Скорр=660.

Если же использовать гетерогенный блок, например, ЦАП на токовых зеркалах с двухполярным токовым выходом на те же т разрядов с хранящим код коррекции аналогичным т-разрядным регистром, причём в качестве конвертора типа 1а/иа (см. табл. 1 и [4]) использовать низкоомный резистор (табл. 2), то для его реализации потребуется примерно Скор2 единиц площади:

СКор2 = кРкт(2т+2+2)+кРкткрЯ+ 18ткркт+кркткр г (2)

что при тех же значениях параметров (г=100 Ом, Я=Я2) даст Скор2=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:

1. Крылов, С.М. Формально-технологические модели в общей теории систем. // Известия Самарского научного центра РАН. - 2003. -Т.5, №1. - С. 83-90.

2. Крылов, С.М. Формальная технология и эволюция. - М.: Машиностроение-1, 2006. -384 с.

3. Карпов, Е.М. Об алгебре физических взаимодействий. В кн.: Математическое обеспечение САПР (Межвуз. сб. научн. трудов). Куйбышев: КуАИ, 1989. - С .20-29.

4. 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.

5. 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.

6. PSoC Mixed Signal Array. Final Data Sheet. CY827143, CY827243, CY827443, CY827543, and CY827643. - Cypress Semiconductor Corp., 2002-2006. Document No. 38-12012 Rev. *K

7. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. - М.: Мир, 1983.

8. Волович, Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. - М.: издательский дом «Додэка -XXI», 2005. - 530 с.

9. 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.

10. Analogue Circuits II. Exam 21.11.2003. University of Oulu. Electrical and Information Engineering. Электронный ресурс: http://www.ntsat.oulu.fi

DESIGN OF HETEROGENEOUS CIRCUITS FOR ANALOG-DIGITAL SYSTEMS-ON-CHIP

© 2009 S.M. Krylov, M.V. Saraev, E.N. Grebenschikov Samara State Technical University

The paper deals with some approaches to the design of various analog-digital systems-on-ship based on the new interdisciplinary scientific direction called General Formal Technology (GFT).

Key words: general theory of systems, heterogeneous systems, functional blocks, analog-digital systems on a crystal, schemes of correction of zero displacement

Sergey Krylov, Doctor of Technical Sciences, Professor at

the Computers Department

Mikhail Saraev, Graduate Student

Evgeniy Grebenschikov, Laboratorian at the Computers

Department