Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ГУСЕВ СТАНИСЛАВ ВАЛЕНТИНОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МИКРОСХЕМ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ВЫХОДНОЙ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена на кафедре проектирования и конструирования интегральных микросхем Национального исследовательского университета МИЭТ
Научный консультант: Глебов Алексей Львович доктор технических наук, с.н.с., профессор кафедры проектирования и конструирования интегральных микросхем НИУ МИЭТ
Официальные оппоненты: Шелепин Николай Алексеевич доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора, главный конструктор ОАО НИИМЭ и завод Микрон Машевич Павел Романович кандидат технических наук, директор по НИОКР - главный конструктор ОАО Ангстрем
Ведущая организация: ОАО НИИТАП
Защита диссертации состоится л11 декабря 2012г., в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.134.01 при Национальном исследовательском университете МИЭТ по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета МИЭТ
Автореферат разослан л07 ноября 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета:
доктор технических наук, профессор Крупкина Т.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. С ростом количества используемых частотных диапазонов и увеличением их загруженности, существенно повысились требования к стабильности опорной частоты для работы систем связи. Повышенные требования к стабильности частоты предъявляются также в системах глобального позиционирования, радиоастрономии, измерительных, медицинских и других приборах и системах. Основным типом устройств, используемых в таких системах в качестве опорных источников частоты, являются термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ). В случае использования ТККГ в мобильных и космических системах повышенные требования предъявляются не только к стабильности выходной частоты генератора, но и к массогабаритным показателям генератора.
С точки зрения компенсации температурной зависимости частоты, структура ТККГ может быть разделена на пассивную часть, представляющую собой генератор, управляемый напряжением, и активную часть, управляющую генератором, в зависимости от температуры окружающей среды.
С развитием микроэлектроники, все большее распространение получают ТККГ с использованием активной части, выполненной на основе ИС. Данный тип ТККГ обладает существенно меньшими размерами и весом, меньшим энергопотреблением и большей надежностью, по сравнению с ТККГ на основе дискретных элементов.
Основной задачей активной части ТККГ является расчет компенсирующей функции, параметры которой индивидуальны для каждого ТККГ, зависят как от параметров кварцевого резонатора, так и от параметров остальных элементов системы и определяются на этапе настройки ТККГ. В случае использования микросхемы активной части этап поиска параметров компенсирующей функции существенно затрудняется из-за невозможности исследования параметров отдельных элементов системы, что ведет к снижению точности настройки ТККГ.
Кроме того, площадь модуля вычислителя компенсирующей функции, построенного на основе традиционных методов организации вычислений, занимает до 50% кристалла активной части ТККГ, а использование синхронных последовательных интерфейсов для задания параметров компенсирующей функции требует использования дополнительных выводов корпуса ТККГ.
Таким образом, в настоящее время, разработка методов проектирования микросхем активной части ТККГ, позволяющих уменьшить размеры и обеспечить необходимый уровень точности расчетов компенсирующей функции, а так же, методов ускорения и автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, являются актуальными и своевременными задачами.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке методов проектирования цифровых схем расчета компенсирующей функции, позволяющих обеспечить высокую точность вычислений, низкое энергопотребление и небольшую площадь, занимаемую на кристалле активной части ТККГ, и методов автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, позволяющих увеличить точность настройки компенсирующей функции, реализованной в микросхеме.
Задачи исследования. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследование основных проблем препятствующих увеличению степени компенсации и уменьшению размеров ТККГ.
2. Исследование помех, вносимых цифровым модулем вычисления компенсирующей функции в работу остальных частей микросхемы активной части ТККГ.
3. Разработка архитектуры цифрового модуля расчета компенсирующих напряжений, позволяющей сократить площадь вычислителя, занимаемую на кристалле ИС активной части ТККГ и обладающей минимальной ошибкой вычисления заданной функции.
4. Разработка методов снижения помех, вносимых цифровыми блоками микросхемы активной части ТККГ в работу устройства.
5. Исследование и разработка интерфейса для управления активной частью ТККГ, позволяющего осуществлять двунаправленный обмен данными, обладающего высокой надежностью и использующего минимальное количество выводов корпуса ТККГ.
6. Исследование и разработка модуля контроллера интерфейса, позволяющего использовать наименьшее количество выводов корпуса.
7. Разработка методики ускоренного нахождения параметров компенсирующей функции ТККГ.
8. Экспериментальная проверка предложенных методов и решений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена новая архитектура модуля расчета полиномиальной функции компенсации для микросхем активной части ТККГ на основе последовательных вычислений.
2. Предложен метод реализации архитектуры модуля расчета компенсирующей функции на основе квази-самосинхронной схемотехники с использованием метода перераспределения задержек цепей управления сдвиговых регистров.
3. На основе исследования зависимости частоты от кодов компенсации и температуры предложена новая параметризованная температурная модель ТККГ.
4. Предложен метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ, основанный на использовании параметризованной температурной модели с применением методов целочисленного линейного программирования.
5. Для управления микросхемой активной части ТККГ разработан новый интерфейс передачи данных, использующий широтноимпульсный метод кодирования данных.
Практическая ценность работы.
1. Разработанный по технологии 0.6 мкм на основе предложенной архитектуры модуль расчета функции компенсации, обладает более чем в 5 раз меньшей площадью, по сравнению с аналогичными модулями на основе известных архитектур.
2. Метод реализации модуля вычисления компенсирующих напряжений на основе самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей сдвиговых регистров, позволяет на 10% сократить среднее потребление тока и на 60% сократить пиковое потребление тока, что позволяет снизить как общее энергопотребление генератора, так и помехи, вносимые в шины питания и земли микросхемы.
3. Предложенная модель и метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ позволяют производить этап настройки генератора за один цикл температурных исследований.
4. Предложенный метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции позволяет снизить температурную нестабильность частоты до 1.0 * 10-6.
5. Разработанный интерфейс управления активной частью ТККГ позволяет осуществлять двунаправленный обмен данными, используя при этом один вывод корпуса кристалла ТККГ.
Внедрение. Результаты работы внедрены и легли в основу серийно выпускаемых микросхем производства ЗАО ПКК Миландр К5860ГН2, что подтверждено актами о внедрении.
Достоверность результатов Достоверность разработанных методов и решений подтверждена результатами экспериментальных исследований тестовых образцов и серийно выпускаемых микросхем активной части ТККГ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Архитектура цифрового модуля расчета функции компенсирующих напряжений, основанная на последовательных вычислениях функции, с использованием схемы умножения по алгоритму Бута, позволяющая существенно сократить площадь кристаллов активной части ТККГ, сохранив при этом точность расчета компенсирующей функции.
2. Метод уменьшения шумов, вносимых цифровым модулем расчета компенсирующих напряжений в цепи питания, основанный на использовании квази-самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей.
3. Параметризованная температурная модель ТККГ на основе интерполяции измерения поведения выходной частоты в зависимости от температуры и параметров компенсирующей функции.
4. Метод определения оптимальных параметров компенсирующей функции на основе предложенной температурной модели.
5. Интерфейс для передачи параметров, необходимых для расчета компенсирующих напряжений, основанный на широтной модуляции данных, и модуль контроллера предложенного интерфейса, обеспечивающие надежную двунаправленную передачу данных и позволяющие сократить количество выводов корпуса ТККГ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
14-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, МЭИ, 2008;
Международной научной молодежной конференции по естественным и техническим дисциплинам УНаучному прогрессу - творчество молодыхФ, Йошкар-Ола, МарГТУ,2010;
Международной научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Проектирование систем на кристалле:
тенденции развития и проблемы, Москва, МИЭТ, 2010.
17-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика - 2010, Москва, МИЭТ, 2010.
Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School (MB-JASS), Москва, МИЭТ, 2011.
18-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика - 2011, Москва, МИЭТ, 2011.
Международной научной молодежной конференции по естественным и техническим дисциплинам УНаучному прогрессу - творчество молодыхФ, Йошкар-Ола, МарГТУ,2011;
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в научных работах, в том числе 6 статьях в периодических печатных изданиях, 5 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, тезисах 7 докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы.
Диссертация изложена на 123 листах основного текста, включая рисунков и 9 таблиц, список литературы из 107 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводится классификация современных прецизионных кварцевых генераторов и характеристики наилучших образцов ТККГ, описываются принципы работы ТККГ на основе различных видов компенсирующих функций, обосновывается выбор в качестве объекта исследования микросхемы активной части ТККГ с цифровым модулем вычисления на основе полиномиальной функции компенсации.
Несмотря на то, что термостатированные генераторы обеспечивают максимально возможную стабильность выходной частоты, ТККГ в настоящее время наиболее востребованы, т.к. имеют меньшие размеры, меньшее время выхода в рабочий режим, меньшее энергопотребление.
Современные ТККГ можно классифицировать следующим образом:
1. По методу компенсации как генераторы, компенсация в которых выполнена на основе термочувствительных элементов, и генераторы, в состав которых включен модуль расчета компенсирующей функции на основе измерения температуры (активная часть ТККГ).
2. По реализованной функции компенсации, как табличные, полиномиальные и интерполирующие, на основе линейной или полиномиальной интерполяции.
3. По методу реализации модуля расчета компенсирующей функции как аналоговые, цифровые, частным случаем которых являются микроконтроллерные, и смешанные.
4. По методу управления выходной частотой генераторы классифицируются как управляемые напряжением и синтезаторного типа.
5. По методу измерения температуры как генераторы с использованием датчика температуры и генераторы на основе двухмодового возбуждения кварца.
6. По конструкции как реализованные на дискретных элементах и реализованные на основе микросхемы активной части.
Анализ производимых ТККГ показывает, что наибольшей стабильностью выходной частоты (менее 1 ppm) в диапазоне температур от -60 до +85 C обладают ТККГ, размер которых превышает 5.0x7.0x2.0 мм3. Чаще всего, такие генераторы разрабатываются на основе дискретных элементов, используют интерполирующую функцию компенсации и микропроцессор в качестве вычислителя компенсирующей функции.
Реализация активной части генератора на основе заказных ИС позволяет существенно уменьшить размеры ТККГ, что необходимо в мобильных и космических приложениях, но в то же время температурная стабильность частоты таких устройств ниже. Это обусловлено как ограничениями, накладываемыми сложностью реализуемой компенсирующей функции, так и меньшей точностью настройки параметров компенсирующей функции. Основной трудностью при определении параметров компенсирующей функции в таких ТККГ является невозможность измерения собственных параметров отдельных элементов системы.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили ТККГ, компенсирующую функцию в которых выполняет микросхема активной части на основе цифровой схемотехники. Это обусловлено простотой проектирования, высокой точностью расчета и независимостью от температуры окружающей среды цифровых модулей вычисления компенсирующей функции. В то же время существенным недостатком цифровых вычислителей является большая, по сравнению с аналоговыми вычислителями, площадь, занимаемая модулем на кристалле, и высокий уровень шумов, вносимый в шины земли и питания синхронным переключением регистров цифровых схем.
Рисунок 1. Структурная схема ТККГ Таким образом, в качестве объекта исследования, нами выбрана микросхема активной части ТККГ на основе генератора, управляемого напряжением. Разработка самой микросхемы предполагается на основе цифровой схемотехники, с использованием полиномиальной компенсирующей функции. Структурная схема ТККГ представлена на рисунке 1. Данный тип ТККГ наиболее соответствует требованиям, предъявляемым к ТККГ в современных мобильных устройствах и космической технике.
Основными задачами
исследования выбраны уменьшение площади кристаллов активной части ТККГ, уменьшение потребления и шумов, вносимых цифровой частью микросхемы, разработка методов автоматизированного ускоренного поиска параметров компенсирующей функции и методов их передачи вычислителю компенсирующей функции, используя минимальное количество выводов корпуса ТККГ.
Во второй главе проводится анализ требований, предъявляемых к модулю вычисления кодов компенсирующих напряжений (МВККН), основному модулю микросхемы активной части ТККГ. Показано, что параллельная архитектура модуля является избыточной. Предложена новая последовательная архитектура МВККН. Показано, что модуль, реализованный на основе предложенной архитектуры, обладает меньшей площадью, чем известные аналоги.
Предметом исследования выбран цифровой МВККН, реализующей полиномиальную функцию компенсации V(T) (1), для удобства вычислений представленную в форме Горнера (2).
V(t)=k0+XS*k1+XS2*k2+XS3*k3+XS4*k4+XS5*k5; (1) V(t)=k0+kS*(k1+XS*(k2+XS*(k3+XS*(k4+XS*k5)))); (2) XS = (T-t0)*Sin; (3) Для уменьшения разрядности коэффициентов k0Еk5 предложено представлять аргумент полиномиальной функции XS в виде (3), где t0 - код номинальной температуры, а Sin - калибрующий коэффициент.
Кроме того, для компенсации возможного технологического разброса, предложено код номинальной температуры так же задавать параметром.
ENXS ENWORK CNTS T Sin X MUL SUM kkkBOOT SUM RESULT klogic ENR tCNTM kCNTP V(T) Рисунок 2. Архитектура модуля вычисления кодов компенсирующих напряжений В результате проведенных исследований предложена архитектура МВККН в соответствии со структурой, изображенной на рисунке 2.
Весь процесс вычисления разделен на 8 этапов. На первых двух этапах вычисляется значение XS, которое представляет собой линейную функцию от температуры. После вычисления значение XS заносится в MUX WORK MUX регистр множимого XS и на последующих этапах не изменяется.
Остальные шесть этапов - это расчет компенсирующего напряжения по формуле Горнера. На каждом из них частный результат, сохраняемый в регистре RESULT, умножается на XS и складывается с соответствующим коэффициентом.
Номер выполняемого этапа определяется счетчиком CNTP. От значения этого счетчика зависят текущие параметры, передаваемые для вычислений в модуль. Работа модуля организована последовательно и состоит из двух циклов вложенных один в другой. Малым циклом управляет 4-х разрядный счетчик CNTS, большим 6-разрядный CNTM.
На малом цикле регистр множимого XS циклически сдвигается, и все его биты последовательно умножаются на текущий бит множителя RESULT. Результат последовательно складывается с текущим значением регистра частичных произведений WORK и циклически помещается обратно в этот же регистр.
В момент, когда счетчик CNTS принимает начальное значение, регистр XS принимает исходное состояния, регистр частичных произведений WORK обнуляется, выдвигая в регистр RESULT один бит результата, сложенный с очередным битом коэффициента. При этом, уже обработанный бит регистра RESULT выдвигается, и становится доступным следующий бит множителя. Счетчик CNTM инкрементируется на единицу и начинается следующий большой цикл.
В момент, когда счетчик CNTM досчитывает с предустановленного в начале этапа значения до нуля, в регистре RESULT содержится верный результат выполнения этапа.
Для прибавления определенных функцией коэффициентов, в модуле организованы два сумматора, складывающие текущий бит результата со значением одного из коэффициентов, определяемого выполняемым этапом.
Для обеспечения требуемых на каждом этапе сдвигов в регистр CNTM в начале этапа заносится значение, большее на величину сдвига.
При этом, когда обработаны все значения множителя, в вычислении участвуют два последних значения, сохраненных в специальных регистрах, в RESULT заносятся старшие биты произведения, а младшие выдвигаются.
Таким образом, на каждом этапе вычислений выполняется функция:
Результат = (Множимое(XS) * Множитель(RESULT) + Коэффициент1(SUM1) + Коэффициент2(SUM2) ) / Сдвиг.
Результат вычисления модуля для средних значений коэффициентов во всем температурном диапазоне представлен на верхнем графике рисунка 3. На среднем графике представлен результат идеального расчета функции компенсации без округлений. Нижний график представляет их разность. Для большинства значений коэффициентов, характерных для функций компенсации реальных ТККГ, ошибка вычисления модуля не превышает 1. Для всех возможных значений коэффициентов максимальная ошибка модуля составляет 4.
Рисунок 3. Результат вычисления МВККН Так же во второй главе предложен метод реализации архитектуры на основе самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей. Применение данного метода позволяет существенно сократить средний потребляемый ток и в несколько раз уменьшает пиковые значения тока, что снижает потребление микросхемы и существенно сокращает шумы, вносимые модулем по шинам питания и земли.
Рисунок 4. Топология МВККН Топология МВККН, разработанного в соответствии с предложенной архитектурой по технологии 0,6 мкм, представлена на рисунке 4.
Топологические размеры МВККН составляют 0,228 мм2, что в более чем 5 раз меньше, чем размеры аналогичных модулей, реализованных на основе известных архитектур.
Третья глава посвящена методам автоматизации и ускорения поиска параметров компенсирующей функции. Задача сведена к подбору таких параметров компенсирующей функции, которые позволяют обеспечить максимальное приближение выходной частоты генератора к номинальной частоте во всем температурном диапазоне (4). На практике, обычно, стремятся, что бы выходная частота генератора удовлетворяла соотношению (5).
(4) (5) где F - функция частоты генератора, - значения параметров компенсирующей функции, t - значение температуры из диапазона рабочих температур.
C - функция управления генератора.
- требуемая степень компенсации.
Проведенные исследования показали, что задача подбора параметров функции компенсирующих напряжений ТККГ осложняется нелинейной температурной зависимостью погрешностей измерения температурного датчика, нелинейными зависимостями преобразователей ЦАП и АЦП, нелинейными зависимостями емкостей варикапов от приложенных напряжений и выходной частоты генератора от емкостей варикапов. При этом, данные зависимости различны для различных кристаллов активной части ТККГ. Кроме того, в случае реализации активной части ТККГ в виде ИС, затруднены измерения характеристик отдельных элементов системы, что не позволяет осуществить декомпозицию ТЧХ ТККГ в виде функций их зависимостей.
Показано также, что необходимость проведения температурных исследований существенно увеличивает время измерения характеристик ТККГ. На используемом при проведении исследования оборудовании время, требуемое для равномерного прогрева или охлаждения всей конструкции ТККГ, составило не менее 20 минут.
Таким образом, при разработке метода автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, необходимо свести количество исследований в диапазоне температур к минимуму.
Искомыми параметрами для исследуемой функции компенсации (1), являются коэффициенты при степенях аргумента К1..К5, номинальное значение температуры T0, и коэффициент масштабирования SCALE.
В результате проведенных исследований предложена методика, позволяющая за один цикл измерений в диапазоне температур построить параметрическую температурную модель ТККГ и найти параметры функции компенсации, оптимальные для данного ТККГ.
Предлагаемая методика поиска параметров является композицией трех составляющих:
1) Архитектурных особенностей микросхем активной части ТККГ, позволяющих получать данные о текущем состоянии контрольных узлов ТККГ.
2) Методики автоматизации измерения параметров устройства (сбора массива данных) в зависимости от изменения температуры для различных параметров компенсирующей функции ТККГ.
3) Создания и характеризации параметризованной температурной модели ТККГ, и поиск, на ее основе, оптимальных параметров функции компенсации.
Коды компенсирующих Коды напряжений температуры a p Выходная частота генератора Температурный АЦП МВККН ЦАП ГУН f датчик Рисунок 5.Расположение измеряемых точек в структуре ТККГ Для поиска параметров компенсирующей функции предлагается рассматривать ТККГ как единое целое, выделив цифровой МВККН, как модуль, результат работы которого определяет вид компенсирующей функции и независим от температуры.
Таким образом, при проведении измерений ТККГ важно получить доступ именно к цифровым кодам температуры, поступающим на вход вычислителя полиномиальной функции, кодам компенсирующих напряжений, являющихся результатом работы модуля. Для обеспечения данных возможностей в микросхеме при помощи интерфейса программирования должна быть реализована возможность считывать текущий код температуры с выхода АЦП и задавать на вход ЦАП коды компенсирующих напряжений. Частота, соответствующая значениям кодов, также должна быть измерена (рисунок 5).
С учетом особенностей нелинейных зависимостей элементов ТККГ, выходная частота кварцевого генератора f может быть представлена в виде (6).
f =F(t,C(P(A(T(t),t),k),t)); (6) где:
Т - зависимость напряжения на выходе датчика температуры от температуры.
A - нелинейная зависимость кода АЦП от температуры и напряжения на выходе температурного датчика.
P - функция МВККН, независящая от температуры.
F - функция выходной частоты генератора от кода компенсирующих напряжений и температуры окружающей среды, включающая нелинейные температурные зависимости ЦАП и варикапа.
В том случае, если t является постоянной величиной, значение кода температуры a также будет постоянной величиной, а функция f примет вид (7).
f =F(P(a,k)) ; (7) Таким образом, если проводить измерения выходной частоты ТККГ для постоянных значений температуры, то температурная составляющая функции (6) не оказывает влияния на значения выходной частоты ТККГ и, таким образом, может быть получена зависимость выходной частоты только от свойств элементов генератора и параметров компенсирующей функции.
Шина управление температурой камеры RS2RS485 Мост Камера тепла и RS485-RS2холода Выносной блок программатора программатор ПК ПО ПО автоматизации ТККГ программатора алгоритма измерения Рисунок 6. Структурная схема программно-аппаратного комплекса автоматизации измерений ТККГ Задачей этапа измерения ТККГ является получение массива данных {f, p, a} для каждой температурной точки. Для проведения исследований был разработан программно-аппаратный комплекс, структура которого представлена на рисунке 6.
В состав измерительного комплекса входит камера тепла и холода Espec MC-811T, частотомер, программатор и персональный компьютер.
Для автоматизации проведения исследований разработан комплекс управляющего ПО, осуществляющий сбор данных о температурных кодах ТККГ, измерение частоты ТККГ, соответствующей данному температурному коду, задание кодов компенсирующих напряжений и температуры печи. Измерения проводились в диапазоне рабочих температур от -60C до +85C, разрядность ЦАП и АЦП исследуемого генератора составляет 12 бит.
На основе проведенных исследований установлено, что при проведении измерений шаг температурной сетки, составляющий 5C, и шаг кода компенсирующих напряжений, составляющий (7F)16, являются оптимальными по критерию время проведения измерений - результирующая степень компенсации ТККГ.
Методика измерений предполагает следующую последовательность действий:
1) Установка температуры в первую исследуемую точку (-60C).
2) Перебор пользовательских кодов компенсирующих напряжений на установленной температуре с шагом (7F)16.
3) Измерение выходной частоты генератора для каждого значения кода компенсирующих напряжений.
4) Повторение 2 и 3 этапов предлагаемой методики для остальных значений температуры с шагом 5C.
Алгоритм действий, соответствующий данной методике, заложен в программную часть комплекса. Все измерения производятся автоматически. Время измерения устройства в одной температурной точке составляет 30 мин. Общее время проведения измерения составляет 14,5 часов.
Результатом измерения ТККГ по предлагаемой методике является массив значений частоты генератора, и соответствующих им кодов температуры и компенсирующих напряжений {f, p, a}.
Для нахождения численных значений коэффициентов компенсирующей функции разработан комплекс ПО, состоящий из трех основных модулей: модуль параметризованной температурной модели ТККГ, модуль расчета граничных функций оптимизации и модуль поиска оптимальных значений параметров. В качестве входных данных в ПО используется массив значений, полученный на этапе измерения.
Для определения значений частоты, в тех точках, которые не были определены на этапе измерений, предложена параметризованная температурная модель ТККГ. В основу модели положены уравнения интерполяции поверхности значений частоты в зависимости от кодов компенсирующих напряжений и температуры вида (8 - 12) для всех измеряемых узлов поверхности.
Fi,,j(a,p) = i,j0+ i,j1 a + i,j2 p + i,j3 a p; (8) ij0 = fi,,j a i+1 p j+1 - fi+1,,j ai p j+1- fi,,j+1 a i+1 p j+ fi+1,,j+1 ai p,j; (9) ij1= - fi,j + fi+1,,j + fi,,j+1 - fi+1,,j+1; (10) ij3 = - fi,,j a i+1 + fi+1,,j ai + fi,,j+1a i+1 - fi+1,,j+1 a,i; (11) ij4 = - fi,,j p j+1 + fi+1,,j p j+1 + fi,,j+1 p j - fi+1,,j+1 p,j; (12) После передачи ПО массива измеренных значений, происходит характеризация модели ТККГ, т.е. расчет коэффициентов выражения (8) на основе выражений (9-12). Полученный массив коэффициентов сохраняется в модуле параметризованной температурной модели ТККГ и используется для расчета функции по запросам других модулей ПО.
В том случае, если мы накладываем на функцию зависимости частоты ограничение (13), где fmax и fmin являются минимально и максимально допустимыми значениями частоты во всем температурном диапазоне, значения p должны удовлетворять выражению (14), где R представляет собой обратную функцию зависимости кодов компенсирующих напряжений от температуры и частоты.
(13) (14) Зависимости P(A) для минимального и максимального значения выходной частоты ТККГ (граничных условий) определена как граничная функция кодов компенсирующих напряжений, в пределах которых производится поиск функции, рассчитываемой МВККН.
Первым шагом предлагаемого метода является нахождение выражений описывающих функцию зависимости F(p) для всех значений A, т.е. подстановка всех возможных значений температурного кода в выражения, описывающие тепловою модель ТККГ. Количество точек a, в которых определяется зависимость F(P), предлагается выбрать как количество возможных дискретных значений температурного кода. Т.е.
если в данном приложении мы имеем 12-ти разрядный АЦП, то количество возможных значений температурного кода будет определяться как 212=4096, соответственно нам необходимо найти 40функциональных зависимостей F(P). В программной реализации операция поиска функций F(P) сводится к перерасчету значений массива коэффициентов, полученного на этапе характеризации параметризованной температурной модели ТККГ.
Следующим шагом поиска граничных функций является определение граничных значений кодов компенсирующих напряжений Pmin Pmax для каждой точки A, удовлетворяющих выражению (14).
Показано, что если гарантировать, что значения, вычисленные модулем расчета функции компенсирующих напряжений, не будут выходить за рамки граничных значений Pmin Pmax, определенных для каждого значения функции A, мы можем быть уверены, что выходная частота генератора также не выйдет за пределы допустимых значений. Т.к. предлагаемый метод вычисления независим от вида модели ТККГ, а зависимость F(p) монотонна, для поиска граничных значений P предложено использовать метод дихотомии. В качестве точек приближения для нахождения Pmin Pmax использованы граничные значения частоты Fmin, Fmax. Монотонность зависимости F(p) подтверждена результатами многочисленных экспериментов.
Последним этапом метода является поиск оптимальных значений параметров компенсирующей функции, т.е. таких параметров, при которых функция компенсации данного ТККГ будет лежать в диапазоне значений, образованном зависимостью P(A) для граничных значений F. Критерием оптимизации выберем максимальную удаленность компенсирующей функции от граничных функций для всех a. В разработанном ПО Рисунок7.Алгоритм метода за этот этап отвечает модуль поиска поиска параметров компенсирующей функции оптимальных значений коэффициентов.
Для решения поставленной задачи оптимизации предложено использовать методы целочисленного линейного программирования.
Набором переменных для оптимизации являются коэффициенты при степенях полиномиальной функции компенсации K1,K2,K3,K4,K5 и введенная переменная PPM. Параметры SCALE и INF исключены из рассмотрения, так как оптимизация по этим параметрам существенно усложнят задачу оптимизации.
Функция оптимизации соответствует функции компенсации, заложенной в МВККН.
Критерием оптимизации являются 4096*2 выражений, каждая пара из которых имеет вид (15).
; (15) Результатом работы программы может являться несколько значений наборов коэффициентов, которые могут быть предложены пользователю.
Рисунок 8. Результаты компенсации ТККГ На графиках F1 и F2 рисунка 8 представлены ТЧХ ТККГ с начальными значениями параметров компенсирующей функции на основе измерения (F1) и рассчитанные на основе предложенной модели ТККГ (F2). Графики F3 и F4 представляют ТЧХ генератора с вычисленными предложенным методом значениями параметров компенсирующей функции, на основе измерения (F3) и рассчитанные на основе предложенной модели ТККГ (F4). Температура при измерениях изменялась в диапазоне от -60C до +85C со скоростью 0,2 C/мин.
Таким образом, использование предложенных в диссертации модели ТККГ и методов поиска параметров компенсирующей функции позволяет рассчитывать значения выходной частоты генератора и существенно упростить вычисления параметров компенсирующей функции.
В четвертой главе основное внимание уделено методам управления микросхемой активной части ТККГ, исследованию интерфейсов программирования ТККГ и модулей контроллеров интерфейсов программирования (КИП).
Основным недостатком применяемых в большинстве современных ТККГ синхронных интерфейсов передачи данных является необходимость использования как минимум двух выводов корпуса устройства. В то же время, сокращение количества выводов ТККГ ведет к удешевлению корпусов и уменьшению его массогабаритных показателей.
Для уменьшения количества выводов корпуса ТККГ и сокращения площади кристаллов активной части ТККГ предложен новый интерфейс обмена данными и метод реализации контроллера предлагаемого интерфейса. Интерфейс позволяет обеспечить двунаправленный обмен данными, используя один вывод корпуса ТККГ. Контроллер интерфейса программирования (КИП) обладает небольшой площадью, занимаемой на кристалле активной части ТККГ, а программатор интерфейса легко реализуется на основе 8-разрядных микроконтроллеров.
Предлагаемый интерфейс основан на принципе широтной модуляции данных. Линия передачи данных должна быть подтянута к положительному потенциалу. Передача данных осуществляется путем замыкания передающим устройством линии на нулевой потенциал.
Данные кодируются длительностью периода, во время которого линия находилась в нулевом состоянии.
Время от среза передаваемого сигнала до фронта предлагается считать символом передачи данных. Для организации обмена данными по линии используются четыре основных символа, это START, RESET, ONE и NULL (рисунок 9). Так же возможны дополнительные символы. В нашей реализации интерфейса таким символом являлся PROGRAMM.
а) б) Рисунок 9. Символы интерфейса программирования ТККГ (а) и схема декодирования символов модуля КИП (б) В процессе обмена данными по линии участвуют два устройства:
программатор и ТККГ. В микросхеме активной части ТККГ за обмен данными отвечает модуль КИП. Ведущим при передаче данных по линии всегда является программатор. В режиме записи в устройство данные передаются от программатора к ТККГ. Чтение данных из устройства осуществляется только после передачи соответствующей команды. Для осуществления чтения, программатору необходимо после передачи ТККГ соответствующей команды, начать передачу символов запроса чтения длительностью менее 1 мкс. Запрос на чтение модулем КИП воспринимается только в режиме чтения, во всех других режимах он будет воспринят как символ NULL. Получив запрос на чтение, модуль КИП, не дожидаясь его окончания, обязан дополнить интервал временем, соответствующим символу запрашиваемого бита. Таким образом, для организации обмена данными необходим всего один двунаправленный вывод ТККГ.
На протокольном уровне любой обмен данных начинается программатором с символа START, который переводит приемник, т.е.
ТККГ, в состояние ожидания первого бита команды. Далее следуют три бита команды, кодированные символами УNULLФ или УONEФ, которые сохраняются в регистре команды приемника. После приема последнего, третьего бита команды, ТККГ переходит в режим исполнения, в соответствии с кодом принятой команды.
Дальнейшие действия зависят от набора команд, реализованных в приемнике. Например, далее может быть осуществлена загрузка данных в отладочный регистр микросхемы, выгрузка данных из него для верификации, запись данных в однократно программируемые запоминающее устройство (ОПЗУ) и любые другие действия, заложенные в микросхеме на этапе проектирования. Выход из любого режима осуществляется либо повторной подачей символа START, после чего устройство переходит в состояние ожидания первого бита следующей команды, либо для некоторых специальных команд после выполнения команды. Период выполнения одной команды, т.е.
транзакции по шине, произошедшие между двумя соседними символами START, является циклом интерфейса программирования.
Сброс устройства по линии возможен при помощи специального символа RESET. Т.е. при нахождении линии в низком состоянии на время большее, чем 102 мкс, устройство сбрасывается и находится в сбросе до перехода линии в высокое состояние.
Рисунок 10. Структурная схема модуля КИП Структурная схема контроллера предлагаемого интерфейса представлена на рисунке 10. Состояние линии фиксируется двумя триггерами, при помощи которых образуются внутренние сигналы переднего и заднего фронта на линии, т.е. сигналы начала и конца символа. Сигнал начала символа является разрешением работы для двоичного счетчика. Сигнал завершения останавливает счет двоичного счетчика и переводит основной автомат контроллера в следующее состояние. Получив символ START, автомат переходит в состояние ожидание первого бита команды. Следующим состоянием автомата, после приема всей команды, является состояние выполнения, которое вместе с кодом принятой команды однозначно определяет дальнейшее функционирование устройства. Количество команд, их назначение и схемотехнические решения, требуемые для их реализации, определяются требованиями конкретного устройства.
Реализованный по технологии 0,6 мкм, цифровой модуль КИП имеет топологические размеры 0,1325 мм2.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведено исследование существующих в настоящее время конструкций ТККГ, определены основные трудности, препятствующие увеличению температурной стабильности ТККГ, обладающих наименьшими размерами.
2. Обоснован выбор конструкции ТККГ на основе микросхемы управления выходной частотой генератора, с использованием полиномиальной функции компенсации, как наиболее перспективной для реализации ТККГ, обладающих наименьшими размерами, при сохранении высокой температурной стабильности выходной частоты.
3. Разработана новая архитектура цифрового модуля расчета функции компенсации, позволяющая существенно сократить размеры микросхем активной части ТККГ.
4. Предложен метод реализации архитектуры модуля расчета компенсирующей функции, позволяющий существенно сократить как шумы, вносимые цифровым модулем вычисления компенсирующей функции в цепи земли и питания, так и общее потребление микросхемы.
5. Разработаны и предложены методика измерения, параметризованная температурная модель и метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ, позволяющие осуществлять настройку устройства за один цикл температурных исследований.
6. Предложен новый интерфейс управления микросхемами активной части ТККГ и контроллер интерфейса, обладающие минимальным количеством выводов и небольшой площадью, занимаемой на кристалле.
Таким образом, в результате выполнения работы были решены задачи уменьшения размеров СБИС активной части и сокращения выводов корпуса ТККГ. Разработаны методы автоматизации измерения ТККГ и поиска параметров МВККН. Предложенные методы и решения применены при серийном производстве ИС активной части ТККГ.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Гусев С.В. Модуль вычисления компенсирующих напряжений для микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов // Естественные и технические науки,, №5,2012.
2. Алексеев А.А., Гусев С.В., Шумилин С.С., Использование GALS-архитектуры с динамическим управлением синхросигналами для повышения энергоэффективности цифровых устройств // Известия высших учебных заведений. Электроника, №4,2011, с. 45-50.
3. Алексеев А.А., Гусев С.В., Шумилин С.С., Новый интерфейс передачи данных для программирования интегральных микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов// Естественные и технические науки, №4,2011, с. 545-547.
4. Алексеев А.А., Гусев С.В., Шумилин С.С., Метод формирования тестовых воздействий для измерений и тестирования систем на кристалле // Естественные и технические науки, №4,2011, с.543-544.
5. Гусев С.В. Двухъядерный микроконтроллер компании Миландр для высоконадежных применений // Электронные компоненты, №7,2011, с.34-36.
6. Гусев С., Шумилин С. Реализация многозадачных приложений на МК серии 1886.// ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. №6 2009. с. 46-51.
7. Gusev Stanislav, Asynchronous circuits as alternative digital computing //Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School. Moscow.
2011.
8. С.Гусев. Сравнительное исследование свойств синхронной и самосинхронной реализации схемы параллельного умножителя в типичном режиме работы. //Сборник материалов международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам УНаучному прогрессу - творчество молодыхФ,ИО, МарГТУ,2010,с. 210.
9. Гусев С.В., Алексеев А.А. Методы повышения энергоэффективности систем на кристалле на примере микроконтроллера 1901ВЦ1Ф. //Сборник тезисов докладов международной научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Проектирование систем на кристалле:
тенденции развития и проблемы, Москва, МИЭТ, 2010, с. 10. С.Гусев, В.Ермак. Анализ эффективности реализации параллельного умножителя на основе синхронной и самосинхронной схемотехники.// Тезисы докладов 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика - 2010, Москва, МИЭТ, 2010, с.69.
11. Гусев С.В. Алгоритм увеличения быстродействия аппаратного умножителя.// Тезисы докладов четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2008, сс.334-335.
12. Гусев С.В. Сравнительный анализ синхронных и асинхронных методов управления потоками данных в цифровых схемах.// Тезисы докладов 18-й Всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика - 2011, Москва, МИЭТ, 2011, с.71.
13. Гусев С.В. Организация взаимодействия микропроцессорных ядер в глобально-асинхронных, локально синхронных системах. //Сборник материалов международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам УНаучному прогрессу - творчество молодыхФ, ИО, МарГТУ,2011,с. 133.
Автореферат Гусев Станислав Валентинович Исследование и разработка микросхем для компенсации температурной нестабильности выходной частоты кварцевых генераторов Формат 60х84 1/16. Уч.-изд.л.
Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям