Лек­ция №2 элек­Т­ричес­кие сиг­НА­лы ин­ТЕ­граль­ных ми­К­РО­схем

Вид материала

Документы

Содержание Клас­си­фи­ка­ция циф­ро­вых сиг­на­лов. Ма­ги­ст­раль­ные ли­нии свя­зи и с­хе­мы уп­ра­в­ле­ния магистралями.

Подобный материал:

• Лек­ция по те­ме 15. Кри­ми­но­ло­ги­че­ское про­гно­зи­ро­ва­ние и пла­ни­ро­ва­ние, 91.32kb.
• Закон стоимости и его функции введение, 561.15kb.
• Российские Академия Наук и Художеств в судьбе американской этнографической коллекции, 40.33kb.
• Лек­ция №3 мар­Ш­рут про­ЕК­ТИ­РО­ВА­ния имс, 90.98kb.
• Лек­ция по те­ме № Ус­ло­вия кон­крет­но­го пре­сту­п­ле­ния, 298.33kb.
• Лек­ция. Те­ма №12. Кри­ми­но­ло­ги­че­ская ха­рак­те­ри­сти­ка и про­фи­лак­ти­ка, 277.99kb.
• В. А. Воропаев «Размышления о Божественной Литургии» Николая Гоголя: из истории создания, 2835.68kb.
• Еристик раз­личных радиотехнических схем, устройств и систем требуются источники испыта­тельных, 465.68kb.
• По­ли­ти­че­ская кон­цеп­ция в уче­нии Джо­на Лок­ка, 298.45kb.
• Ми­ни­стер­ст­во об­ра­зо­ва­ния и нау­ки Рос­сий­ской Фе­де­ра­ции Учеб­но-ме­то­ди­че­ское, 5418.2kb.

Лек­ция № 2

ЭЛЕК­Т­РИЧЕС­КИЕ СИГ­НА­ЛЫ ИН­ТЕ­ГРАЛЬ­НЫХ МИ­К­РО­СХЕМ.

Ли­нии свя­зи.

Для под­ключения ми­к­ро­схем ис­поль­зу­ют­ся про­вод­ные ли­нии свя­зи. Па­ра­ме­т­ры ли­нии свя­зи: ин­ду­к­тив­ность - L, ем­кость - C, со­про­ти­в­ле­ние - R, во­л­но­вое со­про­ти­в­ле­ние - , за­ту­ха­ние сиг­на­ла - , ско­рость рас­про­стра­не­ния сиг­на­ла - V, ди­с­пер­сия ско­ро­сти - D. Элек­т­ричес­кий сиг­нал пе­ре­да­ет­ся по двум про­вод­ни­кам: об­ще­му и сиг­наль­но­му.

Циф­ро­вые ИМС ра­бо­та­ют с им­пульс­ны­ми элек­т­ричес­ки­ми сиг­на­ла­ми. В со­от­вет­ст­вии с пра­ви­ла­ми пре­об­ра­зо­ва­ния Фу­рье им­пульс­ный сиг­нал мо­ж­но пред­ста­вить как су­пер­по­зи­цию си­ну­со­и­даль­ных сиг­на­лов или как не­кий во­л­но­вой па­кет. Ли­ния свя­зи ра­бо­та­ет как фильтр ни­з­ких час­тот и как ли­ния за­дер­ж­ки. В элек­т­ро­тех­ни­ке при­ня­то считать, что фор­ма сиг­на­ла пе­ре­да­ет­ся удо­в­ле­тво­ри­тель­но, ес­ли без значитель­ных ис­ка­же­ний пе­ре­да­ют­ся ми­ни­мум три гар­мо­ни­ки раз­ло­же­ния сиг­на­ла в ряд Фу­рье.

; ;

По­ло­са про­пу­с­ка­ния фильт­ра, об­ра­зо­ван­но­го ли­ни­ей свя­зи, дол­ж­на быть боль­ше F3. Ско­рость рас­про­стра­не­ния сиг­на­ла в ли­нии свя­зи оп­ре­де­ля­ет­ся ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния элек­т­ро­маг­нит­ных волн в ок­ру­жа­ю­щей сре­де.

,




где C - ско­рость све­та в ва­ку­у­ме,  - от­но­си­тель­ная ди­э­лек­т­ричес­кая про­ни­ца­е­мость.

рис. 2.1.

При­мер : Сиг­на­лы рас­про­стра­ня­ют­ся по про­вод­ни­кам на ке­ра­мичес­кой пла­те из Al₂O₃ ( ).




Ес­ли дли­на про­вод­ни­ка мень­ше дли­ны во­л­ны треть­ей гар­мо­ни­ки, то про­вод­ник мо­ж­но рас­сма­т­ри­вать как со­сре­до­точен­ную ем­кость. При раз­ме­ре пла­ты 10 см дли­на про­вод­ни­ков до­с­ти­га­ет 15 см. Им­пульс­ные сиг­на­лы с пе­ри­о­дом бо­лее 5 нс на та­кой пла­те бу­дут рас­про­стра­нять­ся без су­ще­ст­вен­ных ис­ка­же­ний.

Ре­ак­ции длин­ной ли­нии на им­пульс­ный сиг­нал.




Ес­ли дли­на про­вод­ни­ка боль­ше дли­ны во­л­ны треть­ей гар­мо­ни­ки, то про­вод­ник сле­ду­ет рас­сма­т­ри­вать как рас­пре­де­лен­ную длин­ную ли­нию. Ха­ра­к­те­ри­сти­кой длин­ной ли­нии яв­ля­ет­ся во­л­но­вое со­про­ти­в­ле­ние.

С ис­поль­зо­ва­ни­ем со­г­ла­со­ван­ных ли­ний свя­зи мо­ж­но пе­ре­да­вать сиг­на­лы на де­сят­ки ме­т­ров с час­то­та­ми до 100 Мгц. Про­вод­ная со­г­ла­со­ван­ная ли­ния - это ко­а­к­си­аль­ный ка­бель. Ли­ния свя­зи на пла­те - эк­ра­ни­ро­ван­ная по­ло­с­ко­вая ли­ния. Для со­г­ла­со­ван­ных ли­ний свя­зи ис­поль­зу­ют­ся два стан­дар­та :

75 Ом - для ра­дио­тех­ничес­ких ус­т­ройств ;

50 Ом - для циф­ро­вых ус­т­ройств и из­ме­ри­тель­ной тех­ни­ки.

Обоз­начение со­г­ла­со­ван­ной ли­нии свя­зи на элек­т­ричес­кой схе­ме :










Рас­сто­я­ние для пе­ре­дачи им­пульс­но­го сиг­на­ла по со­г­ла­со­ван­ной ли­нии свя­зи ог­ра­ничено за­ту­ха­ни­ем сиг­на­ла и его ди­с­пер­си­ей. За­ту­ха­ние сиг­на­ла свя­за­но с ак­тив­ным со­про­ти­в­ле­ни­ем про­вод­ни­ков и с по­те­ря­ми энер­гии в изо­ли­ру­ю­щем ди­э­лек­т­ри­ке. За­ту­ха­ние воз­рас­та­ет с уве­личени­ем час­то­ты. Ди­с­пер­сия сиг­на­ла свя­за­на с раз­ной ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния гар­мо­ник им­пульс­но­го сиг­на­ла, так как ве­личина  и, со­от­вет­ст­вен­но, ско­рость элек­т­ро­маг­нит­ной во­л­ны в сре­де за­ви­сят от час­то­ты. При за­ту­ха­нии сиг­на­ла в длин­ной ли­нии и ис­ка­же­нии его фор­мы ( ди­с­пер­сия ) при­ме­ня­ют­ся ре­ге­не­ра­то­ры. Ре­ге­не­ра­то­ры - это обычные ло­гичес­кие эле­мен­ты, вос­ста­на­в­ли­ва­ю­щие ам­п­ли­ту­ду и фор­му им­пуль­са за счет уси­ли­тель­ных и ог­ра­ничитель­ных свойств пе­ре­да­точной ха­ра­к­те­ри­сти­ки.
^

Клас­си­фи­ка­ция циф­ро­вых сиг­на­лов.

Со­в­ме­ст­ная ра­бо­та циф­ро­вых ми­к­ро­схем воз­мо­ж­на при сов­па­де­нии ос­нов­ных па­ра­ме­т­ров сиг­на­лов, и в пер­вую очередь ста­тичес­ких па­ра­ме­т­ров. Для оп­ре­де­ле­ния па­ра­ме­т­ров сиг­на­лов не­об­хо­ди­мо рас­смо­т­реть пе­ре­да­точную ха­ра­к­те­ри­сти­ку ло­гичес­ко­го эле­мен­та.




рис. 2.3.

V_0H —вы­ход­ное на­пря­же­ние вы­со­ко­го уров­ня;

V_0L — вы­ход­ное на­пря­же­ние ни­з­ко­го уров­ня;

V_T — напряжение пе­ре­ключения;

V_TH — по­ро­го­вое на­пря­же­ние вы­со­ко­го уровня в точке еди­нично­го уси­ле­ния;

V_TL — по­ро­го­вое на­пря­же­ние ни­з­ко­го уровня в точке еди­нично­го уси­ле­ния;

М_H и М_L — по­ме­хо­ус­тойчивость вы­со­ко­го и ни­з­ко­го уров­ней.

Ве­личины V_TH и V_TL ха­ра­к­те­ри­зу­ют свой­ст­ва вход­ных ка­с­ка­дов ло­гичес­ких эле­мен­тов ре­ги­ст­ри­ро­вать со­сто­я­ние ло­гичес­ко­го сиг­на­ла в ли­ни­ях свя­зи.

Ве­личины V_0H , V_0L - ха­ра­к­те­ри­зу­ют свой­ст­ва вы­ход­ных фор­ми­ро­ва­те­лей ИМС воз­бу­ж­дать сиг­нал в ли­ни­ях свя­зи.

Ве­личины М_H и М_L ха­ра­к­те­ри­зу­ют ус­тойчивость всей си­с­те­мы к по­ме­хам. М_H и М_L дол­ж­ны быть боль­ше ну­ля при лю­бых допустимых из­ме­не­ни­ях тем­пе­ра­ту­ры и на­пря­же­ния пи­та­ния ИМС .

По ха­ра­к­те­ру уп­ра­в­ля­ю­щих сиг­на­ло­в и используемых ли­ний свя­зи все циф­ро­вые ИМС мо­ж­но раз­де­лить на 2 клас­са:

— по­ме­хо­ус­тойчивые ИМС с ам­п­ли­ту­дой сиг­на­ла бо­лее 2В, ра­бо­та­ю­щие на не­со­г­ла­со­ван­ные ли­нии свя­зи (ТТЛ и КМОП). Ра­бочая час­то­та этих ИМС до 60 МГц.

— бы­ст­ро­дей­ст­ву­ю­щие ИМС с ам­п­ли­ту­дой сиг­на­ла 0,6 0,8 В, ра­бо­та­ю­щие на со­г­ла­со­ван­ные эк­ра­ни­ро­ван­ные ли­нии свя­зи с во­л­но­вым со­про­ти­в­ле­ни­ем 50 Ом. (Ар­се­нид гал­лия, ЭСЛ). Ра­бочая час­то­та ИМС до­с­тиг­ла 3 ГГц для схем на ар­се­ни­де гал­лия и 1 ГГц для ЭСЛ.

Ста­тичес­кие па­ра­ме­т­ры сиг­на­лов циф­ро­вых ИМС при­ве­де­ны в таб­ли­це.
^

Ма­ги­ст­раль­ные ли­нии свя­зи и с­хе­мы уп­ра­в­ле­ния магистралями.

При про­ек­ти­ро­ва­нии циф­ро­вых ус­т­ройств на од­ной пла­те объ­е­ди­не­ние вы­хо­дов ИМС од­ной ли­ни­ей свя­зи в об­щем случае не раз­ре­ша­ет­ся. В спе­ци­аль­ных ва­ри­ан­тах ИМС воз­мо­ж­но объ­е­ди­не­ние вы­хо­дов од­ним про­во­дом, причем, ло­ги­ка ра­бо­ты ус­т­рой­ст­ва дол­ж­на пре­д­у­сма­т­ри­вать поочеред­ное под­ключение вы­хо­дов к ли­нии свя­зи и пе­ре­вод не­ра­бо­та­ю­ще­го вы­хо­да в со­сто­я­ние с вы­со­ким со­про­ти­в­ле­ни­ем. Ес­ли тре­бу­ет­ся пе­ре­дать сиг­нал за пре­де­лы пла­ты или все­го ус­т­рой­ст­ва, то ис­поль­зу­ют­ся ма­ги­ст­раль­ные ли­нии свя­зи. Для со­кра­ще­ния чис­ла со­еди­ни­тель­ных про­во­дов ма­ги­ст­ра­ли ис­поль­зу­ют­ся для двунаправленной пе­ре­дачи ин­фор­ма­ции или объ­е­ди­ня­ют не­сколь­ко бло­ков. Объ­е­ди­не­ние вы­хо­дов ста­но­вит­ся не­из­бе­ж­ным.

Для КМОП и ТТЛ схем ма­ги­ст­раль­ные свя­зи ре­а­ли­зу­ют­ся в ви­де па­ры скручен­ных про­во­дов или в ви­де пло­с­ко­го ка­бе­ля с чере­до­ва­ни­ем сиг­наль­ных ли­ний и за­зе­м­лен­ных про­во­дов. Во­л­но­вое сопротивление скручен­ной па­ры бли­з­ко к 180 Ом. Схе­ма подключения ИМС к ТТЛ ма­ги­ст­ра­ли по­ка­за­на на рисунке (рис. 2.4).





На обо­их кон­цах ма­ги­ст­раль­ной ли­нии свя­зи сто­ят ре­зи­стив­ные де­ли­те­ли с ди­фе­рен­ци­аль­ным со­про­ти­в­ле­ни­ем 180 Ом. Ре­зи­стор­ные де­ли­те­ли обес­печива­ют на ли­нии +3.0 В.(Для КМОП — 4 В.)

Вы­хо­ды ТТЛ и КМОП ИМС, пред­на­значен­ные для уп­ра­в­ле­ния ма­ги­ст­ра­ля­ми, от­личают­ся от обычных вы­хо­дов.

При объ­е­ди­не­нии вы­хо­дов на ли­нии свя­зи ре­а­ли­зу­ет­ся про­вод­ная функ­ция “И”. Вте­ка­ю­щий ток для ма­ги­ст­раль­но­го ТТЛ вы­хо­да дол­жен быть не ме­нее 30 мА.





Для ЭСЛ схем и ИМС на GaAs ма­ги­ст­раль­ные свя­зи ре­а­ли­зу­ют­ся в ви­де 50 - ом­но­го ко­а­к­си­аль­но­го­ ка­бе­ля. Со­г­ла­су­ю­щие на­гру­з­ки под­ключают­ся на обо­их кон­цах ка­бе­ля.




При объ­е­ди­не­нии вы­хо­дов на ли­нии свя­зи ре­а­ли­зу­ет­ся про­вод­ная функ­ция “ИЛИ”.

Для ЭСЛ — на­гру­з­ки под­ключают­ся к ис­точни­ку пи­та­ния   2 В, а для ар­се­нид-га­ли­е­вых ИМС — к об­щей ши­не. Не­об­хо­ди­мость раз­ме­щать на мон­та­ж­ной пла­те кро­ме ми­к­ро­схем еще и со­г­ла­су­ю­щие ре­зи­сто­ры яв­ля­ет­ся серь­ез­ным не­до­с­тат­ком бы­ст­ро­дей­ст­ву­ю­щих ИМС. Со­г­ла­су­ю­щие ре­зи­сто­ры ре­а­ли­зу­ют­ся ин­те­граль­но на мон­та­ж­ной пла­те с ис­поль­зо­ва­ни­ем тол­сто­пле­ночной тех­но­ло­гии, ли­бо в ви­де ин­те­граль­но­го мо­ду­ля с од­но­ряд­ным рас­по­ло­же­ни­ем вы­во­дов.

Элек­т­ричес­кие схе­мы ма­ги­ст­раль­ных вы­хо­дов ЭСЛ и GaAs ми­к­ро­схем не от­личают­ся от обычных. От­личие со­сто­ит в тре­бо­ва­ни­ях к па­ра­ме­т­рам. Ма­ги­ст­раль­ный вы­ход дол­жен обес­печивать вы­ход­ной ток не ме­нее 50 мА для то­го что­бы со­з­да­вать тре­бу­е­мое вы­ход­ное на­пря­же­ние на на­гру­з­ке 25 Ом. Вы­ход­ное на­пря­же­ние ни­з­ко­го уров­ня дол­ж­но быть ни­же , а вы­ход­ной ток мень­ше, для то­го что­бы при объединении не­сколь­ких вы­хо­дов на ли­нии свя­зи на­пря­же­ние ни­з­ко­го уров­ня не пре­вы­ша­ло тре­бо­ва­ний тех­ничес­ких ус­ло­вий. В пре­де­ле вы­ход­ной ток ра­вен ну­лю, а вы­ход­ной тран­зи­стор за­крыт.