П2. 2. 3. Система фапч, встроенная в плис 5578тс024

Встроенная в ПЛИС 5578ТС024 (ОАО КТЦ «Электроника», г. Воронеж) система ФАПЧ является типовой однопетлевой цифроаналоговой структурой (рис. П2.2), где для обеспечения работоспособности на высоких частотах и стабильности характеристик выходного сигнала были использованы оригинальные решения для ГПЗ, ПДЧ и ГУН, а для решения специфических задач – модули динамической реконфигурации делителей частоты, ФНЧ и фазы выходного сигнала.

Для выполнения требований, предъявляемых к источникам I ₁, I ₂ ГПЗ (рис. П2.4), была предложена схема, состоящая из опорного источника и нескольких ветвей с токовыми зеркалами [21], обеспечивающими идентичность токов заряда и разряда, причем для снижения паразитных выбросов при переключениях в выходные каскады источников были вставлены дополнительные («холостые») транзисторы, не влияющие на функциональность или величину силы тока, но уменьшающие время релаксации при отключениях источника.

Поскольку минимальная частота работы ПДЧ, соответствующая минимальной частоте ГУН, составляла сотни МГц, он был построен на динамических D–триггерах, отличающихся наибольшей простотой конструкции. Для реализации свойства программируемости на вход каждого D–триггера был помещен мультиплексор, а для формирования сигналов типа «меандр» при делении на нечетные числа выходной каскад ПДЧ был выполнен на двух триггерах, работающих по переднему и заднему фронтам, и образующих выходной сигнал с помощью логического умножения. Моделирование работы делителя в наихудших для КМОП логики условиях (t = 125°C, E _П = 1,62 В) при частоте входного сигнала 1 ГГц, модуле деления М = 3 и скважности 1:1 показало, что длительность фронта выходного сигнала не превышает 150 пс.

Кольцевой ГУН был реализован на четырех дифференциальных инверторах с трехканальным управлением (рис. П2.5, П2.6), обеспечивающих на максимальной частоте 2 ГГц минимальный программируемый сдвиг фазы 45° (~ 62,5 пс), что весьма удобно при работе с высокоскоростными интерфейсами обработки информации. Анализ основных характеристик системы ФАПЧ в составе ПЛИС 5578ТС024 проводился на опытных образцах ИС в количестве 92 шт. Результаты измерений совместно с показателями лучших встроенных систем ФАПЧ фирм TEXAS Instruments и ALTERA приведены в табл. П2.2. Сравнение результатов показывает, что представленная система ФАПЧ практически не уступает зарубежным аналогам, а по времени установления рабочего режима даже превосходит их.

Таблица П2.2

Параметр	Условия измерений	5578ТС024	TEXAS Instruments	ALTERA
Проектная норма КМОП, мкм	–	0,18	0,13	0,09
Джиттер, rms	f вх =20МГц f вх =50МГц	20 пс 18,3 пс	14,5 пс 12,8 пс	24,2 пс 17,5 пс
Фазовый шум	f вх =10МГц, f вых =200МГц D f =1МГц (отстройка) f вх =50МГц, f вых =200МГц D f =1МГц	–98 дБ/Гц   –99 дБ/Гц	–105 дБ/Гц   –105 дБ/Гц	–99дБ/Гц   –101дБ/Гц
Время установления	f вх =20МГц f вх =50МГц	10,2 мкс 6,9 мкс	13,5 мкс 9,4 мкс	48,6 мкс 43,2 мкс

П2.3. Контрольные вопросы

П2.3.1. Приведите основную структурную схему ФАПЧ и поясните принцип ее работы.

П2.3.2. Как формируется сигнал управления ГУН в системе ФАПЧ?

П2.3.3. Как влияет постоянная времени ФНЧ на основные характеристики системы ФАПЧ?

П2.3.4. Приведите типовую структурную схему однопетлевой цифроаналоговой системы ФАПЧ и поясните назначение ее основных блоков.

П2.3.5. Каковы основные требования, предъявляемые к ГУН для обеспечения максимальных функциональных возможностей системы ФАПЧ?

П2.3.6. Какие преимущества позволяет получить трехканальная структура управления кольцевым КМОП ГУН?

П2.3.7. В каких областях техники целесообразно использование систем ФАПЧ?

П2.3.8. В чем состоит особенность построения синтезатора сетки стабильных частот на основе одного опорного генератора?

П2.3.9. Как проявляется основной принцип системы ФАПЧ при работе синхронно–фазового детектора?

П2.3.10. Опишите особенности построения встроенной системы ФАПЧ для ПЛИС 5578ТС024.

П2.3.11. Что показал сравнительный анализ выходных характеристик встроенной в ПЛИС 5578ТС024 системы ФАПЧ с лучшими зарубежными аналогами?

П2.3.12. Можно ли на основе системы ФАПЧ с кольцевым ГУН реализовать многоотводную линию задержки? Если «да», то как это сделать?

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций / В.А. Прянишников. – СПб.: КОРОНА принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с.

2. Лачин В.И. Электроника / В.И. Лачин, В.С. Савельев. – Ростов н/Д: Феликс, 2000. – 448 с.

3. Хоровиц П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. – М.: Мир, 2014. – 704 с.

4. Титце У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 942 с.

5. Булычев А.Л. Справочник по электровакуумным приборам / А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко. – Мн.: Беларусь, 1982. – 382 с.

6. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам / В.Ю. Лавриненко. – М.: Альянс, 2015. – 424 с.

7. Головин О.В. Электронные усилители / О.В. Головин, А.А. Кубицкий. – М.: Радио и связь, 2000. – 320 с.

8. Остапенко Г.С. Усилительные устройства / Г.С. Остапенко. – М:, Радио и связь, 2003. – 400 с.

9. Алексеев А.Г. Операционные усилители и их применение / А.Г. Алексеев, Г.В. Войшвилло. – М.: Радио и связь, 2000. – 119 с.

10. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства / В.Н. Ногин. – М.: Радио и связь, 2001. – 398 с.

11. Ракитин В.В. Интегральные схемы на КМОП транзисторах: учеб. пособие / В.В. Ракитин. – М.: 2007. – 307 с.

12. Razavi B. Design of Analog CMOS Integrated Circuits / B. Razavi // Mc Graw – Hill Education, 2017. – 782 p.

13. Хейклейн В.Е. Активные фильтры для интегральных схем / В.Е. Хейклейн, В.Х. Холмс. – М.: Связь, 1980. – 656 с.

14. Справочник по расчету и проектированию ARC–схем / под ред. А.А. Ланнэ. – М.: Радио и связь, 1984. – 368 с.

15. Гуревич И.В. Основы расчетов радиотехнических цепей / И.В. Гуревич. – М.: Связь, 1975. – 368 с.

16. Клюкин В.И. Схемотехника интегральных схем. Ч.2. Аналоговые структуры / В.И. Клюкин, Е.В. Невежин. – Воронеж: ВГУ, 2002. – 37 с.

17. Шахгильдян В.В. Системы фазовой автоподстройки частоты / В.В. Шахгильдян. – М.: Связь, 1972. – 447 с.

18. Пат. 2455755, Российская федерация, МПКН03В27/00. Кольцевой КМОП генератор, управляемый напряжением / Быстрицкий С.А., Клюкин В.И., Быстрицкий А.В. – заявл. 01.03.2011; опубл. 10.07.2012, Бюл. №12. – 14 с.

19. Быстрицкий С.А. Программируемый делитель частоты для высокоскоростных систем ФАПЧ / С.А. Быстрицкий, В.И. Клюкин, Е.Н. Бормонтов // Всероссийская науч.–техн. конф. «Проблемы разработки перспективных микро– и наноэлектронных систем (МЭС). Сб. трудов. – М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2012. – С.324–327.

20. Быстрицкий С.А. Кольцевой генератор, управляемый напряжением, для высокоскоростных систем ФАПЧ / С.А. Быстрицкий, В.И. Клюкин, Е.Н. Бормонтов. – Известия ВУЗов, Электроника, 2013, №6 (104), – С. 17–23.

21. Быстрицкий С.А. Встроенная система ФАПЧ для ПЛИС 5578ТС024 / С.А. Быстрицкий, В.И. Клюкин. А.Е. Бормонтов // Сб. тр. Юбилейной XX науч.–техн. конф. РЛНС–2014, г. Воронеж, – С. 2022-2031.

22. Клюкин В.И. Логические и схемотехнические основы цифровых технологий / В.И.Клюкин, Е.В. Невежин, Ю.К. Николаенков. – Воронеж: ВГУ, 2006. – 88 с.

 

Учебное издание

 

Клюкин Владимир Иванович,

Николаенков Юрий Кимович,

Бормонтов Евгений Николаевич