eng
Выпуск #7/2016
В.Эннс, Ю.Кобзев, И.Корепанов
Программируемая аналоговая МИКРОСХЕМАКОМПАС-1 (5400ТР035) – основные характеристики и особенности применения
Программируемая аналоговая МИКРОСХЕМАКОМПАС-1 (5400ТР035) – основные характеристики и особенности применения
Просмотры: 3853
Рассмотрена программируемая пользователем аналоговая интегральная схема (ПАИС) КомПАС-1 (5400ТР035), разработанная в компании "Дизайн Центр "Союз". Отмечено, что схемами на основе ПАИС КомПАС-1 можно заменить существенную часть схем обработки аналоговых сигналов.
Теги: cad operational amplifier programmable analog ic операционный усилитель программируемая пользователем аналоговая интегральная схема сапр
Микросхема 5400ТР035 выполнена по
КМОП КНИ технологическому процессу ПАО "Микрон" и размещается в 48-выводном компактном металлокерамическом корпусе 5142.48-А. Температурный диапазон работы микросхемы от –60 до 85 °C.[1]Микросхема отличается высокими стойкостью к специальным воздействующим факторам, в том числе в условиях космического пространства (гарантированное отсутствие отказов при воздействии тяжелых заряженных частиц, стойкость к накопленной дозе), и надежностью – наработка на отказ составляет не менее 160 тыс. ч.
Программируемое ядро микросхемы содержит 22 усилительных блока, столько же прецизионных усилительных блоков, 44 блока пассивных компонентов и 9 блоков свободной конфигурации. Часть структурной схемы микросхемы КомПАС-1 приведена на рис.1.
Основа усилительного блока – rail-to-rail операционный усилитель (ОУ) с настраиваемой частотной коррекцией. Блок состоит из программируемого цифрового потенциометра, программируемой усилительной ячейки и коммутационных ключей. На основе блока можно реализовать следующие схемы: буферный единичный повторитель, компаратор, компаратор с гистерезисом, операционный усилитель с различной частотной коррекцией, усилитель с заданным коэффициентом усиления, делитель напряжения с буфером или без него и др. Ток потребления и динамика блока также программируются.
Основные характеристики усилительного блока (типовые значения):
• коэффициент усиления: 80 дБ;
• напряжение смещения: 5 мВ;
• задержка переключения компаратора: 0,2 мкс;
• скорость нарастания выходного напряжения: 5 В/мкс;
• температурный дрейф смещения нуля: 10 мкВ/°C.
Основа прецизионного усилительного блока – прецизионный ОУ. Блок предназначен для построения схем с малым смещением нуля и высокими точностными характеристиками. В его состав входят два программируемых цифровых потенциометра, реконфигурируемый усилительный блок и коммутационные ключи. На базе блока можно реализовать следующие схемы: прецизионный компаратор, прецизионный компаратор с гистерезисом, дифференциальный ОУ, полностью дифференциальный ОУ, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, полностью дифференциальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, программируемые делители напряжения с буфером или без него и другие. Динамика и ток потребления блока программируются. Для улучшения точностных характеристик возможна подача импульсов чоппер-стабилизации.
Основные характеристики прецизионного усилительного блока (типовые значения):
• коэффициент усиления: 100 дБ;
• напряжение смещения: 1 мВ (100 мкВ при включенной чоппер-стабилизации);
• задержка переключения компаратора: 0,3 мкс;
• скорость нарастания выходного напряжения: 2 В/мкс;
• температурный дрейф смещения нуля: 10 мкВ/°C;
• частота единичного усиления: 2 МГц.
Блоки пассивных компонентов, входящие в состав микросхемы, содержат программируемые резисторы, конденсаторы и коммутационные ключи. Блоки предназначены для работы в составе более сложных схем вместе с усилительными блоками.
Наряду со встроенными аналоговыми блоками, микросхема содержит модули, предназначенные для программирования узлов с произвольной электрической схемой на уровне отдельных транзисторов, резисторов и конденсаторов. Такой блок свободной конфигурации содержит 32 n-МОП транзистора и столько же p-МОП транзисторов, резисторы и конденсаторы.
Для связи ядра с контактными площадками по периферии кристалла расположены 18 портов ввода-вывода. В состав каждого из них входят аналоговый, цифровой буфер и коммутационные ключи.
Выходные сигналы могут быть выведены на площадки напрямую либо через аналоговый или цифровой буфер. Аналоговый буфер построен на основе операционного усилителя с нагрузочной способностью 30 мА. Цифровой буфер используется для вывода сигналов с выходов компараторов.
Для построения произвольной электрической схемы по всему кристаллу проложены шины коммутации и коммутационные блоки. Коммутационные связи на уровне микросхемы имеют три составляющие: глобальные, среднемагистральные и локальные.
Помимо программируемых блоков микросхема содержит источник опорного напряжения (ИОН) и мультиплексор. Подстройка ИОН выполняется путем программирования. Напряжение на выходе ИОН можно контролировать с помощью мультиплексора.
В микросхеме применяется встроенный 8-канальный мультиплексор. При этом шесть каналов используются для ввода-вывода произвольных аналоговых или цифровых сигналов, один канал – для контроля напряжения ИОН и один – для контроля целостности конфигурационного кода.
Для разработки проектов на базе ПАИС КомПАС-1 компания "Дизайн Центр "Союз" предоставляет специализированный отладочный комплект (рис.2), включающий в себя САПР для создания и моделирования электрических схем, программатор со специализированным программным обеспечением (ПО) для записи данных в микросхему и макетную плату.
Маршрут проектирования состоит из следующих шагов:
• разработка и моделирование принципиальной электрической схемы;
• создание конфигурационной последовательности;
• прошивка микросхемы в режиме отладки и ее макетирование;
• прошивка микросхемы в энергонезависимую память.
Вместе с САПР потребитель получает библиотеку, которая представляет собой структурную схему микросхемы с коммутационными ключами. Пользователю необходимо провести пути сигналов, замыкая соответствующие ключи. В качестве примера проектирования можно привести реализацию аналогового повторителя на усилительном блоке (рис.3).
САПР поддерживает моделирование, что позволяет отладить устройство без программирования микросхемы (рис.4). Одновременно с этим создается конфигурационный файл.
Для загрузки полученной конфигурационной последовательности используется специализированное ПО (рис.5). С помощью программы можно загружать данные как без записи, так и с записью в энергонезависимую память.
Типовой пример схемы, которую можно реализовать на ПАИС КомПАС-1, показан на рис.6. Схема представляет собой усилительный каскад, предназначенный для обработки данных с мостовых датчиков. В ее состав входят два усилительных каскада с программируемым коэффициентом усиления, блок подстройки синфазных составляющих усилительного тракта и блок регулировки дифференциального смещения.
В заключение отметим, что схемами на основе ПАИС КомПАС-1 (5400ТР035) можно заменить существенную часть схем обработки аналоговых сигналов. При этом производители аппаратуры получают гибкое решение, которое учитывает их потребности и позволяет с минимальными временными и аппаратными затратами создавать специализированные схемы, в том числе для эксплуатации в жестких условиях.
1 АО "Дизайн Центр "Союз", генеральный директор,
mail@dcsoyuz.com.
2 АО "Дизайн Центр "Союз", заместитель генерального директора по науке.
3 АО "Дизайн Центр "Союз", инженер-конструктор.
КМОП КНИ технологическому процессу ПАО "Микрон" и размещается в 48-выводном компактном металлокерамическом корпусе 5142.48-А. Температурный диапазон работы микросхемы от –60 до 85 °C.[1]Микросхема отличается высокими стойкостью к специальным воздействующим факторам, в том числе в условиях космического пространства (гарантированное отсутствие отказов при воздействии тяжелых заряженных частиц, стойкость к накопленной дозе), и надежностью – наработка на отказ составляет не менее 160 тыс. ч.
Программируемое ядро микросхемы содержит 22 усилительных блока, столько же прецизионных усилительных блоков, 44 блока пассивных компонентов и 9 блоков свободной конфигурации. Часть структурной схемы микросхемы КомПАС-1 приведена на рис.1.
Основа усилительного блока – rail-to-rail операционный усилитель (ОУ) с настраиваемой частотной коррекцией. Блок состоит из программируемого цифрового потенциометра, программируемой усилительной ячейки и коммутационных ключей. На основе блока можно реализовать следующие схемы: буферный единичный повторитель, компаратор, компаратор с гистерезисом, операционный усилитель с различной частотной коррекцией, усилитель с заданным коэффициентом усиления, делитель напряжения с буфером или без него и др. Ток потребления и динамика блока также программируются.
Основные характеристики усилительного блока (типовые значения):
• коэффициент усиления: 80 дБ;
• напряжение смещения: 5 мВ;
• задержка переключения компаратора: 0,2 мкс;
• скорость нарастания выходного напряжения: 5 В/мкс;
• температурный дрейф смещения нуля: 10 мкВ/°C.
Основа прецизионного усилительного блока – прецизионный ОУ. Блок предназначен для построения схем с малым смещением нуля и высокими точностными характеристиками. В его состав входят два программируемых цифровых потенциометра, реконфигурируемый усилительный блок и коммутационные ключи. На базе блока можно реализовать следующие схемы: прецизионный компаратор, прецизионный компаратор с гистерезисом, дифференциальный ОУ, полностью дифференциальный ОУ, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, полностью дифференциальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, программируемые делители напряжения с буфером или без него и другие. Динамика и ток потребления блока программируются. Для улучшения точностных характеристик возможна подача импульсов чоппер-стабилизации.
Основные характеристики прецизионного усилительного блока (типовые значения):
• коэффициент усиления: 100 дБ;
• напряжение смещения: 1 мВ (100 мкВ при включенной чоппер-стабилизации);
• задержка переключения компаратора: 0,3 мкс;
• скорость нарастания выходного напряжения: 2 В/мкс;
• температурный дрейф смещения нуля: 10 мкВ/°C;
• частота единичного усиления: 2 МГц.
Блоки пассивных компонентов, входящие в состав микросхемы, содержат программируемые резисторы, конденсаторы и коммутационные ключи. Блоки предназначены для работы в составе более сложных схем вместе с усилительными блоками.
Наряду со встроенными аналоговыми блоками, микросхема содержит модули, предназначенные для программирования узлов с произвольной электрической схемой на уровне отдельных транзисторов, резисторов и конденсаторов. Такой блок свободной конфигурации содержит 32 n-МОП транзистора и столько же p-МОП транзисторов, резисторы и конденсаторы.
Для связи ядра с контактными площадками по периферии кристалла расположены 18 портов ввода-вывода. В состав каждого из них входят аналоговый, цифровой буфер и коммутационные ключи.
Выходные сигналы могут быть выведены на площадки напрямую либо через аналоговый или цифровой буфер. Аналоговый буфер построен на основе операционного усилителя с нагрузочной способностью 30 мА. Цифровой буфер используется для вывода сигналов с выходов компараторов.
Для построения произвольной электрической схемы по всему кристаллу проложены шины коммутации и коммутационные блоки. Коммутационные связи на уровне микросхемы имеют три составляющие: глобальные, среднемагистральные и локальные.
Помимо программируемых блоков микросхема содержит источник опорного напряжения (ИОН) и мультиплексор. Подстройка ИОН выполняется путем программирования. Напряжение на выходе ИОН можно контролировать с помощью мультиплексора.
В микросхеме применяется встроенный 8-канальный мультиплексор. При этом шесть каналов используются для ввода-вывода произвольных аналоговых или цифровых сигналов, один канал – для контроля напряжения ИОН и один – для контроля целостности конфигурационного кода.
Для разработки проектов на базе ПАИС КомПАС-1 компания "Дизайн Центр "Союз" предоставляет специализированный отладочный комплект (рис.2), включающий в себя САПР для создания и моделирования электрических схем, программатор со специализированным программным обеспечением (ПО) для записи данных в микросхему и макетную плату.
Маршрут проектирования состоит из следующих шагов:
• разработка и моделирование принципиальной электрической схемы;
• создание конфигурационной последовательности;
• прошивка микросхемы в режиме отладки и ее макетирование;
• прошивка микросхемы в энергонезависимую память.
Вместе с САПР потребитель получает библиотеку, которая представляет собой структурную схему микросхемы с коммутационными ключами. Пользователю необходимо провести пути сигналов, замыкая соответствующие ключи. В качестве примера проектирования можно привести реализацию аналогового повторителя на усилительном блоке (рис.3).
САПР поддерживает моделирование, что позволяет отладить устройство без программирования микросхемы (рис.4). Одновременно с этим создается конфигурационный файл.
Для загрузки полученной конфигурационной последовательности используется специализированное ПО (рис.5). С помощью программы можно загружать данные как без записи, так и с записью в энергонезависимую память.
Типовой пример схемы, которую можно реализовать на ПАИС КомПАС-1, показан на рис.6. Схема представляет собой усилительный каскад, предназначенный для обработки данных с мостовых датчиков. В ее состав входят два усилительных каскада с программируемым коэффициентом усиления, блок подстройки синфазных составляющих усилительного тракта и блок регулировки дифференциального смещения.
В заключение отметим, что схемами на основе ПАИС КомПАС-1 (5400ТР035) можно заменить существенную часть схем обработки аналоговых сигналов. При этом производители аппаратуры получают гибкое решение, которое учитывает их потребности и позволяет с минимальными временными и аппаратными затратами создавать специализированные схемы, в том числе для эксплуатации в жестких условиях.
1 АО "Дизайн Центр "Союз", генеральный директор,
mail@dcsoyuz.com.
2 АО "Дизайн Центр "Союз", заместитель генерального директора по науке.
3 АО "Дизайн Центр "Союз", инженер-конструктор.
Отзывы читателей
