close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102439

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
SuMyciMct^
ЗИНОВЬЕВ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ
ОСОБЕННОСТИ ПГОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛНОСТЬЮ Ц И Ф Р О В Ы Х
СИСТЕМ Ф А П Ч ДЛЯ ПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ
Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,
радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника,
1фиборы на квантовых эффектах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
каццидата технических наук
Москва - 2005 г.
Работа выполнена на кафедре «Интегральной электроники и
микросистем» Московского государственного института электронной
техники (Технического университета)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Старосельский В.И.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Шагурин И.И.
кандидат технических наук, Кобзев Ю.М.
Ведущая организация: «НИИМЭ и завод Микрон»
Защита
состоится
S £Л/У.^1^и<^
2005 года в
^f*cr^ на зас|ЗЙ^нии Диссертационного совета Д 212.134.01
Московском государственном институте электронной техники
Техническом университете) по адресу 124498, Москва, г. Зеленоград,
М И Э Т - (ТУ).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского
государственного института электронной техники (Технического
университета).
Автореферат разослан « ZX~ » Ог^/Л^.Л^^
0^Uce2^^/^
Ученый секретарь Диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор,
2005 г.
«/
/^'^^'«-г^Э^строев С.А.
^55^
2217101
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ Т Е М Ы
Системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) называются
радиотехнические устройства, предназначенные для формирования
колебаний, когерентных колебанию высокосгабильного эталонного
источника сигнала. Системы фазовой автоподстройки частоты
используются при построении синтезаторов частот и систем
синхронизации для радиотехнических устройств и вычислительной
техники.
С уменьшением проектных норм К М О П технологии, повышением
степени интеграции элементов на одном кристалле и развитием
концепции «система на кристалле» аналоговые системы Ф А П Ч по
своим технико-экономическим параметрам перестают удовлетворять
разработчиков. Основные недостатки аналоговых систем Ф А П Ч состоят
в следующем:
1) аналоговые системы Ф А П Ч чувствительны к помехам,
вызванньш переключениями цифровых логических схем;
2) топологические приемы, предназначенные для уменьшения
воздействия помех от цифровых логических схем на аналоговые схемы,
связаны с существенньп« увеличением площади на кристалле
интегральной схемы;
3) применение фильтров нижних частот в аналоговых системах
Ф А П Ч связано с существенным увеличением площади на кристалле
интегральной схемы и не всегда могут быть выполнены по
технологическим процессам цифровых К М О П ИС;
4) переработка схем аналоговых систем Ф А П Ч для новых
технологических процессов занимает значительное время, что
повышает стоимость разрабатываемой ИС.
Выходом из сложившейся ситуации является использование
систем Ф А П Ч , построенных только на цифровых логических элементах.
В настоящее время такие системы Ф А П Ч применяются в устройствах
низкоскоростной
связи
и
управления,
радиоавтоматике,
радиоизмерительных комплексах и других системах авторегулирования.
К рабочим характеристикам систем Ф А П Ч этих областей применения
не тфедьявляются жесткие требования.
Применение построенных на цифровых логических элементах
систем Ф А П Ч в схемах тактирования цифровых процессоров и
синтезаторах частоты для интегральн1^:^д;^ц^(^пШшче1лсих устройств
I
ВИБЛПОТЕКА
*\
Л
сдерживается отсутствием методик проектирования этих систем.
Отсутствие методик проектирования систем Ф А П Ч , построенных на
цифровых логических элементах. пр(иводиг к тому, что:
1) не представляется возможным оценить рабочие характеристики
таких систем Ф А П Ч на начальных этапах проектирования;
2) не разработаны методики моделирования таких систем Ф А П Ч в
составе сложных функциональных систем (в системах на кристалле):
3) в основе применяемых в настоящее время систем Ф А П Ч ,
построенных на цифровых логических элементах, лежат структурные
схемы, разработанные ведущими иностранными компаниями (Motorola,
Texas Instuments) для узких областей применения: в большинстве
случаев рабочие параметры этих структурных схем систем Ф А П Ч не
удовлетворяют тем требованиям, которые к ним предъявляются со
стороны отечественных разработчиков.
Таким образом, разработка методик проектирования систем
Ф А П Ч , построенных то.лько на цифровых логических элементах, для
улучшения их технических характеристик является ак1уальной задачей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является создание технических решений и методик
проектирования, которые бы обеспечивали разработку систем Ф А П Ч на
цифровых
логических
элементах
с
такими
техническими
характеристиками, которые бы позволили использовать эти системы в
схемах тактирования отечественных процессоров и сложных цифровых
систем.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи;
1) разработать математическую модель системы Ф А П Ч на
цифровых логических элементах;
2) разработать методику определения временной нестабильности
выходньрс колебаний системы Ф А П Ч на цифровых логических
элементах;
3) предложить технические решения для построения управляемых
цифровым кодом генераторов, обеспечиваюпщх mnigio погрешность
установления выходной частоты колебаний;
4) провести исследования тестовых интегра.тьных схем системы
Ф А П Ч на цифровых логических элементах для подгверждения
предложенных технических решений и методов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Научная новизна полученных результатов
1. Создана математическая модель системы Ф А П Ч . построенной на
цифровых логических элементах, обеспечивающая поведенческое
моделирование системы средствами САПР.
2.
Предложены
математические
выражения для оценки
фильтрующих свойств и определения устойчивости функционирования
системы Ф А П Ч , построенной на цифровых логических элементах
3. Предложена
методика определения численного значения
временной нестабильности периода выходных колебаний системы
Ф А П Ч . построенной на цифровых логических элементах.
4. Разработана новая схема управляемого цифровым кодом
генератора, построенная на основе элемента задержки «current starved»,
которая обеспечивает диапазон рабочих частот от 700 до 1100 МГц с
шагом перестройки частоты не более 4-12 МГц
5 Дтя преобразования высокоразрядного кода с выхода схемы
управления системы Ф А П Ч в низкоразрядный код перестройки
кольцевого
генератора
предложено использовать
сигма-дельта
модулятор с сигналом ошибки в цепи обратной связи, что обеспечивает
возможность применения в составе системы Ф А П Ч перестраиваемых
цифровым кодом генераторов с разрядностью управляющего кода не
более 16 бит.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Предложенные математическая модель, математические
вьфажения для оценки фильтрующих свойств и определения
устойчивости функционирования системы Ф А П Ч
могут быть
использованы для разработки систем Ф А П Ч , построенных только на
цифровых
логических
элементах, для серийно
выпускаемых
отечественных процессоров.
2. Методика определения численного
значения временной
нестабильности периода выходных колебаний системы Ф А П Ч ,
построенной на цифровых логических элементах, позволяет определять
этот рабочий параметр на начальных этапах разработки ИС,
включающих эту систему Ф А П Ч .
3 Предложенная структурная схема системы Ф А П Ч , состоящая из
частотного компаратора, фазового компаратора, схемы управления,
профаммируемого делителя частоты, управляемого цифровым кодом
генератора и сигма-дельта модулятора может быть исполь-зована для
тактирования серийно выпускаемых отечественных процессоров
4 Предложенные в диссертационной работе технические решения
и методики проектирования были использованы при разработке
системы Ф А П Ч для 32 - разрядного RISC - процессора
(экспериментальный образец) в компании «Юникор Микросистемы»,
Зеленоград Акт об использовании в производственном процессе
прилагается.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
Достоверность
предложенной
математической
модели,
математических выражений для оценки фильтрующих свойств и
определения устойчивости функционирования, методики определения
нестабильности периода выходных колебаний систем Ф А П Ч ,
построенных на цифровых логических элементах, подтверждена
результатами
компьютерного
моделирования
и
результатами
экспериментальных исследований тестовых образцов интегральных
схем
Предложенные в диссертационной работе положения основаны на
законах теории электрических цепей, теории случайных процессов и
теории автоматического управления.
Возможность
использования предложенной математической
модели и методики определения нестабильности периода выходных
колебаний систем Ф А П Ч , построенных на цифровых логических
элементах, подтверждена их успешными использованиями при
разработке новых устройств электронной техники
НА ЗАЩИТУ В Ы Н О С Я Т С Я
1. Математическая модель системы Ф А П Ч , построенной на
цифровых логических элементах, обеспечивающая поведенческое
моделирование этой системы средствами САПР при разработке
процессоров и сложных функциональных схем на одном кристалле.
2. Методика определения временной нестабильности периода
выходных колебаний системы Ф А П Ч на цифровых логических
элементах, позволяющая определить этот параметр на начальных этапах
проектирования.
3 Структурная схема системы Ф А П Ч , которая обеспечивает
повьпиение диапазона выходных частот и снижение временного
алгоритмического джиггера.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные результаты диссертационной работы док.падывались на
следующих научно - технических конференциях:
1) Седьмая всероссийской научно-технической конференция
молодых
ученых
и
студентов
«Современные
проблемы
радиоэлектроники».
Красноярский
государственный технический
университет, г. Красноярск, апрель 2005 г ,
2) Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника
и информатика - 2005», МГИЭТ, г. Москва, апрель 2005 г.,
3) Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника
и информатика - 2004», МГИЭТ, г. Москва, апрель 2004 г.,
4) Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника
и информатика - 2003» , МГИЭТ, г Москва, апрель 2003 г ,
5) Девятая международная научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика», М Э И , г. Москва, март 2003 г
ПУБЛИКАЦИИ
Результаты диссертационной работы отражены в двух статьях,
тезисах пяти докладов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка
литературы Диссертация изложена на 120 страницах основного текста,
содержит 40 рисунков и 5 таблиц к основному тексту, списка
литературы из 71 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава.
Первая глава содержит обзор современного состояния и проблем
построения систем Ф А П Ч на цифровых логических элементах.
Рассматриваются построение и функционирование системы ФАГГЧ на
цифровых логических элементах, предназначенной для использования в
схемах обработки частотно-модулированных сигналов и в схемах
дискретной подстройки фазы при передаче сигналов с импульсной
кодовой модуляцией Отмечается, что требования по спектральной
дискретной подстройки фазы при передаче сигналов с импульсной
кодовой модуляцией. Отмечается, что требования по спектральной
частоте выходного сигнала и времени перехода в режим слежения,
предъявляемые к подобным системам Ф А П Ч невелики.
В главе рассмотрены способы построения управляемых цифровым
кодом генераторов. Сформулированы требования, которые должны
предъявляться к управляемым цифровым кодом генераторам,
построенным на основе элементов задержки. Приведены недостатки
управляемых цифровым кодом генераторов, построенных на основе
цифроаналоговых
преобразователей,
управляемых
напряжением
генераторов и т.д.
Сделаны выводы, что создание методик проектирования систем
Ф А П Ч , построенных на цифровых логических элементах, и
технических решений для улучшения их рабочих характеристик
является актуальной задачей.
Вторая глава.
Во второй главе предложена математическая модель системы
Ф А П Ч на цифровых логических элементах, которая включает систему
линейных разностных уравнений, передаточные характеристики в
Z-области, математриеские вьфажения, определяющие ошибку
слежения системы Ф А П Ч , передаточные характеристики фазового
шума в Z-области. Система Ф А П Ч на цифровых логических элементах
состоит из частотно-фазового детектора, преобразователя сигнала
ошибки частотно-фазового детектора в цифровой код, цифрового
фильтра нижних частот, перестраиваемого цифровым кодом генератора
частоты, делителя частоты, генератора опорной частоты (рис. 1).
Разностное соотношение для импульсного частотно-фазового
детектора, на входы которого приходят сигналы опорного генератора с
фазой Ф^„„рг ["] ч ^ выхода делителя частоты Ф^^ [ « ] , имеет вид
Ф ч Ф д Н = ФопорЛ"]-ФдеяН-
(1)
Преобразователь фазовой ошибки в цифровой код формирует цифровой
код iVjip [п], пропорциональный Ф^фд [п -1]
^пр И = -^чФдФчФд [«-!]■
(2)
Генфлпр
в>~г.1«1
^ч^д
Пр ео«>р ic (iKiTciBi
ф^овоЙ о п м б м !
в 1^фр(ЧК'И код
MacTi^THt» фа:5овьп'1
мхкбжвА
детекк^р
ф-Н
,v,,(„l
Цифровой 4и.1Ьф
1ИЖНИХ частот
ф.г[«|
псрес1ран«аем>й
дафровыи кодом
Делитель частоты
В ы х о д м с килеба»!* ' '
ПЦФиТЧ
Рис. 1. Структурная схема системы Ф А П Ч на цифровых
логических элементах
Разрядность этого кода офаничена главным образом сложностью
схемотехнического
исполнения
преобразователя.
Коэффициент
пропорциональности
АГ,,фд (его так же называют
коэффициентом
передачи или усиления частотно-фазового детектора) зависит от
схемотехнической реализации частотно-фазового детектора и свойств
преобразователя фазовой ошибки.
Цифровой код, пропорциональный фазовой ошибке, поступает на
цифровой фильтр нижних частот. Для примера положим, что в качестве
этого фильтра используется нерекурсивный фильтр второго порядка
Разностное уравнение для такого фильтра имеет вид
у[и] = Яо^["] + '^г^["~1]'
(3)
где коэффициенты «„,«,- неотрицательные числа.
Перестраиваемый генератор представляет собой кольцевой
генератор с изменяемыми цифровым кодом задержками его элементов.
Фаза колебаний Фпг!"]
кольцевого генератора может быть
представлена как сумма значения фазы колебаний
Фпг[« + 1] и
добавочной величины Л^^г • iV„^ [«]
Ф П Г Н = Ф П Г [ " + 1] + ^ПГ-Л^НЧФН-
(4)
в этом выражении JV„4J,[«] - цифровой код с выхода рекурсивного
фильтра. Коэффициент К„^. определяется выражением
^пг -
1
А7'п
(5)
10
где
АГд,-
- приращение задержки в кольцевом генераторе при
и'шенении цифрового кода на единицу младшего разряда
Фазу колебаний с выхода делителя частоты можно представить в виде
Ф.М
Фпг[«]
Л'.,
(6)
Основываясь на (1) - (6), получим систему линейных разностных
уравнений системы Ф А П Ч на цифровых логических элементах.
Ф ч ф д Н = Ф о „ о р г Н - Ф . . л Н ,
Л'пр["] = ^ЧФдФчФД [ " - ! ] .
Л^НЧФ[«] = ^ Н Ч Ф ( Л ' П Р Н ' Л ^ П Р [ " - 1 ] , - Л ^ П Р [ « - ^ ' ] Х
(7)
Ф п г Н = Фпг[" + 1] + ^пг-^нчф[''].
Фдел[«]^
ФпгН
Л'.
в режиме синхронизма Ф,,фд [я] должно быть равно нулю. В реальных
системах Ф А П Ч на цифровых логических элементах Фц^д [w] должна
удовлетворять условию
Фчад[«]<Ф„_
(8)
Во второй главе получено вьфажение для передаточной
характеристики системы Ф А П Ч на цифровых логических элементах в
Z - области (рис 2), а также математические выражения, позволяющие
оценить фильтрующие свойства таких систем Ф А П Ч (рис. 3).
Передаточная характеристика перестраиваемого цифровым кодом
генератора и частотно-фазового детектора с преобразователем фазовой
ошибки в цифровой код имеют вид
Япг(^) = т % >
1-
(9)
^ 'ЧФД
(10)
,(z) = £fl^-z-
(И)
^ЧФД (^) -
Передаточная характеристика не рекурсивного фильтра нижних частот
имеет вид
Я„
11
а передаточная характеристика делителя частоты
(12)
"ч«д^-)
«».Л.-1-
f^4i
Гснфятрр
€ПЩЛЛ1Х
Пр еобразоватсль
Част(пно-фазо в л ^
кояебышЛ
п, 2 '
а, г ■
Цифровой 4н'1Ы1)
w a a « x час-шт
фазовой O I I H 6 » M
дгтгп^
1
в цифровой МИД
«;^''-)-
Я-(--)
Генфяттр
перепр аиваемьм
Деятель часптд
[ Ч ф р о м и кодом
Fhocfl/fMC колсба»а
ПЦФЛПЧ
г
N„
(I
л^#я'Ллг
-'')+2'
"НЧ*^-)
А:„,, ЛГ^ Я „ Л Г )
Рис. 2. Структурная схема системы Ф А П Ч на цифровых логических
элементах в z - области
Исходя из (9) - (12) передаточная характеристика системы Ф А П Ч
имеет вид:
я.
,(г)=-
^
^д«,
■ ' ^ ЧФД
■ ' ^ ПГ ■ ■" Н Ч Ф '
• ( 1 - 7 " ' ) + ^ " ' -/^ЧФД - ^ V
^ )
•Я„чф(2) ■
(13)
Опираясь на структурную схему системы Ф А П Ч на цифровых
логических элементах аддитивными источниками шума (рис. 3),
составлены передаточные характеристики шума отдельных блоков.
Передаточная характеристика шума генератора опорной частоты
определяется вьфажением
Z
'Лцфд
-Kjjp
•//уцф(7)
(14)
перестраиваемого цифровым кодом генератора частоты
■^пг(^) =
1-^Флпч(^)'
делителя частоты
Яд„(^) =
^
' "-ЧФД
' "-ПГ
'''И']фК^)
Л^д«,-{1-^') + ^'-^ЧФД-^пг-^^нчф(^)
(15)
(16)
12
частотно-фазового детектора
^
Н^^Л2)-
' ^ ЧФД ' "-ПГ ' '' НЧФ \^)
N„. .(1-Z-) + 7
■ ^ ЧФД ' '^П!
(17)
' " НЧФ y^f
S,™(z)
Генеряпор
олрных
колебаний
Г?
Ф.
л
Ч астотно-фаююй
фтектор
^%П^ г (2)
Ф.„1«
5/ИД7(^)
Делитель частоты
/ ^
^М
П рео6ра5оватечь
фазовой оипбки
в цифровой код
^
Флг|"1
-ф
lIiii|f>OBoA фильтр
юаиях чйстот
'^яг
Генератор
перестрашиеиьй
цифровым иодом
V(0
Выходеые колебания
ПЦ ФАПЧ
S^«74U)
Рис. 3. Структурная схема системы Ф А П Ч на цифровых
логических элементах с источниками шума
Для оценки спектральных мощностей фазового шума блоков,
входящих в состав системы Ф А П Ч на цифровых логических элементах,
получены следующие выражения. Для генератора опорной частоты
SZ^
(г) = |Я^,ПЧ (г)Г ■ ^ОПР г U ) ,
(18)
перестраиваемого цифровым кодом генератора частоты
С п ч ( ^ ) = |1 - Яфдпч (^)Г • ^nr(z) ,
(19)
делителя частоты
^^Гпч
(^)
= КАПЧ
( 4
■ ^Дел
(^)
,
(20)
частотно-фазового детектора
С п \ ( ^ ) = |/'флпч(г)Г •''^'чФд(^) •
(21)
Суммарная спектральная плотность мощности фазового шума
выходных колебаний системы Ф А П Ч определяется суммированием (18)
-(21)
^ф.пч (^) = 5флпч (^) + С п ч (^) + ^ф'Гпч (^) + ^Ф!^Ч (^) •
(22)
13
Для системы Ф А П Ч на цифровых логических
составлена функция «ошибки слежения» Н^^^ (z):
Ф
Н^
{г) =
(z) - Ф
'-°'' ^'
(z)
' 7
ФвХОД ( г )
Для рассматриваемой системы Ф А П Ч
элементах (рис. 2)
ff^
(г) =
7
элементах
^ ^ - -^^Апч (^) ■
(23)
на цифровых логических
Г^^^^-^
(24)
^д«,-(1-^"') + г''-^ЧФД-^пг-Я„чф(2)
в главе записаны выражения в z - области для воздействия вида
«фазовая ступенька» и для воздействия вида «частотная ступенька».
Вьшедены выражения характеризующие ошибку слежения систем
Ф А П Ч для каждого из воздействий.
Предложенная система разностных уравнений системы Ф А П Ч на
цифровых
логических
элементах
(7)
позволяет
проводить
моделирование схем тактирования, построенных на основе систем
Ф А П Ч на цифровых логических элементах, средствами САПР
Математические вьфажения для оценки фазового шума выходных
колебаний системы Ф А П Ч на цифровых логических элементах (18) (22)
позволяют проводить оптимизацию рабочих параметров
отдельных блоков, входящих в состав таких систем
Третья глава.
Выходным колебаниям систем Ф А П Ч на цифровых логических
элементах присущ специфический вид временной нестабильности
периода выходных колебаний - алгоритмической временной
нестабильности. Этот вид временной нестабильности вызван
дискретными изменениями частоты перестраиваемого цифровым кодом
генератора и определяется соотношением, предложенным в работе
'р-Р=-^-Т,
(25)
где /^, и /, ~ значения частоты перестраиваемого генератора на такте
и +1 и
п,
соответственно. Выходные колебания управляемого
цифровым кодом генератора при фиксированном значении цифрового
кода подвержены действию источников теплового шума, помехам по
подложке 1фисталла ИС и цепям питания
14
Предложена методика определения временной нестабильности
периода выходных колебаний системы Ф А П Ч на цифровых логических
элементах
Методика основана на использовании следующих
математических соотношений.
1) Эмпирической зависимости фазового шума свободного управляемого
цифровым кодом генератора от его рабочих параметров:
rif
1_ 8
кт v^.y
f:
^y^n\-—-f-^^-Y-" ' /
'
' ^ ' зфф
^^^^
J off
Здесь Л ' , Р
и /о - число стадий, моищость потребления и
номинальное значение частоты выходных колебаний кольцевого
генератора, соответственно.
2) Соотношения между фазовым шумом
^\foff\ и спектральной
плотностью мощности фазового шума:
^WL
5^(/)«2-10 '» .
(27)
Соотношение (27), справедливость которого математически доказана в
диссертации, верно для низкого уровня фазового шума. Это
соотношение полезно также в случае, если существует возможность
экспериментального определения значения фазового шума /.{Х^} 3) Соотношения между спектральной плотностью мощности фазового
шума выходных колебаний системы Ф А П Ч и значением временного
джиггера этих колебаний:
8
_2
^1т- — Л Snr (/) ■ (2^/) sin ^ Ц — к « ,
(28)
®о о
1 2 ;
Здесь AT - интервал наблюдения временного джиггера.
Определить значение алгоритмической временной нестабильности
выходных колебаний системы Ф А П Ч (25) предлагается решением
системы разностных уравнений (7).
Разработанная в третьей главе методика нахождения временной
нестаби.льности
периода
выходных
колебаний
может
быть
рекомендована для нахождения этого параметра на этапе выбора
структурной схемы системы Ф А П Ч на цифровых логических элементах.
Методика апробирована при разработке систем Ф А П Ч на
цифровых логических элемегггах по КМОП технологии с проектными
нормами 0,25 мкм и 0,18 мкм.
15
Четвертая глава.
В четвертой главе предложена структурная схема управляемого
цифровьпи кодом генератора. В основе этой структурной схемы лежит
сигма-дельта мо^^лятор с сигналом ошибки в цепи обратной связи и
кольцевой генератор на элементах задержки, управляемых цифровым
кодом (рис. 4).
Цифровой
код
перестроит
частоты
16 бит .
+
Сигма-дельта
модулятор с
сигналом ошибю! в
цепи обратной связи
10-76HT
Управляемый
цифровым
Выходная
частота
кодом генератор
Рисунок 4. Структурная схема управляемого цифровым кодом
генератора
Для понижения разрядности управляющего кода в состав системы
Ф А П Ч на цифровых логических элементах предложено ввести
цифровой сигма-дельта модулятор с сигналом ошибки в цепи обратной
связи. Сигма-дельта модулятор позволяет понизить разрядность
управляющего кода без понижения его отношения «сигнал/шум»
Частота среза амплитудно-частотной характеристики любой
системы Ф А П Ч , за исключением, быть может, бесфильтровых систем
Ф А П Ч , значительно меньше, чем частота опорного генератора. В
системах Ф А П Ч на цифровых логических элементах частота
обновления кода управления для перестраиваемых генераторов
соответствует частоте опорного генератора, в то время как,
максимальная частота управляющего сигнала (цифрового кода) не
может превышать частоту среза амплитудно-частотной характеристики
системы Ф А П Ч .
В главе предложен аналитический метод, основывающийся на
использовании функций автокорреляции, для оценки отношения
сигнал/шум такого сигма-дельта модулятора. Этот метод предлагается
использовать на этапе выбора функции передачи ошибки квантования
такого сигма-дельта модулятора.
Предложенный в главе управляемый цифровым кодом генератор
вьтолнен по К М О П технологии с проектными нормами 0,18 мкм и
напряжением питания 1,8 В.
По результатам численного
моделирования были определены границы четьфех диапазонов
перестройки частоты управляемого цифровым кодом генератора
16
(таблица 1). Максимальный шаг перестройки частоты для первого
частотного диапазона составляет 12 МГц. для второго частотного
диапазона - 10 МГц, ддя третьего частотного диапазона - 6 МГц и для
четвертого частотного диапазона - 5 МГц.
Таблица 1. Рабочие параметры разработанного управляемого
цифровым кодом генератора частоты
Стандартная КМОП технология,
Технологический процесс
проектные нормы 0,18 мкм
Напряжение питания
1,8 В
Среднее значение тока
610 мкА
потребления
Первый частотный диапазон
1,062 ГГц-1,175 Г Г ц
Второй частотный диапазон
914 МГц-996 МГц
Третий частотный диапазон
801 МГц-865 МГц
Четвертый частотный диапазон
714 МГц-765 МГц
Пятая глава.
В пятой главе рассматривается разработанная с использованием
предложенных в диссертационной работе технических решений и
методик проектирования система ФАПЧ, предназначенная для
тактирования 32-разрядных RISC - процессоров (рис. 5) . Система
Ф А П Ч разработана по стандартной КМОП технологии с проектными
нормами 0,18 мкм и напряжением питания 1,8 В.
Гснфатор
ОГфНЫХ
копебл*т
Час-гот№й
Oceie v i v » n a « i
KOMTi^aivp
Фвзошй
компаратор
Выхолме
кочебами
ПЦФАПЧ
Генератор
псрестранюсмД
циФро»»1м»^одом
7 бит
CMnta-j^jKn
Г^ограммфуемьй
делтгсл. частоты
Рис. 5. Структурная схема разработанной системы Ф А П Ч
17
Сравнение рабочих характеристик, полученных по результатам
моделирования на транзисторном уровне в системе Cadence,
разработанной системы Ф А П Ч и рабочих характеристик полностью
цифровых систем Ф А П Ч , рассмотренных [3,4,6 -10] позволяют сделать
следуюи(ие выводы (таблица 2).
Таблица 2. Рабочие характеристики спроектированной
системы Ф А П Ч и систем Ф А П Ч [3,7,8,9]
Разработанная
система
ФАПЧ
КМОП,
0,18 мкм
1,8 В
[3]
2004 г
[8]
2001 г
т
КМОП,
0,35 мкм
3,3 В
КМОП,
0,5 мкм
3,3 В
1999 г
КМОП,
0,6 мкм
ЗВ
1мА
2,1-24
31 мА
-
Диапазон
рабочих частот
1,175 Г Г ц 714 МГц
90 -366
МГц
60 М Г ц 400 МГц
Шаг перестройки
частоты
генератора
Временной
джиггер
4 - 1 2 МГц
2 МГц
57,2934
МГц
0,9
МГц
100 ПС
1,2 нс
136 ПС
177 ПС
Параметр
Технологический
процесс
Напряжение
питания
Ток потребления
мА
0,5 - 30
МГц
1. Спроектированная система Ф А П Ч обеспечивает максимальное
значение частоты выходных колебаний 1,175 ГГц, в то время как
максимальная частота выходных колебаний других систем Ф А П Ч не
превьппает 400 МГц - для полностью цифровых систем ФАПЧ.
использующих управляемый цифровым кодом генератор, и 900 МГц для полностью цифровых систем Ф А Л Ч в которых управляемые
цифровым
кодом
генераторы
содержат
цифро-аналоговые
преобразователи и управляемые напряжением генераторы.
2. Спроектированная система Ф А П Ч обладает примерно вдвое
меньшим энергопотреблением по сравнению с извесгньпии аналогами
[3,4,6 - 10].
18
Повышение рабочей частоты и экономия энергопотребления
достигнуты за счет использования в составе системы Ф А П Ч
спроектированного управляемого цифровым кодом генератора частоты.
1 Спроектированная система Ф А П Ч обеспечивает наименьшее
значение алгоритмического джиггера Это преимущество достигнуто за
счет использования предложенных в диссертации методики составления
линейных
разностных
уравнений
и
методики
определения
алгоритмического временного джиггера систем Ф А П Ч на цифровых
логических элементах.
Основные выводы.
Основными результатами работы являются.
1) Технические решения, позволяющие улучшить основные
рабочие характеристики системы Ф А П Ч на цифровых логических
элементах.
2) Математическая модель систем Ф А П Ч . позволяющая проводить
поведенческое моделирование этой системы в составе схем
тактирования процессоров и «систем на кристалле».
3) Методика опредстения временной нестаби-чьности периода
выходных колебаний системы Ф А П Ч на цифровых логических
э.тсмснтах, которая позволяет определять этот параметр на начальных
этапах проектирования схем тактирования процессоров.
В работе получены следующие частные результаты.
1 Впервые предложены разностные уравнения полностью цифровой
системы Ф А П Ч Предложенные разностные уравнения полностью
цифровой системы Ф А П Ч позволяют проводить моделирование
синтезаторов частот, построенных на основе полностью цифровой
системы Ф А П Ч , средствами САПР.
2 Впервые получены математические вьфажения, позволяющие
оценить фазовый шум выходных колебаний полностью цифровой
системы ФАПЧ. Выведенные математические выражения для оценки
фазового шума выгодных ко.чебаний полностью цифровой системы
ФАПЧ позволяют проводить оптимизацию рабочих параметров
отдельных блоков, входящих в состав полностью цифровой системы
ФАПЧ. в частности, цифрового фильтра нижних частот и
преобразователя фазовой ошибки в цифровой код.
3 Предложена методика определения численного значения временной
нестабильности периода выходных колебаний системы Ф А П Ч .
построенной на цифровых логических элементах. Методика позволяет
19
определить значение временного джиггера систем на цифровых
логических
элементах
ФАПЧ.
обусловленного
алгоритмом
функционирования этой системы Ф А П Ч Методика может быть
рекомендована дая использования на начальных этапах проектирования
полностью цифровой системы Ф А П Ч для достижения ее наилучших
рабочих параметров.
4 Для преобразования высокоразрядного кода с выхода схемы
управления системы Ф А П Ч в низкоразрядный код перестройки
кольцевого
генератора
предложено
использовать
сигма-дельта
модулятор с сигналом ошибки в цепи обратной связи, что обеспечивает
возможность применения в составе системы Ф А П Ч перестраиваемых
цифровым кодом генераторов с разрядностью управляющего кода до 16
бит.
5. Предложена схема управляемого цифровым кодом генератора,
построенного на основе элемента задержки «current starved»
Использование такого элемента задержки позволяет получить диапазон
рабочих частот управляемый цифровым кодом генератора 700 - 1100
МГц с шагом перестройки частоты не более 4-12 МГц.
На примере проектирования системы Ф А П Ч на цифровых
логических элементах показано, что использование пред.чоженных
методик и технических решений позволяет получить более высокие
рабочие характеристики по сравнению с известными зарубежными
аналогами.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы
при разработке систем Ф А П Ч в СКЮ «Юникор Микросистемы» Акт об
использовании в производственном процессе прилагается.
20
Публикации
1 Зиновьев Д В Анапитический метод оценки отношеши сигнал/шум
модулятора с передискретизацией/ Известия вузов. Электроника. М. 2005. N 2.
стр 73-76.
2 Зиновьев Д В
Разностные уравнения системы Ф А П Ч на 1хифровых
логических элеме1ггах/ Технические и естественные науки. М. 2005 N. 4. стр.
311-313
3 Зиновьев Д В Разностные уравнения полностью цифровой системы Ф А П Ч
для поведенческого моделирования средствами САПР// Тезисы докладов
седьмой всероссийской научно-технической конферегащи молод1.гх ученых и
студе1ггов «Современные проблемы радиоэлектроники»
Красноярский
государственный технический университет, г Красноярск, апрель 2005 г.,
доклад №14
4 Зиновьев Д В Меюдика оценки влияние помех по цепям питания на фазовый
шум кольцевых генераторов в ПЦ ФАПЧ// Тезисы докладов двенадцатой
всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и
аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005» МГИЭТ, 2005., стр 206.
5 Зиновьев Д В Оценка влияния тгелинейности передаточной характеристики
операционного усилителя на интегральную нелинейность последовательного
АЦП// Тезисы докладов одиннадцатой всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и
информатика - 2004». M l ИЭТ, 2004, стр 82
6. Зиновьев Д В Увеличение добротности LC-фильтров за счет использования
схем с отрицательным сопротивлением// Тезисы докладов десятой
всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и
аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2003» М Г И Э Т , 2003, стр. 297.
7 Зиновьев Д В Анализ схемотех1Шческих реализаций фильтров полосовых
сигма-дельта AIJJ1// Тезисы докладов девятой международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектрюника,
электротехника и энергетика» М Э И , 2003, стр 210
21
Подписано в печать:
Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. ^/Тираж 80 экз. Заказл^^.
Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5, стр. 1, МИЭТ
^204J2
РНБ Русский фонд
2006-4
22411
^л
\
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
748 Кб
Теги
bd000102439
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа