Версию статьи, опубликованную в журнале «Электроника НТБ» №7'2016, вы можете прочитать по ссылке.
Программируемая пользователем аналоговая интегральная схема (ПАИС) КомПАС-1, имеющая обозначение 5400ТР035 – развитие серии конфигурируемых аналого-цифровых микросхем 5400, разработанных в компании "Дизайн Центр "Союз". В отличие от базовых матричных кристаллов, составляющих основу серии 5400, конфигурирование ПАИС КомПАС-1 выполняется путем программирования электрических связей между встроенными блоками на стороне пользователя, а не нанесения слоя металлизации при производстве. В статье описываются основные характеристики микросхемы 5400ТР035, области ее применения и особенности проектирования схем на ее основе.
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. *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.
Рисунок 1. Фрагмент структурной схемы ПАИС КомПАС-1
Рисунок 2. Отладочный комплект микросхемы 5400ТР035: а) интерфейс САПР; б) интерфейс ПО программатора; в–д) элементы программатора; е) макетная плата
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.
Рисунок 3. Аналоговый повторитель, реализованный на основе усилительного блока (синяя линия – отрицательная обратная связь, красная линия – положительный вход INP)
Рисунок 4. Интерфейс САПР для создания и моделирования электрических схем
Для связи ядра с контактными площадками по периферии кристалла расположены 18 пор-тов 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 ком-мутации 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 Ком-ПАС-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.
Рисунок 5. Интерфейс программы для записи данных в память микросхемы
Рисунок 6. Структурная схема обработки данных с мостовых датчиков
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.