автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка микросхем для компенсации температурной нестабильности выходной частоты кварцевых генераторов

На правах рукописи

005055654

ГУСЕВ СТАНИСЛАВ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МИКРОСХЕМ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ВЫХОДНОЙ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 2 КОЯ 2012

Москва 2012

005055654

Работа выполнена на кафедре проектирования и конструирования интегральных микросхем Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель: Глебов Алексей Львович

доктор технических наук, с.н.с., профессор кафедры проектирования и конструирования интегральных микросхем

НИУ «МИЭТ»

Официальные оппоненты: Шелепин Николай Алексеевич

доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора, главный конструктор ОАО «НИИМЭ и завод Микрон»

Машевич Павел Романович кандидат технических наук, директор по НИОКР - главный конструктор

ОАО «Ангстрем»

Ведущая организация: ОАО «НИИТАП»

Защита диссертации состоится « // »дледЯра _2012г., в № часов ЪО минут на заседании диссертационного совета Д212.134.01 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Автореферат разослан «01- » Уих^&рЛ 201_Хгода. Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор Крупкина Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. С ростом количества используемых частотных диапазонов и увеличением их загруженности, существенно повысились требования к стабильности опорной частоты для работы систем связи. Повышенные требования к стабильности частоты предъявляются также в системах глобального позиционирования, радиоастрономии, измерительных, медицинских и других приборах и системах. Основным типом устройств, используемых в таких системах в качестве опорных источников частоты, являются термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ). В случае использования ТККГ в мобильных и космических системах повышенные требования предъявляются не только к стабильности выходной частоты генератора, но и к массогабаритным показателям генератора.

С точки зрения компенсации температурной зависимости частоты, структура ТККГ может быть разделена на пассивную часть, представляющую собой генератор, управляемый напряжением, и активную часть, управляющую генератором, в зависимости от температуры окружающей среды.

С развитием микроэлектроники, все большее распространение получают ТККГ с использованием активной части, выполненной на основе ИС. Данный тип ТККГ обладает существенно меньшими размерами и весом, меньшим энергопотреблением и большей надежностью, по сравнению с ТККГ на основе.дискретных элементов.

Основной задачей активной части ТККГ является расчет компенсирующей функции, параметры которой индивидуальны для каждого ТККГ, зависят как от параметров кварцевого резонатора, так и от параметров остальных элементов системы и определяются на этапе настройки ТККГ. В случае использования микросхемы активной части этап поиска параметров компенсирующей функции существенно затрудняется из-за невозможности исследования параметров отдельных элементов системы, что ведет к снижению точности настройки ТККГ.

Кроме тогй,' площадь модуля вычислителя компенсирующей функции, построенного на основе традиционных методов организации вычислений, занимает до 50% кристалла активной части ТККГ, а использование синхронных последовательных интерфейсов для задания параметров компенсирующей функции требует использования дополнительных выводов корпуса ТККГ.

Таким образом, в настоящее время, разработка методов проектирования микросхем активной части ТККГ, позволяющих уменьшить размеры и обеспечить необходимый уровень точности расчетов компенсирующей функции, а так же, методов ускорения и автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, являются актуальными и своевременными задачами.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке методов проектирования цифровых схем расчета компенсирующей функции, позволяющих обеспечить высокую точность вычислений, низкое энергопотребление и небольшую площадь, занимаемую на кристалле активной части ТККГ, и методов автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, позволяющих увеличить точность настройки компенсирующей функции, реализованной в микросхеме.

Задачи исследования. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование основных проблем препятствующих увеличению степени компенсации и уменьшению размеров ТККГ.

2. Исследование помех, вносимых цифровым модулем вычисления компенсирующей функции в работу остальных частей микросхемы активной части ТККГ.

3. Разработка архитектуры цифрового модуля расчета компенсирующих напряжений, позволяющей сократить площадь вычислителя, занимаемую на кристалле ИС активной части ТККГ и обладающей минимальной ошибкой вычисления заданной функции.

4. Разработка методов снижения помех, вносимых цифровыми блоками микросхемы активной части ТККГ в работу устройства.

5. Исследование и разработка интерфейса для управления активной частью ТККГ, позволяющего осуществлять двунаправленный обмен данными, обладающего высокой надежностью и использующего минимальное количество выводов корпуса ТККГ.

6. Исследование и разработка модуля контроллера интерфейса, позволяющего использовать наименьшее количество выводов корпуса.

7. Разработка методики ускоренного нахождения параметров компенсирующей функции ТККГ.

. 8. Экспериментальная проверка предложенных методов и решений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена новая архитектура модуля расчета полиномиальной функции компенсации для микросхем активной части ТККГ на основе последовательных вычислений.

2. Предложен метод реализации архитектуры модуля расчета компенсирующей функции на основе квази-самосинхронной схемотехники с использованием метода перераспределения задержек цепей управления сдвиговых регистров.

3. На основе исследования зависимости частоты от кодов компенсации и температуры предложена новая параметризованная температурная модель ТККГ.

4. Предложен метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ, основанный на использовании параметризованной температурной модели с применением методов целочисленного линейного программирования.

5. Для управления микросхемой активной части ТККГ разработан новый интерфейс передачи данных, использующий широтно-импульсный метод кодирования данных.

Практическая ценность работы.

1. Разработанный по технологии 0.6 мкм на основе предложенной архитектуры модуль расчета функции компенсации, обладает более чем в 5 раз меньшей площадью, по сравнению с аналогичными модулями на основе известных архитектур.

2. Метод реализации модуля вычисления компенсирующих напряжений на основе самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей сдвиговых регистров, позволяет на 10% сократить среднее потребление тока и на 60% сократить пиковое потребление тока, что позволяет снизить как общее энергопотребление генератора, так и помехи, вносимые в шины питания и земли микросхемы.

3. Предложенная модель и метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ позволяют производить этап настройки генератора за один цикл температурных исследований.

4. Предложенный метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции позволяет снизить температурную нестабильность частоты до ±1.0 * 10"6.

5. Разработанный интерфейс управления активной частью ТККГ позволяет осуществлять двунаправленный обмен данными, используя при этом один вывод корпуса кристалла ТККГ.

Внедрение. Результаты работы внедрены и легли в основу серийно выпускаемых микросхем производства ЗАО «ПКК Миландр» К5860ГН2, что подтверждено актами о внедрении.

Достоверность результатов

Достоверность разработанных методов и решений подтверждена результатами экспериментальных исследований тестовых образцов и серийно выпускаемых микросхем активной части ТККГ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Архитектура цифрового модуля расчета функции компенсирующих напряжений, основанная на последовательных вычислениях функции, с использованием схемы умножения по алгоритму Бута, позволяющая существенно сократить площадь кристаллов активной части ТККГ, сохранив при этом точность расчета компенсирующей функции.

2. Метод уменьшения шумов, вносимых цифровым модулем расчета компенсирующих напряжений в цепи питания, основанный на использовании квази-самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей.

3. Параметризованная температурная модель ТККГ на основе интерполяции измерения поведения выходной частоты в зависимости от температуры и параметров компенсирующей функции.

4. Метод определения оптимальных параметров компенсирующей функции на основе предложенной температурной модели.

5. Интерфейс для передачи параметров, необходимых для расчета компенсирующих напряжений, основанный на широтной модуляции данных, и модуль контроллера предложенного интерфейса, обеспечивающие надежную двунаправленную передачу данных и позволяющие сократить количество выводов корпуса ТККГ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

14-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2008;

Международной научной молодежной конференции по естественным и техническим дисциплинам "Научному прогрессу — творчество молодых", Йошкар-Ола, МарГТУ,2010;

Международной научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», Москва, МИЭТ, 2010.

17-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», Москва, МИЭТ, 2010.

Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School (MB-JASS), Москва, МИЭТ, 2011.

18-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011», Москва, МИЭТ, 2011.

Международной научной молодежной конференции по естественным и техническим дисциплинам "Научному прогрессу — творчество молодых", Йошкар-Ола, МарГТУ,2011;

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 13 научных работах, в том числе б статьях в периодических печатных изданиях, 5 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, тезисах 7 докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Диссертация изложена на 130 листах основного текста, включая 89 рисунков и 9 таблиц, список литературы из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится классификация современных прецизионных кварцевых генераторов и характеристики наилучших образцов ТККГ, описываются принципы работы ТККГ на основе различных видов компенсирующих функций, обосновывается выбор в качестве объекта исследования микросхемы активной части ТККГ с цифровым модулем вычисления на основе полиномиальной функции компенсации.

Несмотря на то, что термостатированные генераторы обеспечивают максимально возможную стабильность выходной частоты, ТККГ в настоящее время наиболее востребованы, т.к. имеют меньшие размеры, меньшее время выхода в рабочий режим, меньшее энергопотребление.

Современные ТККГ можно классифицировать следующим образом:

1. По методу компенсации как генераторы, компенсация в которых выполнена на основе термочувствительных элементов, и генераторы, в состав которых включен. модуль расчета компенсирующей функции на основе измерения температуры (активная часть ТККГ).

2. По реализованной функции компенсации, как табличные, полиномиальные и интерполирующие, на основе линейной или полиномиальной интерполяции.

3. По методу реализации модуля расчета компенсирующей функции как аналоговые, цифровые, частным случаем которых являются микроконтроллерные, и смешанные.

4. По методу управления выходной частотой генераторы классифицируются как управляемые напряжением и синтезаторного типа.

5. По методу измерения температуры как генераторы с использованием датчика температуры и генераторы на основе двухмодового возбуждения кварца.

6. По конструкции как реализованные на дискретных элементах и реализованные на основе микросхемы активной части.

Анализ производимых ТККГ показывает, что наибольшей стабильностью выходной частоты (менее 1 ррш) в диапазоне температур от -60 до +85 °С обладают ТККГ, размер которых превышает 5.0x7.0x2.0 мм3. Чаще всего, такие генераторы разрабатываются на основе дискретных элементов, используют интерполирующую функцию компенсации и микропроцессор в качестве вычислителя компенсирующей функции.

Реализация активной части генератора на основе заказных ИС позволяет существенно уменьшить размеры ТККГ, что необходимо в мобильных и космических приложениях, но в то же время температурная стабильность частоты таких устройств ниже. Это обусловлено как ограничениями, накладываемыми сложностью реализуемой компенсирующей функции, так и меньшей точностью настройки параметров компенсирующей функции. Основной трудностью при определении параметров компенсирующей функции в таких ТККГ является невозможность измерения собственных параметров отдельных элементов системы.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили ТККГ, компенсирующую функцию в которых выполняет микросхема активной части на основе цифровой схемотехники. Это обусловлено

простотой проектирования, высокой точностью расчета и независимостью от температуры окружающей среды цифровых модулей вычисления компенсирующей функции. В то же время существенным недостатком цифровых вычислителей является большая, по сравнению с аналоговыми вычислителями, площадь, занимаемая модулем на кристалле, и высокий уровень шумов, вносимый в шины земли и питания синхронным переключением регистров цифровых схем.

Рисунок 1. Структурная схема ТККГ

Таким образом, в качестве объекта исследования, нами выбрана микросхема активной части ТККГ на основе генератора, управляемого напряжением. Разработка самой микросхемы предполагается на основе цифровой схемотехники, с использованием полиномиальной компенсирующей функции. Структурная схема ТККГ представлена на рисунке 1. Данный тип ТККГ наиболее соответствует требованиям, предъявляемым к ТККГ в современных мобильных устройствах и космической технике.

Основными задачами исследования выбраны уменьшение площади кристаллов активной части ТККГ, уменьшение потребления и шумов, вносимых цифровой частью микросхемы, разработка методов автоматизированного ускоренного поиска параметров компенсирующей функции и методов их передачи вычислителю компенсирующей функции, используя минимальное количество выводов корпуса ТККГ.

Во второй главе проводится анализ требований, предъявляемых к модулю вычисления кодов компенсирующих напряжений (МВККН), основному модулю микросхемы активной части ТККГ. Показано, что

параллельная архитектура модуля является избыточной. Предложена новая последовательная архитектура МВККН. Показано, что модуль, реализованный на основе предложенной архитектуры, обладает меньшей площадью, чем известные аналоги.

Предметом исследования выбран цифровой МВККН, реализующей полиномиальную функцию компенсации У(Т) (1), для удобства вычислений представленную в форме Горнера (2).

V(t) =kO+XS*kl +XS2 *к2 +XS3 *к.З +XS4 *к4+ХS5 *к5; V(t)=kO+kS*(kl+XS*(k2+XS*(k3+XS*(k4+XS*k5)))); XS = (Т-tO) *Sin;

О) (2) (3)

Для уменьшения разрядности коэффициентов k0...k5 предложено представлять аргумент полиномиальной функции XS в виде (3), где Ю — код номинальной температуры, a Sin - калибрующий коэффициент. Кроме того, для компенсации возможного технологического разброса, предложено код номинальной температуры так же задавать параметром.

ENXS ГГГ7- ENWORK

Sin

Рисунок 2. Архитектура модуля вычисления кодов компенсирующих напряжений

В результате проведенных исследований предложена архитектура МВККН в соответствии со структурой, изображенной на рисунке 2. Весь процесс вычисления разделен на 8 этапов. На первых двух этапах вычисляется значение ХЭ, которое представляет собой линейную функцию от температуры. После вычисления значение ХБ заносится в

регистр множимого XS и на последующих этапах 'Не изменяется. Остальные шесть этапов - это расчет компенсирующего напряжения по формуле Горнера. На каждом из них частный результат, сохраняемый в регистре RESULT, умножается на XS и складывается с соответствующим коэффициентом.

Номер выполняемого этапа определяется счетчиком CNTP. От значения этого счетчика зависят текущие параметры, передаваемые для вычислений в модуль. Работа модуля организована последовательно и состоит из двух циклов вложенных один в другой. Малым циклом управляет 4-х разрядный счетчик CNTS, большим 6-разрядный CNTM.

На малом цикле регистр множимого XS циклически сдвигается, и все его биты последовательно умножаются на текущий бит множителя RESULT. Результат последовательно складывается с текущим значением регистра частичных произведений WORK и циклически помещается обратно в этот же регистр.

В момент, когда счетчик CNTS принимает начальное значение, регистр XS принимает исходное состояния, регистр частичных произведений WORK обнуляется, выдвигая в регистр RESULT один бит результата, сложенный с очередным битом коэффициента. При этом, уже обработанный бит регистра RESULT выдвигается, и становится доступным следующий бит множителя. Счетчик CNTM инкрементируется на единицу и начинается следующий большой цикл. В момент, когда счетчик CNTM досчитывает с предустановленного в начале этапа значения до нуля, в регистре RESULT содержится верный результат выполнения этапа.

Для прибавления определенных функцией коэффициентов, в модуле организованы два сумматора, складывающие текущий бит результата со значением одного из коэффициентов, определяемого выполняемым этапом.

Для обеспечения требуемых на каждом этапе сдвигов в регистр CNTM в начале этапа заносится значение, большее на величину сдвига. При этом, когда обработаны все значения множителя, в вычислении участвуют два последних значения, сохраненных в специальных регистрах, в RESULT заносятся старшие биты произведения, а младшие выдвигаются.

Таким образом, на каждом этапе вычислений выполняется функция:

Результат = (Множимое(ХБ) * Множитель (RESULT) + Коэффициент! (SUMI) + Коэффициепт2(ЗиМ2) )/ Сдвиг.

Результат вычисления модуля для средних значений коэффициентов во всем температурном диапазоне представлен на верхнем графике рисунка 3. На среднем графике представлен результат идеального расчета функции компенсации без округлений. Нижний график представляет их разность. Для большинства значений коэффициентов, характерных для функций компенсации реальных ТККГ, ошибка вычисления модуля не превышает ±1. Для всех возможных значений коэффициентов максимальная ошибка модуля составляет ±4.

Код температуры

Рисунок 3. Результат вычисления МВККН

Так же во второй главе предложен метод реализации архитектуры на основе самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей. Применение данного метода позволяет существенно сократить средний потребляемый ток и в несколько раз уменьшает пиковые значения тока, что снижает потребление микросхемы и существенно сокращает шумы, вносимые модулем по шинам питания и земли.

Рисунок 4. Топология МВККН

Топология МВККН, разработанного в соответствии с предложенной архитектурой по технологии 0,6 мкм, представлена на рисунке 4. Топологические размеры МВККН составляют 0,228 мм2, что в более чем 5 раз меньше, чем размеры аналогичных модулей, реализованных на основе известных архитектур.

Третья глава посвящена методам автоматизации и ускорения поиска параметров компенсирующей функции. Задача сведена к подбору таких параметров компенсирующей функции, которые позволяют обеспечить максимальное приближение выходной частоты генератора к номинальной частоте во всем температурном диапазоне (4). На практике, обычно, стремятся, что бы выходная частота генератора удовлетворяла соотношению (5).

F(t,C(t,k)) ^

—----т- — 1 -> min

F(t0,C(t0,/c))

(4)

F(t,C(t, /с))

F(t0,C(t0,fc)) ~ 1 <|Л|

где F - функция частоты генератора, к 6 К — значения параметров компенсирующей функции,

t E [tmin, tmax] — значение температуры из диапазона рабочих температур.

С — функция управления генератора.

А — требуемая степень компенсации.

Проведенные исследования показали, что задача подбора параметров функции компенсирующих напряжений ТККГ осложняется нелинейной температурной зависимостью погрешностей измерения температурного датчика, нелинейными зависимостями преобразователей ЦАП и АЦП, нелинейными зависимостями емкостей варикапов от приложенных напряжений и выходной частоты генератора от емкостей варикапов. При этом, данные зависимости различны для различных кристаллов активной части ТККГ. Кроме того, в случае реализации активной части ТККГ в виде ИС,. затруднены измерения характеристик отдельных элементов системы, что не позволяет осуществить декомпозицию ТЧХ ТККГ в виде функций их зависимостей.

Показано также, что необходимость проведения температурных исследований существенно увеличивает время измерения характеристик ТККГ. На используемом при проведении исследования оборудовании время, требуемое для равномерного прогрева или охлаждения всей конструкции ТККГ, составило не менее 20 минут.

Таким образом, при разработке метода автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, необходимо свести количество исследований в диапазоне температур к минимуму.

Искомыми параметрами для исследуемой функции компенсации (1), являются коэффициенты при степенях аргумента К1..К5, номинальное значение температуры ТО, и коэффициент масштабирования SCALE.

В результате проведенных исследований предложена методика, позволяющая за один цикл измерений в диапазоне температур построить параметрическую температурную модель ТККГ и найти параметры функции компенсации, оптимальные для данного ТККГ.

Предлагаемая методика поиска параметров является композицией трех составляющих:

1) Архитектурных особенностей микросхем активной части ТККГ, позволяющих получать данные о текущем состоянии контрольных узлов ТККГ.

2) Методики автоматизации измерения параметров устройства (сбора массива данных) в зависимости от изменения температуры для различных параметров компенсирующей функции ТККГ.

3) Создания и характеризации параметризованной температурной модели ТККГ, и поиск, на ее основе, оптимальных параметров функции компенсации.

Коды

Коды компенсирующих

Рисунок 5.Расположение измеряемых точек в структуре ТККГ

Для поиска параметров компенсирующей функции предлагается рассматривать ТККГ как единое целое, выделив цифровой МВККН, как модуль, результат работы которого определяет вид компенсирующей функции и независим от температуры.

Таким образом, при проведении измерений ТККГ важно получить доступ именно к цифровым кодам температуры, поступающим на вход вычислителя полиномиальной функции, кодам компенсирующих напряжений, являющихся результатом работы модуля. Для обеспечения данных возможностей в микросхеме при помощи интерфейса программирования должна быть реализована возможность считывать текущий код температуры с выхода АЦП и задавать на вход ЦАП коды компенсирующих напряжений. Частота, соответствующая значениям кодов, также должна быть измерена (рисунок 5).

С учетом особенностей нелинейных зависимостей элементов ТККГ,. выходная частота кварцевого генератора / мокет быть представлена в виде (6).

!=РЦ,С(Р(А(Щ,0,к),ф; (б)

где:

Т - зависимость напряжения на выходе датчика температуры от температуры.

А - нелинейная зависимость кода АЦП от температуры и напряжения на выходе температурного датчика.

Р - функция МВККН, независящая от температуры.

Г - функция выходной частоты генератора от кода компенсирующих напряжений и температуры окружающей среды,

включающая нелинейные температурные зависимости ЦАП и варикапа.

В том случае, если / является постоянной величиной, значение кода температуры а также будет постоянной величиной, а функция /примет вид (7) .

/^(Р(а,к)); (7)

Таким образом, если проводить измерения выходной частоты ТККГ для постоянных значений температуры, то температурная составляющая функции (6) не оказывает влияния на значения выходной частоты ТККГ и, таким образом, может быть получена зависимость выходной частоты только от свойств элементов генератора и параметров компенсирующей функции.

Шина управление температурой камеры

Рисунок 6. Структурная схема программно-аппаратного комплекса автоматизации измерений ТККГ

Задачей этапа измерения ТККГ является получение массива данных {/, р, а} для каждой температурной точки. Для проведения исследований был разработан программно-аппаратный комплекс, структура которого представлена на рисунке 6.

В состав измерительного комплекса входит камера тепла и холода Бэрес МС-811Т, частотомер, программатор и персональный компьютер.

Для автоматизации проведения исследований разработан комплекс управляющего ПО, осуществляющий сбор данных о температурных кодах ТККГ, измерение частоты ТККГ, соответствующей данному температурному коду, задание кодов компенсирующих напряжений и температуры печи. Измерения проводились в диапазоне рабочих температур от -60°С до +85°С, разрядность ЦАП и АЦП исследуемого генератора составляет 12 бит.

На основе проведенных исследований установлено, что при проведении измерений шаг температурной сетки, составляющий 5°С, и шаг кода компенсирующих напряжений, составляющий (7Р)16, являются оптимальными по критерию время проведения измерений -результирующая степень компенсации ТККГ.

Методика измерений предполагает следующую последовательность действий:

1) Установка температуры в первую исследуемую точку (-60°С).

2) Перебор пользовательских кодов компенсирующих напряжений на установленной температуре с шагом (7р)1б.

3) Измерение выходной частоты генератора для каждого значения кода компенсирующих напряжений.

4) Повторение 2 и 3 этапов предлагаемой методики для остальных значений температуры с шагом 5°С.

Алгоритм действий, соответствующий данной методике, заложен в программную часть комплекса. Все измерения производятся автоматически. Время измерения устройства в одной температурной точке составляет 30 мин. Общее время проведения измерения составляет 14,5 часов.

Результатом измерения ТККГ по предлагаемой методике является массив значений частоты генератора, и соответствующих им. кодов температуры и компенсирующих напряжений {£ р, а).

Для нахождения численных значений коэффициентов компенсирующей функции разработан комплекс ПО, состоящий из трех основных модулей: модуль параметризованной температурной модели ТККГ, модуль расчета граничных функций оптимизации и модуль поиска оптимальных значений параметров. В качестве входных данных в ПО используется массив значений, полученный на этапе измерения.

Для определения значений частоты, в тех точках, которые не были определены на этапе измерений, предложена параметризованная температурная модель ТККГ. В основу модели положены уравнения интерполяции поверхности значений частоты в зависимости от кодов компенсирующих напряжений и температуры вида (8 - 12) для всех измеряемых узлов поверхности.

Рц(а-Р) = Рио+ Ищ а + И'.лР + Ицз ар: (8)

Муо = /и амр]у\ а,+,ра,р:]; (9)

Ну1~ Aj " fi+i.j " Á.j+i + fn-J.,j+i¡

Vtj3 = -fl.J a ¡+1 +f¡+l„jal + fi„j+lai*l - fi+l„j+la,h

(11)

Hij4 - -fhjPj+1 +fl+l,jPj+l +A.J+1 Pj- fi+I.J+l P.j'

(12)

После передачи ПО массива измеренных значений, происходит характеризация модели ТККГ, т.е. расчет коэффициентов выражения (8) на основе выражений (9-12). Полученный массив коэффициентов сохраняется в модуле параметризованной температурной модели ТККГ и используется для расчета функции по запросам других модулей ПО.

В том случае, если мы накладываем на функцию зависимости частоты ограничение (13), где /тах и /,„,„ являются минимально и максимально допустимыми значениями частоты во всем температурном диапазоне, значения р должны удовлетворять выражению (14), где Я представляет собой обратную функцию зависимости кодов компенсирующих напряжений от температуры и частоты.

Зависимости Р(А) для минимального и максимального значения выходной частоты ТККГ (граничных условий) определена как граничная функция кодов компенсирующих напряжений, в пределах которых производится поиск функции, рассчитываемой МВККН.

Первым шагом предлагаемого метода является нахождение выражений описывающих функцию зависимости F(p) для всех значений А, т.е. подстановка всех возможных значений температурного кода в выражения, описывающие тепловою модель ТККГ. Количество точек а, в которых определяется зависимость F(P), предлагается выбрать как количество возможных дискретных значений температурного кода. Т.е. если в данном приложении мы имеем 12-ти разрядный АЦП, то количество возможных значений температурного кода будет определяться как 212=409б, соответственно нам необходимо найти 4096 функциональных зависимостей F(P). В программной реализации операция поиска функций F(P) сводится к перерасчету значений массива коэффициентов, полученного на этапе характеризации параметризованной температурной модели ТККГ.

fmin < F(P,A) < fmax

(13)

R (fmin, А) < P (Л) < R (fmax, A)

(14)

Следующим шагом поиска граничных функций является определение граничных значений кодов компенсирующих напряжений Pmin Ртах для каждой точки А, удовлетворяющих выражению (14). Показано, что если гарантировать, что значения, вычисленные модулем

расчета функции компенсирующих напряжений, не будут выходить за рамки граничных значений Рт,„ Ртах, определенных для каждого значения функции А, мы можем быть уверены, что выходная частота генератора также не выйдет за пределы допустимых значений. Т.к. предлагаемый метод вычисления независим от вида модели ТККГ, а зависимость F(p) монотонна, для поиска граничных значений Р предложено использовать метод дихотомии. В качестве точек приближения для нахождения Рт1„ Ртах использованы граничные значения частоты F'mim Fn,ax■ Монотонность зависимости F(p) подтверждена результатами многочисленных экспериментов.

Последним этапом метода является поиск оптимальных значений параметров компенсирующей функции, т.е. таких параметров, при которых функция компенсации данного ТККГ будет лежать в диапазоне значений, образованном зависимостью Р(А) для граничных значений F. Критерием оптимизации выберем максимальную удаленность

компенсирующей функции от граничных Рисунок7.Алгоритм метода функций для всех а. В разработанном ПО' поиска параметров за этот этап отвечает модуль поиска

компенсирующей функции оптимальных значений коэффициентов.

Для решения поставленной задачи оптимизации предложено использовать методы целочисленного линейного программирования.

Набором переменных для оптимизации являются коэффициенты при степенях полиномиальной функции компенсации К1,К2,КЗ,К4,К5 и введенная переменная РРМ. Параметры SCALE и INF исключены из

рассмотрения, так как оптимизация по этим параметрам существенно усложнят задачу оптимизации.

Функция оптимизации соответствует функции компенсации, заложенной в МВККН.

Критерием оптимизации являются 4096*2 выражений, каждая пара из которых имеет вид (15).

Р + PPM > Pmin;

Р-РРМ < Ртаху (15)

Результатом работы программы может являться несколько значений наборов коэффициентов, которые могут быть предложены пользователю.

Р 11.99630 £

I 8-

Е 11.99620

Р

Е

. . ./<•/..>>......

/ \ /' \ / ...../.................... i i \...................../.... \ \ \ \

4 /' 1 / \ 4 \ 1 1

1, t \ F2 1, / J 1 J w 1 1 i 1

.............. \J? У F1 1/ ............ !

FJ F3

20.0 30.0

Время inMqiemBi, c*10S

Рисунок 8. Результаты компенсации ТККГ

На графиках Н и Р2 рисунка 8 представлены ТЧХ ТККГ с начальными значениями параметров компенсирующей функции на основе измерения (Б!) и рассчитанные на основе предложенной модели

ТККГ (F2). Графики F3 и F4 представляют ТЧХ генератора с вычисленными предложенным методом значениями параметров компенсирующей функции, на основе измерения (F3) и рассчитанные на основе предложенной модели ТККГ (F4). Температура при измерениях изменялась в диапазоне от -60°С до +85°С со скоростью 0,2 °С/мин.

Таким образом, использование предложенных в диссертации модели ТККГ и методов поиска параметров компенсирующей функции позволяет рассчитывать значения выходной частоты генератора и существенно упростить вычисления параметров компенсирующей функции.

В четвертой главе основное внимание уделено методам управления микросхемой активной части ТККГ, исследованию интерфейсов программирования ТККГ и модулей контроллеров интерфейсов программирования (КИП).

Основным недостатком применяемых в большинстве современных ТККГ синхронных интерфейсов передачи данных является необходимость использования как минимум двух выводов корпуса устройства. В то же время, сокращение количества выводов ТККГ ведет к удешевлению корпусов и уменьшению его массогабаритных показателей.

Для уменьшения количества выводов корпуса ТККГ и сокращения площади кристаллов активной части ТККГ предложен новый интерфейс обмена данными и метод реализации контроллера предлагаемого интерфейса. Интерфейс позволяет обеспечить двунаправленный обмен данными, используя один вывод корпуса ТККГ. Контроллер интерфейса программирования (КИП) обладает небольшой площадью, занимаемой на кристалле активной части ТККГ, а программатор интерфейса легко реализуется на основе 8-разрядных микроконтроллеров.

Предлагаемый интерфейс основан на принципе широтной модуляции данных. Линия передачи данных должна быть подтянута к положительному потенциалу. Передача данных осуществляется путем замыкания передающим устройством линии на нулевой потенциал. Данные кодируются длительностью периода, во время которого линия находилась в нулевом состоянии.

Время от среза передаваемого сигнала до фронта предлагается считать символом передачи данных. Для организации обмена данными по линии используются четыре основных символа, это «START», «RESET», «ONE» и «NULL» (рисунок 9). Так же возможны

дополнительные символы. В нашей реализации интерфейса таким символом являлся «PROGRAMM».

"START"

b2,'PdkH<2lu-Pclk

"1"

i2l'Pdlt и <2**Pclk

<2s,Pclk

г?«"

r-

RESET"

U

"PRG EN"

<2 Pdk

a)

6)

Рисунок 9. Символы интерфейса программирования ТККГ (а) и схема декодирования символов модуля КИП (б)

В процессе обмена данными по линии участвуют два устройства: программатор и ТККГ. В микросхеме активной части ТККГ за обмен данными отвечает модуль КИП. Ведущим при передаче данных по . линии всегда является программатор. В режиме записи в устройство данные передаются от программатора к ТККГ. Чтение данных из устройства осуществляется только после передачи соответствующей команды. Для осуществления чтения, программатору необходимо после передачи ТККГ соответствующей команды, начать передачу символов запроса чтения длительностью менее 1 мкс. Запрос на чтение модулем КИП воспринимается только в режиме чтения, во всех других режимах он будет воспринят как символ NULL. Получив запрос на чтение, модуль КИП, не дожидаясь его окончания, обязан дополнить интервал временем, соответствующим символу запрашиваемого бита. Таким образом, для организации обмена данными необходим всего один двунаправленный вывод ТККГ.

На протокольном уровне любой обмен данных начинается программатором с символа START, который переводит приемник, т.е. ТККГ, в состояние ожидания первого бита команды. Далее следуют три бита команды, кодированные символами "NULL" или "ONE", которые сохраняются в регистре команды приемника. После приема последнего,

третьего бита команды, ТККГ переходит в режим исполнения, в соответствии с кодом принятой команды.

Дальнейшие действия зависят от набора команд, реализованных в приемнике. Например, далее может быть осуществлена загрузка данных в отладочный регистр микросхемы, выгрузка данных из него для верификации, запись данных в однократно программируемые запоминающее устройство (ОПЗУ) и любые другие действия, заложенные в микросхеме на этапе проектирования. Выход из любого режима осуществляется либо повторной подачей символа START, после чего устройство переходит в состояние ожидания первого бита следующей команды, либо для некоторых специальных команд после выполнения команды. Период выполнения одной команды, т.е. транзакции по шине, произошедшие между двумя соседними символами START, является циклом интерфейса программирования.

Сброс устройства по линии возможен при помощи специального символа RESET. Т.е. при нахождении линии в низком состоянии на время большее, чем 102 мкс, устройство сбрасывается и находится в сбросе до перехода линии в высокое состояние.

Рисунок 10. Структурная схема модуля КИП

Структурная схема контроллера предлагаемого интерфейса представлена на рисунке 10. Состояние линии фиксируется двумя триггерами, при помощи которых образуются внутренние сигналы переднего и заднего фронта на линии, т.е. сигналы начала и конца символа. Сигнал начала символа является разрешением работы для двоичного счетчика. Сигнал завершения останавливает счет двоичного

счетчика и переводит основной автомат контроллера в следующее состояние. Получив символ START, автомат переходит в состояние ожидание первого бита команды. Следующим состоянием автомата, после приема всей команды, является состояние выполнения, которое вместе с кодом принятой команды однозначно определяет дальнейшее функционирование устройства. Количество команд, их назначение и схемотехнические решения, требуемые для их реализации, определяются требованиями конкретного устройства.

Реализованный по технологии 0,6 мкм, цифровой модуль КИП имеет топологические размеры 0,1325 мм2.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведено исследование существующих в настоящее время конструкций ТККГ, определены основные трудности, препятствующие увеличению температурной стабильности ТККГ, обладающих наименьшими размерами.

2. Обоснован выбор конструкции ТККГ на основе микросхемы управления выходной частотой генератора, с использованием полиномиальной функции компенсации, как наиболее перспективной для реализации ТККГ, обладающих наименьшими размерами, при сохранении высокой температурной стабильности выходной частоты.

3. Разработана новая архитектура цифрового модуля расчета функции компенсации, позволяющая существенно сократить размеры микросхем активной части ТККГ.

■ 4. Предложен метод реализации архитектуры модуля расчета компенсирующей функции, позволяющий существенно сократить как шумы, вносимые цифровым модулем вычисления компенсирующей функции в цепи земли и питания, так и общее потребление микросхемы.

5. Разработаны и предложены методика измерения, параметризованная температурная модель и метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ, позволяющие осуществлять настройку устройства за один цикл температурных исследований.

6. Предложен новый интерфейс управления микросхемами активной части ТККГ и контроллер интерфейса, обладающие минимальным количеством выводов и небольшой площадью, занимаемой на кристалле.

Таким образом, в результате выполнения работы были решены задачи уменьшения размеров СБИС активной части и сокращения выводов корпуса ТККГ. Разработаны методы автоматизации измерения ТККГ и поиска параметров МВККН. Предложенные методы и решения применены при серийном производстве ИС активной части ТККГ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гусев С.В. «Модуль вычисления компенсирующих напряжений для микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов» // «Естественные и технические науки»,», №5,2012.

2. Алексеев А.А., Гусев С.В., Шумилин С.С., «Использование GALS-архитектуры с динамическим управлением синхросигналами для повышения энергоэффективности цифровых устройств» // «Известия высших учебных заведений. Электроника», №4,2011, с. 45-50.

3. Алексеев А.А., Гусев С.В., Шумилин С.С., «Новый интерфейс передачи данных для программирования интегральных микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов»// «Естественные и технические науки», №4,2011, с. 545-547.

4. Алексеев А.А., Гусев С.В., Шумилин С.С, «Метод формирования тестовых воздействий для измерений и тестирования систем на кристалле» // «Естественные и технические науки» №4 2011 с.543-544.

5. Гусев С.В. «Двухъядерный микроконтроллер компании «Миландр» для высоконадежных применений» // «Электронные компоненты», №7,2011, с.34-36.

6. Гусев С., Шумилин С. «Реализация многозадачных приложений на МК серии 1886.»// «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес.» №6 2009. с. 46-51.

7. Gusev Stanislav, «Asynchronous circuits as alternative digital computing» //Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School Moscow 2011.

8. С.Гусев. Сравнительное исследование свойств синхронной и самосинхронной реализации схемы параллельного умножителя в типичном режиме работы. //Сборник материалов международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам "Научному прогрессу - творчество молодых", ИО МарГТУ,2010,с. 210.

9. Гусев C.B., Алексеев A.A. «Методы повышения энергоэффективности систем на кристалле на примере микроконтроллера 1901ВЦ1Ф». //Сборник тезисов докладов международной научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», Москва, МИЭТ, 2010, с. 32

10. С.Гусев, В.Ермак. Анализ эффективности реализации параллельного умножителя на основе синхронной и самосинхронной схемотехники.// Тезисы докладов 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2010», Москва, МИЭТ, 2010, с.69.

П.Гусев C.B. Алгоритм увеличения быстродействия аппаратного умножителя.// Тезисы докладов четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2008, сс.334-335.

12. Гусев C.B. Сравнительный анализ синхронных и асинхронных методов управления потоками данных в цифровых схемах.// Тезисы докладов 18-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011», Москва, МИЭТ, 2011, с.71.

13. Гусев C.B. Организация взаимодействия микропроцессорных ядер в глобально-асинхронных, локально синхронных системах. //Сборник материалов международной молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам "Научному прогрессу - творчество молодых", ИО, МарГТУ,2011,с. 133.

Автореферат

Гусев Станислав Валентинович

Исследование и разработка микросхем для компенсации температурной нестабильности выходной частоты кварцевых генераторов

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ. 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Современные методы проектирования микросхем для ТККГ.

1.1. Основные характеристики генераторов частоты.

1.2. Обзор современных прецизионных кварцевых генераторов.

1.2.1 Классификация ТККГ.

1.2.2 Обзор термостатированных кварцевых генераторов.

1.2.3 Обзор методов проектирования ТККГ.

1.3. Методы компенсации температурной зависимости ТККГ на основе микросхем активной части.

1.3.1 Микросхемы с использованием полиномиальной функции компенсации.

1.3.2 Микросхемы на основе интерполирующей функции компенсации.

1.4. Методы поиска параметров компенсирующей функции для микросхем с полиномиальной функцией компенсиации.

1.4.1 Трудности, возникающие при измерении ТККГ на основе микросхем и поиске параметров компенсирующей функции.

1.5. Интерфейсы программирования ТККГ.

1.6. Выводы.

Глава 2. Исследование и разработка архитектур и методов реализации микросхем активной части ТККГ.

2.1. Постановка задачи на исследование и разработку модуля расчета компенсирующих напряжений для микросхем активной части ТККГ.

2.2. Архитектура модуля вычисления кодов компенсирующих напряжений (МВККН).

2.2.1 Общее описание архитектуры МВККН.

2.2.2 Методы исследование ошибок вычислений МВККН.

2.2.3 Исследование методов минимизации ошибки вычисления и выбора разрядности регистра результата.

2.2.4 Результаты исследования точности вычисления МВККН.

2.3. Схемотехнические методы реализации МВККН в микросхеме активной части ТККГ

2.4. Исследование МВККН в составе микросхемы активной части ТККГ.

2.4.1 Площадь МВККН.

2.4.2 Исследование функционирования МВККН в составе микросхемы активной части ТККГ.

2.5. Выводы.

Глава 3. Исследование и разработка методов определения параметров компенсирующей функции для микросхем активной части ТККГ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Управляющий блок на основе цифрового вычислителя полиномиальных функций.

3.3. Архитектурные особенности микросхемы управляющей части ТККГ.

3.4. Автоматизация измерения параметров сборки микросхема активной части генератора -кварцевый резонатор.

3.5. Автоматизация поиска параметров компенсирующей функции.

3.5.1 Характеризации тепловой модели ТККГ.

3.5.2 Поиск оптимальных значений параметров функции компенсации.

3.6. Результаты измерений и компенсации ТККГ.

3.1. Выводы.

Глава 4. Асинхронный последовательный интерфейс для программирования микросхем активной части ТККГ.ЮЗ

4.1. Метод передачи данных асинхронного последовательного интерфейса программирования ТККГ.

4.2. Протокольный уровень асинхронного последовательного интерфейса программирования ТККГ.

4.3. Описание режимов работы и основных команд модуля КИП для микросхем активной части ТККГ.

4.4. Схемотехническая реализация модуля КИП.

4.5. Выводы.

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке микросхем для компенсации температурной нестабильности выходной частоты кварцевых генераторов, а также методам определения параметров компенсирующих функций и интерфейсам программирования для их настройки.

Актуальность темы диссертации

С ростом количества используемых частотных диапазонов и увеличением их загруженности, существенно повысились требования к стабильности опорной частоты для работы систем связи. Повышенные требования к стабильности частоты предъявляются также в системах глобального позиционирования, радиоастрономии, измерительных, медицинских и других приборах и системах. Основным типом устройств, используемых в таких системах в качестве опорных источников частоты, являются термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ). В случае использования ТККГ в мобильных и космических системах повышенные требования предъявляются не только к стабильности выходной частоты генератора, но и к массогабаритным показателям генератора.

С точки зрения компенсации температурной зависимости частоты, структура ТККГ может быть разделена на пассивную часть, представляющую собой генератор, управляемый напряжением, и активную часть, управляющую генератором, в зависимости от температуры окружающей среды.

С развитием микроэлектроники, все большее распространение получают ТККГ с использованием активной части, выполненной на основе ИС. Данный тип ТККГ обладает существенно меньшими размерами и весом, меньшим энергопотреблением и большей надежностью, по сравнению с ТККГ на основе дискретных элементов.

Основной задачей активной части ТККГ является расчет компенсирующей функции, параметры которой индивидуальны для каждого ТККГ, зависят как от параметров кварцевого резонатора, так и от параметров остальных элементов системы и определяются на этапе настройки ТККГ. В случае использования микросхемы активной части этап поиска параметров компенсирующей функции существенно затрудняется из-за невозможности исследования параметров отдельных элементов системы, что ведет к снижению точности настройки ТККГ.

Кроме того, площадь модуля вычислителя компенсирующей функции, построенного на основе традиционных методов организации вычислений, занимает до 50% кристалла активной части ТККГ, а использование синхронных последовательных интерфейсов для задания параметров компенсирующей функции требует использования дополнительных выводов корпуса ТККГ.

Таким образом, в настоящее время, разработка методов проектирования микросхем активной части ТККГ, позволяющих уменьшить размеры и обеспечить необходимый уровень точности расчетов компенсирующей функции, а так же, методов ускорения и автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, являются актуальными и своевременными задачами.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке методов проектирования цифровых схем расчета компенсирующей функции, позволяющих обеспечить высокую точность вычислений, низкое энергопотребление и небольшую площадь, занимаемую на кристалле активной части ТККГ, и методов автоматизации поиска параметров компенсирующей функции, позволяющих увеличить точность настройки компенсирующей функции, реализованной в микросхеме.

Задачи исследования. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование основных проблем препятствующих увеличению степени компенсации и уменьшению размеров ТККГ.

2. Исследование помех, вносимых цифровым модулем вычисления компенсирующей функции в работу остальных частей микросхемы активной части ТККГ.

3. Разработка архитектуры цифрового модуля расчета компенсирующих напряжений, позволяющей сократить площадь вычислителя, занимаемую на кристалле ИС активной части ТККГ и обладающей минимальной ошибкой вычисления заданной функции.

4. Разработка методов снижения помех, вносимых цифровыми блоками микросхемы активной части ТККГ в работу устройства.

5. Исследование и разработка интерфейса для управления активной частью ТККГ, позволяющего осуществлять двунаправленный обмен данными, обладающего высокой надежностью и использующего минимальное количество выводов корпуса ТККГ.

6. Исследование и разработка модуля контроллера интерфейса, позволяющего использовать наименьшее количество выводов корпуса.

7. Разработка методики ускоренного нахождения параметров компенсирующей функции ТККГ.

8. Экспериментальная проверка предложенных методов и решений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена новая архитектура модуля расчета полиномиальной функции компенсации для микросхем активной части ТККГ на основе последовательных вычислений.

2. Предложен метод реализации архитектуры модуля расчета компенсирующей функции на основе квази-самосинхронной схемотехники с использованием метода перераспределения задержек цепей управления сдвиговых регистров.

3. На основе исследования зависимости частоты от кодов компенсации и температуры предложена новая параметризованная температурная модель ТККГ.

4. Предложен метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ, основанный на использовании параметризованной температурной модели с применением методов целочисленного линейного программирования.

5. Для управления микросхемой активной части ТККГ разработан новый интерфейс передачи данных, использующий широтно-импульсный метод кодирования данных.

Практическая ценность работы

1. Разработанный по технологии 0.6 мкм на основе предложенной архитектуры модуль расчета функции компенсации, обладает более чем в 5 раз меньшей площадью, по сравнению с аналогичными модулями на основе известных архитектур.

2. Метод реализации модуля вычисления компенсирующих напряжений на основе самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей сдвиговых регистров, позволяет на 10% сократить среднее потребление тока и на 60% сократить пиковое потребление тока, что позволяет снизить как общее энергопотребление генератора, так и помехи, вносимые в шины питания и земли микросхемы.

3. Предложенная модель и метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ позволяют производить этап настройки генератора за один цикл температурных исследований.

4. Предложенный метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции позволяет снизить температурную нестабильность частоты до ±1.0 * 10"6.

5. Разработанный интерфейс управления активной частью ТККГ позволяет осуществлять двунаправленный обмен данными, используя при этом один вывод корпуса кристалла ТККГ.

Внедрение. Результаты работы внедрены и легли в основу серийно выпускаемых микросхем производства ЗАО «ГЖК Миландр» К5860ГН2, что подтверждено актами о внедрении.

Достоверность результатов

Достоверность разработанных методов и решений подтверждена результатами экспериментальных исследований тестовых образцов и серийно выпускаемых микросхем активной части ТККГ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Архитектура цифрового модуля расчета функции компенсирующих напряжений, основанная на последовательных вычислениях функции, с использованием схемы умножения по алгоритму Бута, позволяющая существенно сократить площадь кристаллов активной части ТККГ, сохранив при этом точность расчета компенсирующей функции.

2. Метод уменьшения шумов, вносимых цифровым модулем расчета компенсирующих напряжений в цепи питания, основанный на использовании квази-самосинхронной схемотехники с перераспределением задержек управляющих цепей.

3. Параметризованная температурная модель ТККГ на основе интерполяции измерения поведения выходной частоты в зависимости от температуры и параметров компенсирующей функции.

4. Метод определения оптимальных параметров компенсирующей функции на основе предложенной температурной модели.

5. Интерфейс для передачи параметров, необходимых для расчета компенсирующих напряжений, основанный на широтной модуляции данных, и модуль контроллера предложенного интерфейса, обеспечивающие надежную двунаправленную передачу данных и позволяющие сократить количество выводов корпуса ТККГ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

14-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2008;

Международной научной молодежной конференции по естественным и техническим дисциплинам "Научному прогрессу - творчество молодых", Йошкар-Ола, МарГТУ,2010;

Международной научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», Москва, МИЭТ, 2010.

17-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», Москва, МИЭТ, 2010.

Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School (MB-JASS), Москва, МИЭТ, 2011.

18-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011», Москва, МИЭТ, 2011.

Международной научной молодежной конференции по естественным и техническим дисциплинам "Научному прогрессу - творчество молодых", Йошкар-Ола, МарГТУ,2011;

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 13 научных работах, в том числе 6 статьях в периодических печатных изданиях, 5 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, тезисах 7 докладов на научно-технических конференциях.

4.5. Выводы

Таким образом, с помощью предлагаемого интерфейса передачи данных была решена задача уменьшения количества выводов термокомпенсированного кварцевого генератора.

Использование предлагаемого интерфейса предполагает небольшую площадь подчиненного контроллера (в случае изготовления по технологии 0,6 мкм площадь составляет 529*250 мкм2, рисунок 4.14) и возможность реализации программатора практически на любом серийно выпускаемом микроконтроллере.

Основное преимущество предлагаемого интерфейса, возможность использования одного вывода для двунаправленной передачи данных, совместно с предлагаемыми в настоящей работе методами уменьшения площади кристалла активной части ТККГ, позволяет использовать четырехвыводные корпуса малых размеров.

Кроме того, в протоколе интерфейса заложена возможность использования специальных команд, таких как управление временем воздействия высокого напряжение при программировании ячеек ПЗУ микросхемы.

Рисунок 4.17 Топология модуля КИП ТККГ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К основным результатам представленной диссертационной работы можно отнести следующее:

1. Проведено исследование существующих в настоящее время конструкций ТККГ, определены основные трудности, препятствующие увеличению температурной стабильности ТККГ, обладающих наименьшими размерами.

2. Обоснован выбор конструкции ТККГ на основе микросхемы управления выходной частотой генератора, с использованием полиномиальной функции компенсации, как наиболее перспективной для реализации ТККГ, обладающих наименьшими размерами и высокой температурной стабильностью частоты.

3. Разработана новая архитектура цифрового модуля расчета функции компенсации, позволяющая существенно сократить размеры микросхем активной части ТККГ.

4. Предложен метод реализации архитектуры модуля расчета компенсирующей функции, позволяющий существенно сократить как шумы, вносимые цифровым модулем вычисления компенсирующей функции в цепи земли и питания, так и общее потребление микросхемы.

5. Разработаны и предложены методика измерения, параметризованная температурная модель и метод поиска оптимальных параметров компенсирующей функции ТККГ, позволяющие осуществлять настройку устройства за один цикл температурных исследований.

6. Предложен новый интерфейс управления микросхемами активной части ТККГ и контроллер интерфейса, обладающие минимальным количеством выводов и небольшой площадью, занимаемой на кристалле.

Таким образом, в результате выполнения работы был предложен комплекс методов и решений позволяющий реализовать ТККГ с габаритными размерами 5*3мм2, обеспечив при этом высокий уровень стабильности частоты до 0.5 ррт (Рисунок 5.1).

Рисунок 5.1. Топология микросхемы активной части ТККГ.

Площадь микросхемы активной части ТККГ, разработанной с помощью предложенных методов по технологии 0,6мкм составляет около Змм2 (Рисунок 5.1).

Ьяшй С5В

Рисунок 5.2. Разработанный на основе предложенных методов ТККГ.

Применение предложенных в работе методов поиска параметров компенсирующей функции позволяет осуществлять полный цикл настройки ТККГ за один цикл температурных исследований. Изображения ТККГ в сборе с резонатором и микросхемы активной части ТККГ в корпусе представлены на рисунке 5.2.

1. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. И., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984, 232 с.

2. Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты. -М.: Связь, 1974, 276 с.

3. Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых автогенераторов. — М.:Связь, 1975, 304 с.

4. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н.Н., Завьялов В.Д. Цифровая компенсация температурной нестабильности частоты кварцевых генераторов. //Техника средств связи, сер. ТРС, вып. 7, 1981, с. 139-145.

5. Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / Под ред. Г. Т. Шитикова. — М.: «Советское радио», 1974, 376 с.

6. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые генераторы. М.: Радио и связь, 1974, 232 с.

7. Семиглазов AM. Кварцевые генераторы. - М.: Радио и связь, 1974, 272 с.

8. Frerking М.Е. Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation. N.Y., Van Nostrand, 1978.

9. Земляков В.Л. Проектирование и исследование пьезоэлектрических кварцевых генераторов. Ростов-на-дону, 2009, 28 с.

10. Ramon М. Cerda. Understanding TCXOs//Microware product digest.- April, 2005,- p. 42

11. Сердюков C.H., Исследование и разработка методов повышения качества и надежности пьезоэлектрических резонаторов. Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики, Москва, 2010.

12. Ballato A. Temperature compensated crystal oscillator (TCXO) design aids: frequency-temperature resonator characteristics as shifted by series capacitors .- US Research and development technical report ADA041075.- USA, New Jersey,- 1977.

13. Kai-Steffen Jens Hielscher. Measurment-Based Modeling of Distributed Systems. Erlangen, 2008.

14. D. Li, J. Nielsen, G. Lachapelle, "Phase Coherency of CDMA Caller Location Processing Based on TCXO Frequency Reference with Intermittent GPS Correction"// Proceedings of Wireless, Calgary, Canada. -2005.

15. Yogesh Tugnawat, William Kuhn. Low Temperature Performance of COTS Electronic Components for Future MARS Missions// 12th NASA Symposium on VLSI Design, Coeur d'Alene, Idaho, USA, Oct. 4-5, 2005.,-pp.1-9.

16. Larry D. Vittorini, Brent Robinson. Receiver Frequency Standards Optimizing Indoor GPS Performance. // GPS World.,-2003.-pp.40-48.

17. Тумайкин Д. Прецизионный термометр на основе пьезочастотных датчиков температуры для промышленного применения. //Современная электроника.-№6.-2006.-сс. 56 -57.

18. А.С. № 1084938 (СССР). Термокомпенсированный кварцевый генератор. Багаев В.П., Косых А.В, Лепетаев А.Н. Опубликовано в Б.И. № 13, 1984

19. Deno S., Hahnlen С, Landis D., Aurand R. A Low Cost Microcontroller Compmsated Crystal Oscillator. //Proc. of the 1997 IEEE International Frequency Control Symposium. 28-30 May 1997, Orlando, Flofida, U.S.A., pp. 954 -958.

20. Kosykh A. V, Lepetaev A. N. Algorithmic optimization of spectral and temperature characteristic of MTCXO. //Proc. 2003 IEEE International Frequency Control Symposium, Tampa, Florida, USA, 2003, pp. 450 457.

21. Zhou W., Wang Y., Bai L., Chen C, Zhou H., Liu C, Li J., Jia J. A MCXO test system and its function in MCXO performances. //Proc. 2001 Joint Meeting FTF-IEEE IFCS. Pp. 794 798.

22. Патент № 2366038 (РФ). Способ изготовления кварцевых резонаторов м линейной температурно-частотной характеристикой.// Дронов-Дувалджи Н. Д., Полубесов Г. С., 2006 г.

23. Вороховский Я. Прецизионные кварцевые генераторы и генераторы для современных радиоэлектронных комплексов.// Электроника: наука, технологии, бизнес. №1. - 2010. - сс.34 - 38.

24. Масаки Ямашита. Новые кварцевые генераторы фирмы Daishinku для мобильной связи и GPS-навигации. //chip news.- №9(133).-2008.-с.45-47

25. Белов Л. Кварцевые генераторы и фильтры компании vectron international. // Электроника: наука, технологии, бизнес. -№2.-2007.-ее.46-54.

26. Гусев А. Современные кварцевые генераторы компании Rakon// Компоненты и технологии. №10. - 2006. - сс.46 - 54.

27. Яковлев С., Ильичев В. Высокостабильные малошумящие термокомпенсированные кварцевые генераторы базовые модели и их развитие. // Chip News. - №1(843).- 2004,- сс. 48 - 52.

28. Савишкин В. Термостатированные кварцевые генераторы с температурной компенсацией. // Chip News. №2(105).- 2006.- сс. 44-46.

29. Харди Н. ИС кварцевого генератора с температурной компенсацией. // Chip News. №6(109).- 2006,- сс. 36-37.

30. Белов Л. Кварцевые генераторы со сверхнизким уровнем фазового шума компании pascal electronics.// Электроника: наука, технологии, бизнес. №5. - 2009. - сс.52 - 53.

31. Белов Л. Синтезаторы стабильных частот.// Электроника: наука, технологии, бизнес. №3. - 2004. - сс.38 - 44.

32. Георгий Кон. Технологии стабилизации частоты Rakon: от истоков телекома к вершинам радионавигации//Электронные компоненты. -№11. -2008. -СС.1 -3.

33. Ali Hajimiri. A General Theory of Phase Noise in Electrical Oscillators // IEEE Journal of solid-state circuits,. vol. 33.- №2,- 1998.-pp. 179194

34. Patrik Larsson. Measurements and Analysis of PLL Jitter Caused by Digital Switching Noise.// IEEE, Journal of solid-state circuits,. vol. 36.- №7.-2001.-pp.1113-1119.

35. Behzad Razavi, A Study of Phase Noise in CMOS Oscillators.// IEEE, Journal of solid-state circuits,, vol. 31.- №3,- 1996.-pp.331-343.

36. Thomas H. Lee, Oscillator Phase Noise: A Tutorial.// IEEE, Journal of solid-state circuits,. vol. 35,- №3,- 2000.-pp.326-336.

37. Лепетаев A.H., Улучшение спектра выходного сигнала кварцевых генераторов с цифровой компенсацией путем оптимизации системы кварцевый резонатор синтезатор компенсирующей функции. -Омский Государственный Технический Университет, ОМСК, 2007.

38. Takehiko A. A Realization Method of CMOS Temperature Characteristics Compensation Circuit for TCXO.//Papers of Technical Meeting on Electronic Circuits. 2005 . - Vol. ECT-05. - no. 56-59, - pp. 13-18.

39. Achenbach, R. Feuerstack-Raible, M. Hiller, F. Keller, M. Meier, K. Rudolph, H. Saur-Brosch, R., A digitally temperature-compensated crystal oscillator. // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2000. - Vol. 35. - N 10. - P. 1502- 1506.

40. Dupont F., Stellmacher M., Camut D., «ARMMS,» в High Stability Microcontroller Compensated Crystal Oscillator, Northamptonshire, 2009.

41. Mark A. Haney. Design Technique for Analog Temperature Compensation of Crystal Oscillators. Blacksburg, Virginia, 2001.

42. Wei Zhou, Hui Zhou, Zongqiang Xuan, Wenqing Zhang. Comparison Among Precision Temperature Compensated Crystal Oscillators.// IEEE Frequency Control Symposium and Exposition, 2005. .- p. 5.

43. US Patent № 5,777,524, Temperature compensation circuit for a crystal oscillator and associated circuitry / Carl E. Wojewoda, James F.Caruba, Richard N. Sutliff, 1998.

44. Minkyu Je, Kyungmi Lee, Joonho Gil, Hoi-Jun Yoo Hyungcheol Shin. Design of a Temperature-Compensated Crystal Oscillator Using the New Digital Trimming Method //.Journal of the Korean Physical Society,- Vol. 37, No. 6,2000,- pp. 822827.

45. Хоменко И.В., Косых А.В., Мейер В.П. Цифровая температурная компенсация в кварцевых генераторах. //Успехи современной радиоэлектроники. №11 . - 2011г.- сс. 67-70.

46. А.Н. Лепетаев, А.В. Косых, С.А. Завьялов, К.В. Мурасов. Интегральный ASIC кварцевый генератор с гибридной аналого-цифровой температурной компенсацией.// Омский научный вестник. №3. - 2011. -СС.294-299.

47. DS4026 datasheet, Maxim integrated products, www.maxim-ic.com

48. MAS6279 datasheetjvlicro Analog Systems Oy, www.mas-ov.com

49. Lam C.S., Chiang C.W. Development of Miniaturized Analog and Digital Temperature Compensated Crystal Oscillators. TXC Corporation, Ping Cheng City, Taoyuan County, Taiwan

50. A.C. № 243877 (СССР). Устройство для стабилизации частоты генераторов./А.Н. Дикиджи, J1.I1I. Дикиджи, J1.E. Ивлев, B.C. Теренько. -Опубл. В. Б.И., 1969, №17.

51. А.С. № 1241406 (СССР). Устройство для термокомпенсации кварцевого генератора /А.Н. Лепетаев, А.В. Косых, А .Я. Муляр. -Опубл. В. Б.И., 1986, №24.

52. Багаев В.П., Косых А.В., Лепетаев А.Н., Ионов Б.П., Завьялов С.А. Прецизионный кварцевый генератор с цифровой термокомпенсацией.// "Радиотехнические пьезоэлектрические устройства". Межвузовский сборник научных трудов.- Омск.- 1990.- сс.28-34.

53. Kroupa V.F., Stursa J., Cizel V., Svanova H. Direct digital Frequency Sinthesizers with the Е-Д arrangement in the PLL systems.//Proc. Of the 2001 IEEE international frequencu control symposium. 6-8 june 2001, Seatle, Washington, USA, pp 799-805.

54. Stofanic V., Balaz I., Miranic M., Digitally temperature compensated DDS.//Proc. Of the 2001 IEEE international frequencu control symposium. 6-8 june 2001, Seatle, Washington, USA, pp 816-819.

55. Taslakov M. Direct digital Sinthesizer with quasi continuous temperature compensation. //Proc. Of the 2001 IEEE international frequencu control symposium. 6-8 june 2001, Seatle, Washington, USA, pp 811-815.

56. Гусев С.В., Алексеев A.A., Шумилин С.С. Новый интерфейс передачи данных для программирования интегральных микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов. //Естественные и технические науки.-№4.-2011 ,-сс. 545-547.

57. Де Бур К. Практическое руководство по сплайнам.-М:Радио и связь, 1985, 303 с.

58. Банди Б. Основы линейного программирования. .-М.Радио и связь, 1989, 145 с.

59. Дж. Апберг, Э. Нельсон, Дж. Уолш. Теория сплайнов и ее приложения. М: Мир, 1972, 319 с.

60. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. М:Наука, 1980, 353 с.

61. Стечкин С.Б., Субботин Ю.Н. Сплайны в вычислительной математике. М:Наука, 1976, 248 с.

62. Лунгу К. Н. Линейное программирование. Руководство к решению задач. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, 128 с.

63. Булдаев A.C. Прямые методы решения задачи линейного программирования. Иркутск, 2000. 25 с.

64. Палий И. А. Линейное программирование. Учебное пособие — М.: Эксмо, 2008. — 256 с.

65. Гусев C.B. «Модуль вычисления компенсирующих напряжений для микросхем термокомпенисированных кварцевых генераторов» // «Естественные и технические науки»,», №5, 2012.

66. Алексеев A.A., Гусев C.B., Шумилин С.С., «Использование GALS-архитектуры с динамическим управлением синхросигналами для повышения энергоэффективности цифровых устройств» // «Известия высших учебных заведений. Электроника», №4,2011, с. 45-50.

67. Алексеев A.A., Гусев C.B., Шумилин С.С., «Новый интерфейс передачи данных для программирования интегральных микросхем термокомпенсированных кварцевых генераторов»// «Естественные и технические науки», №4,2011, с. 545-547.

68. Алексеев A.A., Гусев C.B., Шумилин С.С., «Метод формирования тестовых воздействий для измерений и тестирования систем на кристалле» // «Естественные и технические науки», №4,2011, с. 543-544.

69. Гусев C.B. «Двухъядерный микроконтроллер компании «Миландр» для высоконадежных применений.» // «Электронные компоненты», №7,2011, с.34-36.

70. Гусев С., Шумилин С. «Реализация многозадачных приложений на МК серии 1886.»// «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес.» №6 2009. с. 46-51.

71. Gusev Stanislav, Asynchronous circuits as alternative digital computing.// Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School. Moscow. 2011.

72. Гусев С.В. Алгоритм увеличения быстродействия аппаратного умножителя.// Тезисы докладов четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2008, сс.334-335.

73. Andrew D. Booth. A signed binary multiplication technique.//The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Volume IV, Pt. 2, 1951, pp. 236-240.

74. Ингерман М.И., Фромберг Э.М., Грабой Л.П. Термостатирование в технике и связи. Москва, 1979, 144с.

75. Апьтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г., Экономичные миниатюрные кварцевые генераторы. М: Связь, 1979, 160 с.

76. The l2C-bus specification. Version 2.1. // Philips semiconductor, document order number: 9398 393 40011, 2000.

77. J. Sparco, S. Furber. Principles of asynchronous circuit design A system perspective. - Kluwer academic publishers, 2001.

78. Jacobson H. Asynchronous circuit design. A case study of a dramework called ack. Department of Computer Engineering, Lulea University of Technology, 1996.

79. Hauck S. Asynchronous Design Methodologies: An Overview.// Proceedings of the IEEE, Vol. 83, No. 1, pp. 69-93, 1995.

80. Christian D. Evaluation of function block for asynchronous design. // Proceeding of the conference on European design automation, pp. 454-459.

81. I.E. Sutherland. Micropipelines. //Magazine Communications of the ACM, volume 32, issue 6, 1989

82. E. Keller. Building asynchronous circuits with JBits.// Lectures Notes in Computer Science, Springer-verlag GmbH.

83. Соколов И. А., Степченков Ю. А., Петрухин В. С., Дьяченко Ю. Г., Захаров В. Н. Самосинхронная схемотехника перспективный путь реализации аппаратуры. // Наукоёмкие технологии. - 2007. - №5-6. - С. 6173

84. Myers C.J. Asynchronous Circuit Design // John Wiley &. Sons. -New York, 2001.

85. Davis A., Nowick. S.M. An introduction to asynchronous circuit design. / Kent A. Williams J.G // The Encyclopedia of Computer Science and Technology.- New York : Marcel Dekker, 1998,-Vol. 38

86. Brzozowsky J.A, Seager C.-J.H. Asynchronous Circuits. // Monographs in Computer Science. 1994 : Springer Verlag.

87. Руткевич А., Стешенко В., Строганов Д., Шишкин Г., Самосинхронная электроника: направления развития. //Электроника: наука, технологии, бизнес. №8, 2009.

88. Бумагин А., Гондарь А., Куляс М., Стешенко В., Руткевич А.,Тайлеб М., Шишкин Г., Самосинхронные схемы. Принципы построения и элементная база. //Компоненты и технологии. №10, 2009.

89. Muller D. Е., Bartky W. S., A Theory of Asynchronous Circuits.// Proceeding of Int'l Symposium Theory of Switching, Part 1, Harvard University Press, pp. 204-243.

90. Брусенцов Н.П., Владимирова Ю.С. Компьютеризация булевой алгебры //Доклады Академии Наук. 2004. -№1. - С. 7-10

91. J. Teichmann, К. Burger, W. Hasche, J.Herrfurth, G. Taschner. One time programming (OPT) with Zener diods in CMOS processes. //European Solid-state device research.- 2003.-pp. 433 -436.

92. Donald T. Cormer. Zener Zap Anti-Fuse Trim in VLSI Circuits// Hindawi publishing corporation.- VLSI Design.-Volume 5, issue 1.-pp. 89-100.1996.

93. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников. Определения теоремы формулы. //Издание пятое. М.:Наука, 1984.

94. Ярославский М. И., Смагин А. Г. Конструирование, изготовление и применение кварцевых резонаторов. — М. : Энергия, 1971.

95. Плонский А. Ф. и др. Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках кварца. — М.: Связь, 1969.

96. Грановский P.A., Постников И.И., Добычина Е.М., Ельцов А.К. Расчет кварцевых генераторов. М.:МАИ, 1999.

97. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы М.: Наука, 1989.

98. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.

99. Схрейвер А. Теория линейного и целочисленного программирования. М.:Мир, 1991.