Page 1


содержание

№9/2009 8  Возможности роста рынка силовой электроники в ближайшем будущем 10  События рынка

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ

30 Кларк Киннэйрд Выбор оптимального соотношения между скоростью передачи сигнала по CAN-протоколу и длиной кабеля 34 Джеко Уилбринк Реализация High-speed USB на ядре Cortex-M3

11 Виктор Ежов Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования и тестирования. Часть 1

37 Тимоти Канг Как повысить скорость обмена по High-speed USB

17 Мори Вуд JEDEC JESD204A: передача нескольких потоков по одной линии связи

39 Альфредо Сааб, Шаста Томас Изолированный цифровой интерфейс для приемников и передатчиков токовой петли 4...20 мА

21 Екатерина Самкова Способы сохранения целостности сигнала на высоких частотах 25 Слободан Мильевич Технология синхронизации Ethernet-сети

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ ПРИБОРЫ 43 Майкл Бриер Силовые транзисторы на базе GaN: новая платформа для преобразователей напряжения

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подпис­ка: Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­ сия ре­дак­ции. При пе­ре­пе­чат­ке ма­те­ри­а­лов ссыл­ка на жур­нал «Эле­к­трон­ные ком­по­нен­ты» обя­за­тель­на. От­вет­ст­вен­ность за до­сто­вер­ность ин­фор­ма­ции в рек­лам­ных объ­яв­ле­ни­ях не­сут рек­ла­мо­да­те­ли. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 01.09.2009 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

электронные компоненты

www. elcp.ru


49 Сампат Шекхават, Боб Броквэй Специфика применения IGBT-транзисторов в различных приложениях

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 53 Олег Дворников, Виталий Гришков, Тимофей Натаров Проектирование аналоговых микросхем на МОПтранзисторах. Часть 2. Выбор режима работы и размеров МОП-транзисторов

МК и DSP

содержание

4

57 Леон Адамс, Адриан Валенцуэла, Джефф Фэлин Как понизить энергопотребление процессорных систем 61 Владимир Бродин Отечественные модули на микроконтроллерах PiccoloTM и DelfinoTM компании Texas Instruments

ПЛИС и СБИС 65 Алексей Бумагин, Алексей Гондарь, Михаил Куляс, Александр Руткевич, Владимир Стешенко, Али-Мехди Тайлеб, Григорий Шишкин Самосинхронные схемы. Принципы построения и элементная база

www. elcp.ru

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 69 Александр Райхман Приборы защиты от перенапряжения компании STMicroelectronics

ПОСЛЕ РАБОТЫ 73 От редакции 74 Александр Квашин GSM-интеллектуальное управляющее охранное устройство ВМ8039 76 Кристиан Тавернье Десульфатация пластин аккумулятора 79  НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ


contents # 9 / 2 0 0 9 E LEC TRO N IC COM PO N E NTS 20 0 9 #9

8  Specific Opportunities for Power Electronics Growth in 2009 10  MARKET EVENTS

NETWORKS and INTERFACES

ANALOG 53 Oleg Dvornikov, Vitaly Grishkov and Timofey Natarov Designing Analog MOSFET-Based ICs. Part 2. Operating Mode and Sizing MOSFETs

MCU and DSP

11 Victor Ezhov HDMI and DisplayPort Interfaces: Design and Testing. Part 1

57 Leon Adams, Adrian Valenzuela, and Jeff Falin Squeeze Power Efficiency out of Processor-Based Designs

17 Maury Wood Technical Analysis of the JEDEC JESD204A Data Converter Interface

61 Vladimir Brodin Domestic Units Based on PiccoloTM and DelfinoTM Microcontollers from Texas Instruments

21 Ekaterina Samkova Maximize High-Speed Signal Integrity 25 Slobodan Milijević An Introduction to Synchronized Ethernet 30 Clark Kinnaird Signaling Rate Versus Cable Length: The CAN-Bus Timing Trade-off 34 Jacko Wilbrink Beefing up the Cortex-M3-Based MCU to Handle 480 Mbps High-Speed USB 37 Timothy Kung Why Hi-Speed USB Doesn't Always Mean High Speed Performance 39 Alfredo Saab and Shasta Thomas PWM-Controlled 4-20 mA Current-Loop Transmitter Provides Galvanic Isolation

DISCRETE POWER DEVICES 43 Michael Briere GaN-Based Power Device Platform. The Arrival of a New Paradigm in Conversion Technology

FPGA and VLSIC 65 Alexey Bumagin, Alexey Gondar, Mikhail Kulyas, Alexander Rutkevich, Vladimir Steshenko, Ali-Mehdi Taileb and Grigory Shishkin Self-Synchronizing Circuits. Design Principles and Components

PASSIVE 69 Alexander Raikhman Surge Protection Devices from STMicroelectronics

AT LEISURE

5

73 Editorial Note 74 Alexander Kvashin Smart Vandalism Protection GSM-Based Arrangement 76 Christian Tavernier Desulphater for Car Batteries 79  NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

49 Sampat Shekhawat and Bob Brockway The Application-Specific Power Semiconductors

электронные компоненты  №9 2009

содержание

MARKET


Компании:

производители, дистрибьюторы, поставщики

коротк. обл. Agilent Technologies Inc. пред-во в РФ 7 EEMB 2-я обл. Farnell 23 Mean Well 2 Microchip Technology Corp. 55 Treston

52 Александер Электрик Дон, ООО 56 Александер Электрик источники электропитания, ООО 48 Альтоника, ООО 15, 51 Аргуссофт 35 Гранит-ВТ, ЗАО Спб 48 ГРПЗ ФГУП 36 Инконнекс, ООО 31, 41, 4-я обл. Компэл, ЗАО 77 Мастер Кит 50 Миландр, ЗАО 13 МТ-Систем, ООО 72 МЭЛТ, ООО 71 Примэкспо, ООО 38 Радиокомплект, ООО 4 Резонит, ООО 52 Реом СПб, ЗАО

6

19 Светотроника содержание

3-я обл. Симметрон, ЗАО 27 Синтез Микроэлектроника, ЗАО 59 СМП, ООО 60 Старт НПП, ОАО 63 Терраэлектроника, ООО 45 Техносфера РИЦ 59 УнивесалПрибор, ООО 68 ФарЭкспо 78 ЧипЭКСПО, ЗАО 33 Электроконнект, ООО 52 Элитан, ЗАО 1 Элтех, ООО

www. elcp.ru


Возможности роста рынка силовой электроники в ближайшем будущем Производители силовой электроники переживают трудные времена, связанные с экономическим кризисом. Несмотря на существующий спрос на источники питания, ожидается, что в 2009 г. каждая группа продукции претерпит по меньшей мере временный спад. В статье, написанной на основе [1, 2], в общих чертах определены возможности роста мирового рынка силовых устройств в ближайшее время, связанные с несколькими новыми приложениями, которые могут повысить спрос на встраиваемые AC/DC-преобразователи, силовые инверторы, микросхемы управления питанием и электронные балласты. Возможно, некоторые выводы этой заметки применимы и к реалиям российского рынка.

рынок

8

Несмотря на рецессию, некоторые сегменты рынка набирают силу благодаря государственным мерам стимулирования экономики, стандартам регулирования энергоэффективности, конкурентному ценообразованию и усовершенствованию архитектуры силовых устройств. В результате на рынке мгновенно возникает спрос на силовые преобразователи для тех или иных приложений. Эти растущие возможности составляют лишь малую часть всего рынка, однако они могут обеспечить потребность в миллионах единиц продукции. Например, потребление солнечной энергии составляет менее 5% от всего объема энергоснабжения США, однако потенциал этого сектора рынка при росте на 38% в течение 2009 и 2010 гг. составляет более одного миллиона инверторов. Подобные ниши на терпящих спад рынках очень важны для компаний, пытающихся повысить объемы продаж. Спад рыночного спроса главным образом отражается на крупнейших компаниях. Например, при сокращении рыночной доли «Майкрософта» в результате рецессии такие фирмы среднего размера как Red Hat могут увеличить свою долю присутствия на рынке. Законопроект США по стимулированию экономики предусматривает инвестиции в размере 50 млрд долл. на программы повышения энергоэффективности и создание установок для преобразования возобновляемых видов энергии. Кроме того, правительство выделило 30 млрд долл. на создание интеллектуальных энергетических сетей, в т.ч. на инвестиционную программу интеллектуальной коммуникационной инфраструктуры Smart Grid (Smart Grid Investment Program) и на совершенствование технологии создания аккумуляторных батарей.

www.elcp.ru

Европейские правительства также заявили о стимулирующем «зеленом» пакете размером около 1,2 млрд евро на реконструкцию сетей общественных зданий и транспортных сетей. В рамках программы ООН по защите окружающей среды в конце 2008 г. стартовала инициатива Green Economy Initiative, способствующая развитию «зеленой» экономики и оживлению деловой активности. Япония объявила о намерении расширить рынок экологичной продукции и создать до одного миллиона рабочих мест с помощью таких мер как беспроцентные займы для производителей экологичных изделий. Южная Корея заявила об инвестициях на сумму 38 млрд долл. в течение последующих четырех лет в ряд проектов в сфере экологии, которые позволят создать 960 тыс. рабочих мест. Китай разработал план стимулирующих мер объемом в 4 трлн юаней, направленных на совершенствование экономического положения населения, научные исследования и разработку, защиту окружающей среды и т.д. Китайский министр охраны окружающей среды сообщил, что этот инвестиционный план поможет и работникам, занятым в производстве установок для возобновляемых источников энергии и борьбы с загрязнением среды. Производимые компаниями источники питания предназначены для широкого ряда разных приложений. Ожидается, что в период 2009—2010 гг. у некоторых из этих приложений будут большие возможности, чем у других. Так например, ключевой рынок AC/ DC-преобразователей для компьютеров, потребительской техники и связи сократится, в то время как неосновные сегменты, наоборот, получат свое дальнейшее развитие. В этих случаях поставщикам электроники важно знать, где искать воз-

можности по увеличению продаж. Например, рынок твердотельной осветительной техники является быстро развивающимся подсегментом рынка AC/DC-преобразователей. Без этого сегмента совокупный объем продаж падает, а благодаря ему рынок AC/ DC-преобразователей будет до 2013 г. расти быстрее рынка DC/DC-пре­об­ разователей со скоростью 5,1% в 2009 г. Другая тенденция — реализация энергоэффективных систем и приборов. Ожидается, что эти небольшие развивающиеся рынки благодаря стимулирующим мерам, гибкой налоговой политике и государственному регулированию приведут к росту продаж инверторов, AC/DC-преобразователей и микросхем, предназначенных для управления питанием. Многие отчеты о состоянии отрасли сообщают о спаде спроса на крупномасштабных рынках, игнорируя малые сегменты этих рынков, которые на самом деле испытывают рост. В ближайшие несколько лет спрос на системы силового преобразования увеличится благодаря тому, что все большее внимание уделяется вопросам энерго­ сбережения. Потребности в инверторах для транспортных средств и систем возобновляемой энергии существенно разные, в зависимости от приложения и страны. Например, в странах, где действуют правила, предусматривающие малый выход загрязняющих веществ, а также активно применяются энергоэффективные и «зеленые» технологии, предпочтение отдается инверторам, а не генераторам. Азиатский рынок инверторов имеет ряд существенных отличий от европейского. Требования к экологичности продукции являются определяющими в Японии, однако ее рынок сравнительно мал. Основное внимание производителей инверторов сосредоточено на


ковые сети разворачиваются быстрее, чем в других странах. В этой сфере деятельности высокую активность проявляют Корея и Япония; ожидается, что Китай последует их примеру. Налоговые скидки предоставляются тем компанияразработчикам, которые интегрируют энергосберегающие технологии, повышающие экологичность своих решений. Похоже, такие инициативы имеют определяющий характер во времена спада, т.к. они предусматривают снижение стоимости установки. Известно, что в США вопросы энергосбережения носят самый высокий приоритет в научных исследованиях и разработке технологий беспроводных датчиковых сетей. В странах ЕЭС финансирование исследований и разработки этих сетей выросло в семь раз за последние пять лет. В других регионах, например в Австралии, Канаде, Китае и Южной Корее эти инициативы также нашли широкий отклик. В условиях экономического кризиса вопросы энергоэффективности и экономии неизбежно привлекают самое пристальное внимание со стороны участников рынка, что, в свою очередь, позволяет инвестировать средства в системы с большей степенью автоматизации и эффективности. Оценивая прошедшие годы с точки зрения нынешнего кризиса, можно сделать вывод о том, что стремление производителей добиться максимально возможной прибыли оказалось в высшей степени сомнительным, — достаточно вспомнить про бонусы топ-менеджерам, биржевую стоимость акций, прямое инвестирование и хеджфонды. Похоже, что до самого начала кризиса успех бизнеса оправдывал поведение компаний. Столкнувшись с экономическими трудностями и понеся потери, бизнес изменил отношение к прошлым приоритетам. Похоже, что благодаря этой рецессии общество пережило катарсис, осознав свои ошибки. Политические усилия, направленные на контроль финансовых рынков, являются одним из не менее очевидных свидететельств катарсиса, чем суровое порицание того, как развивался

рынок последние годы. Имеются все основания предположить, что социальное поведение участников рынка, в т.ч. согласованные взаимоотношения между ведущими промышленными странами, претерпевает изменения в соответствии с учением Канта о знании, приводя к появлению более жизнеспособной экономики: «Действуй так, как если бы каждое твое деяние могло стать всеобщим законом природы». Но что это в целом значит для больной экономики и для производства силовых полупроводников, в частности? По всей видимости, игрокам рынка придется заново доказать ценность своей компетенции, опыта и знаний или даже в большей степени опираться на них, чем на исследования, прогнозы и мнения со стороны, а затем спросить себя еще раз: «Где мы? Куда направляемся? Насколько реалистичны наши цели? Что надо сделать, чтобы достичь их?». Осознанные ответы на эти вопросы заложат тот самый фундамент, который позволит в будущем сглаживать чрезмерные колебания экономики, в т.ч. благодаря большей устойчивости индустрии силовой электроники. В настоящий момент можно определить следующие ориентиры, которые позволят нащупать твердую почву под ногами и не потерять ее в будущем: – устойчивый рост, который не обязательно должен исчисляться двузначными цифрами; – корпоративное финансирование с разумным привлечением внешнего капитала; – кадровая политика с упором на преемственность; – эффективная реакция компаний с сокращенным штатом или производством на потребности динамической рыночной среды; – стремление к инновациям; – широта взглядов. Литература 1. Linnea Brush. Eight Opportunities for Growth in 2009//www.bodospower.com. 2. Wolfgang, Ademmer. Catharsis //www. bodospower.com.

НОВОСТИ МУЛЬТИМЕДИА

| Электронная книга iRex DR800SG с 8,1-дюймовым экраном и поддержкой 3G | Состоялся анонс новой электронной книги iRex DR800SG компании iRex Technologies. Новинка представляет собой книгу с 8,1-дюймовым дисплеем. Она оснащена модулем Qualcomm Gobi для поддержки сотовой связи третьего поколения. Устройство имеет 2 Гбайт внутренней памяти и слот для карт памяти. Для просмотра доступны форматы PDF, EPUB, Newspaper Direct, Fictionwise, eReader и TXT. Управление производится при помощи стилуса или сенсорной клавиатуры. DR800SG будет использовать в США сеть оператора Verizon (и GSM 3G в роуминге). Стоимость электронной книги iRex DR800SG составит 399,9 долл. Ее выпуск запланирован на октябрь 2009 г. Ожидается также выход цветной версии во II кв. 2010 г., тогда же ожидается начало продаж в Европе. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты  №9 2009

9 рынок

экспортных рынках и в первую очередь — на Северной Америке и Европе. Китайские производители в основном работают на зарубежные массовые рынки. Стимулирующий пакет США отводит 16,8 млрд долл. на деятельность Бюро внедрения технологий энергоэффективности и возобновляемой энергии (Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy), что почти в 10 раз больше предыдущего отчисления средств. Ожидается, что объем займов превысит 60 млрд долл. Например, с 2001 г. среднегодовой темп роста в сложных процентах (CAGR — Compound Annual Growth Rate) для установленной мощности мирового рынка солнечной энергетики увеличился примерно на 40%, в первую очередь за счет таких стран как Германия, Испания и США. Германия является мировым лидером по установке преобразователей импульсного напряжения. За ней следуют Испания, Япония и США. Рынок преобразователей импульсного напряжения существенно изменяется в зависимости от региона. В настоящее время лидером по этому показателю является Европа, после которой следуют США и Азия. Доля Японии на мировом рынке упала за последние несколько лет из-за прекращения дотаций на эти устройства, но предполагается, что она восстановится к 2010 г. Таким образом, доля азиатского рынка может снова увеличиться. Энергоэффективность стала определяющим фактором роста применения таких новых технологий как беспроводные датчиковые сети. Большой коммерческий спрос на новые и альтернативные технологии наблюдается даже во времена расцвета деловой активности, поэтому финансовый кризис не в состоянии существенно изменить эту тенденцию. Таким образом, экономический спад может стимулировать рост интереса к такой продукции. Стандарты энергоэффективности упрощают не только начальную установку этих систем, но и их эксплуатацию в течение всего жизненного цикла. В общей сложности в Европе и США беспроводные датчи-


События рынка

| ARM Developers Forum 2009: смотр достижений ARM-технологии | 17 сентября 2009 г. в Москве прошла Вторая Международная конференция ARM Developers Forum, организованная ИД «Электроника» совместно с компанией ARM. Форум был посвящен актуальным вопросам применения технологии ARM в процессорах для телекоммуникационного оборудования, устройствах приема цифрового телевидения, в автомобильной мультимедийной аппаратуре, а также в решениях для устройств промышленной автоматики, систем безопасности и контроля доступа.

новос ти

10

В этом году конференция собрала более 130 участников — российских и зарубежных разработчиков решений на платформе ARM из различных отраслей. Конференция состояла из пленарной части и двух секций. Пленарную часть открыл региональный директор по развитию бизнеса компании ARM Атул Арора (Atul Arora). Докладчик отметил, что в настоящее время технология ARM используется примерно в четверти всех продающихся в мире устройств — от сотовых телефонов до мультимедийных устройств. Наивысшим достижением компании является семейство ядер Cortex, состоящее из трех групп. В младшую группу M (Microcontroller) входят три ядра — M0, M1 и M3. Это встраиваемые процессоры для применения в микроконтроллерах и низкопотребляющих приложениях. На ступень выше них находятся процессоры группы R (Real Time), предназначенные для встраиваемых систем управления. Верхнюю ступень занимает группа A (Application) с двумя ядрами A8 и A9, ориентированными на сложные прикладные задачи. Ожидается, что нетбуки на этих процессорах будут отличаться высокой энергоэффективностью. Эрик Лалардье (Eric Lalardie), директор по развитию бизнеса компании ARM, представил новый продукт компании — двухъядерный 40-нм процессор Cortex A9 с частотой 2 ГГц и потреблением 1,9 Вт, которое уменьшается до 500…600 мВт за счет динамического снижения частоты до 1 ГГц. По оценкам компании, производительность нового 2-ГГц процессора Cortex A9 выше, чем у использующегося в нетбуках 1,6-ГГц Intel Atom N270. Ст. инженер компании ARM Клаус Кочинский (Klaus Koschinsky) познакомил участников конференции с IP-продуктами и сервисами ARM для разработчиков МК, СнК и встраиваемых модулей. Сергей Шумилин, нач. отд. разработки ИС ПКК «Миландр», представил новую разработку компании — серию 32-разрядных МК 1986ВЕ91* на базе ядра Cortex M3. Этот микроконтроллер имеет расширенный диапазон рабочих температур и предназначен для аппаратуры спецназначения. Региональный менеджер компании ST Microelectronics Томас Ансерги (Thomas Ensergueix), представил семейство 32-разрядных МК STM32 ARM® CortexTM-M3. Это семейство предоставляет широкий выбор вариантов конфигураций для приложений, инструментальные средства разработки и демонстрационные платы. Директор компании «Симэкс» Сергей Копытин познакомил аудиторию с инструментальными средствами разработки для ARM-контроллеров на примере RealView Microcontroller Development Kit с интегрированной средой разработки µVision, аппаратными средствами отладки МК ULINK2 и оценочными платами. Руководитель инженерной группы компании «МТ-Систем» Виктор Лымарь рассказал об особенностях продуктовой линейки ARM-микроконтроллеров NXP, преимуществах и недостатках этих устройств. Василий Басов, руководитель московского представительства Texas Instruments, представил МК Stellaris на базе Cortex-M3. TI приобрела в мае 2009 г. компанию LuminaryMicro — лидера в производстве МК с ядром Cortex-M3 — и расширила линейку продуктов с ARM-архитектурой микроконтроллером общего назначения семейства Stellaris. Ген. директор фирмы «Фитон» Юрий Зобнин познакомил участников конференции с инструментальными средствами для ARM7, ARM9 и Cortex-Mx, разработанными компанией. «Фитон» предлагает интегрированную среду разработки CodeMaster-ARM, компиляторы Си для семейства ARM, отладочные программные и аппаратные средства и универсальные программаторы. Владимир Бродин, рук. отд. разработки компании «Терраэлектроника», представил встраиваемые модули на основе МК ARM7, разработанные этой фирмой. Ст. директор Marvell Technology Аркадий Кац рассказал об основных направлениях деятельности компании — крупного разработчика и производителя процессоров и СнК на базе ядер ARM для портативных устройств. Интегрированные решения компании отличаются низкой потребляемой мощностью и широкими функциональными возможностями. С докладом «Построение встраиваемых систем на базе ОСРВ QNX», в котором был сделан обзор архитектуры ОС жесткого реального времени QNX, выступил ген. директор компании «СВД Встраиваемые системы» Александр Варварик. Разработчики встраиваемых систем на базе ARM все чаще останавливают свой выбор на ОС QNX Neutrino, что объясняется также тем, что в ней реализована поддержка ARM. После перерыва работа конференции продолжилась в секциях «Телеком и мультимедиа» и «Промышленная автоматизация и системы управления ответственного назначения». На этих секциях докладчики представили свои разработки в области телекоммуникационного оборудования, автомобильных мультимедийных систем, оборудования приема цифрового телевидения, промышленной автоматики, систем безопасности и спецтехники, ответили на вопросы участников и обсудили технические детали своих проектов. Широкий спектр решений, представленных на Второй Международной конференции ARM Developers Forum 2009, показал, что развитие технологии ARM идет полным ходом и с появлением новых производительных процессоров семейства Cortex A9 открываются хорошие перспективы для реализации новых продуктов на базе этой архитектуры. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru


Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования и тестирования. Часть 1 Виктор Ежов, научный редактор, ИД «Электроника» В статье рассмотрены особенности двух современных цифровых интерфейсов HDMI и DisplayPort, способы защиты интерфейсных микросхем от паразитных переходных процессов, методы тестирования и рекомендации по решению возникших при тестировании проблем. Обсуждаются основные правила проектирования устройств с использованием этих высокоскоростных интерфейсов. – HDMI 1.0 (12/2002): - один кабель для передачи цифровых потоков аудио/видео с максимальной пропускной способностью 4,9  Гбит/с. Поддерживает поток видео до 165 Мп/с (1080p/ 60 Гц или UXGA) и 8-канальный звук 192 кГц/24 бит. – HDMI 1.1 (5/2004): - добавлена поддержка защиты контента DVD Audio. – HDMI 1.2 (8/2005): - добавлена поддержка Super Audio CD; - разъем HDMI Type A для подключения ПК в качестве источника; - источники ПК могут использовать «родной» режим цветов RGB, сохраняется опция режима цветов YCbCr; - поддержка источников с низким напряжением. – HDMI 1.3 (6/2006): - пропускная способность соединения аудио/видео была увеличена до 10,2 Гбит/с; - улучшенная поддержка цветов, включая глубину 30, 36 и 48 бит (RGB или YCbCr); - добавлена поддержка цветовых стандартов xvYCC; - добавлена поддержка автоматической синхронизации звука; - добавлена поддержка потоков Dolby TrueHD и DTS-HD (форматы, используемые в дисках HD DVD и

Blu-ray) для декодирования внешними ресиверами; - был утвержден новый миниразъем для таких устройств как видеокамеры. В 2009 г. была представлена версия HDMI 1.4, которая отличается сразу несколькими нововведениями, прежде всего наличием двунаправленного канала Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с. Более подробное описание этой версии стандарта приведено в специальном разделе данной статьи. В таблице 1 приведены основные характеристики версий HDMI 1.2 и 1.3. На рисунке 1 представлен разъем интерфейса HDMI и назначение выводов. Ниже даются пояснения к обозначениям выводов разъема HDMI. – TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling  — дифференциальная передача сигналов с минимизацией перепадов уровней). Технология высокоскоростной передачи цифровых потоков, используемая в интерфейсах HDMI и DVI. Использует три канала, передающие потоки аудио/видео и дополнительных данных с пропускной способностью до 3,4 Гбит/с на канал. – CEC (Consumer Electronics Cont­ rol  — управление бытовой электроникой). Позволяет передавать команды и управляющие сигналы между участниками связи. Функции CEC встраиваются по желанию производителя. Если все участники связи будут поддерживать

Таблица 1. Основные характеристики версий стандарта HDMI 1.2 и 1.3 Функция HDMI 1.2 HDMI 1.3 Максимальная пропускная способность 4,95 Гбит/с 10,2 Гбит/с Максимальная полоса частот 165 МГц 340 МГц Максимальное разрешение 1920×1080 прогрессивное (1080p) 2560×1440 прогрессивное (1440p) Максимальная глубина цвета 24 бит 48 бит Максимальное число цветов 16,7 млн 281 трлн Поддержка DTS и Dolby Digital 5.1 Да Да Поддержка Dolby TrueHD и DTS-HD Нет Да Максимальная частота выборки звука (2 канала) 192 кГц 768 кГц Максимальная частота выборки звука 96 кГц (макс. 4 потока) 192 кГц (макс. 8 потоков) (3—8 каналов)

электронные компоненты  №9 2009

11 Сети и интерфейсы

Цифровые интерфейсы HDMI и DisplayPort в настоящее время находятся на разных этапах своего развития. HDMI фактически стал стандартным интерфейсом для приложений, связанных с передачей аудио/видеопотоков в потребительской электронике, в первую очередь для ТВ-панелей высокой четкости. Новый цифровой стандарт, DisplayPort, разработку которого поддержали многие крупные производители электроники, постепенно завоевывает популярность в области компьютерной техники. Мультимедийный интерфейс высокой четкости (High-Definition Multimedia Interface — HDMI) появился в 2002 г. и стал первым полностью цифровым интерфейсом для передачи несжатых потоков аудио и видео. В первую очередь этот высокоскоростной интерфейс обеспечивает канал передачи широкополосных цифровых данных между источником аудио/видеосигнала (например, DVD-проигрывателем) и приемным устройством, таким как ТВ-панель высокого разрешения (HDTV). Этот интерфейс обратно совместим с DVI, который передает цифровой поток видео. Стандарт HDMI постоянно развивался. В настоящее время насчитывается уже несколько версий. Самая последняя, HDMI 1.3, была утверждена в июне 2006 г. Каждая следующая версия отличается увеличенной пропускной способностью и типами информации, которую можно передавать через HDMI. Например, HDMI 1.0 поддерживает максимальную скорость 4,9 Гбит/с (1,65 Гбит/с на дифференциальную пару), а HDMI 1.3 — уже 10,2 Гбит/с (3,4 Гбит/с на дифференциальную пару). Стандарт HDMI 1.3 поддерживает большую глубину передаваемого цвета. Кроме того, в данной спецификации утвержден новый мини-разъем для портативных устройств. Ниже приводится краткая информация о версиях HDMI.


Рис. 1. Разъем интерфейса HDMI и назначение выводов

Сети и интерфейсы

12

HDMI CEC, то можно посылать команды с пульта ДУ всей подключенной технике. К командам относятся функции включения/выключения, воспроизведения, перехода в режим ожидания, записи и др. – SCL (Serial Data Clock). Тактовый сигнал последовательной передачи данных. – SDA (Serial Data Access). Сигнал доступа к последовательным данным. – DDC (Display Data Channel). Канал данных дисплея. Позволяет передавать спецификации дисплея, например название производителя, номер модели, поддерживаемые форматы и разрешения и т.д. На рисунке 2 изображено устройство кабеля HDMI. Для интерфейса HDMI была лицензирована встроенная схема защиты цифрового контента (High-Bandwidth Digital Content Protection — HDCP), разработанная компанией Intel и некоторыми другими фирмами для борьбы с пиратством. Технология HDCP должна присутствовать на HD-ресиверах или плеерах/ видеомагнитофонах DVD/HD-DVD/Bluray, которые используют HDMI.

Рис. 2. Устройство кабеля HDMI

www.elcp.ru

Сертификация устройств на соответствие требованиям стандарта и защита HDMI-портов от переходных процессов

Для сертификации продукта по стандарту HDMI требуется, чтобы как источник, так и приемник цифрового сигнала прошли тестирование на соответствие требованиям HDMI (HDMI Compliance Test Specification — HDMI CTS). Хотя HDMI CTS включает многие типы тестов, решающее значение имеет испытание устройства-приемника сигнала по т.н. глазковой диаграмме (eye pattern) и измерения отраженного сигнала с помощью временного рефлектометра для устройства-источника. Для соответствия требованиям глазковой диаграммы открытие глаза должно иметь минимальную величину, которая определяется глазковой маской для стандарта HDMI. В соответствии с требованиями на величину отраженного сигнала, дифференциальное сопротивление сигнальных линий HDMI для устройства-приемника должно быть на уровне 100 Ом ±15% при времени нарастания тестового сигнала не более 200 пс. Выполнение этих требований является непростой задачей, т.к. открытие глаза и дифференциальное сопротивление подвержены значительному влиянию паразитных емкостей и индуктивностей. Кроме требований к целостности сигнала, HDMI-порты, к которым имеется внешний доступ, становятся чувствительны к различного рода переходным процессам, связанным с зарядом и разрядом. Например, они могут быть вызваны непосредственным касанием руки пользователя или «горячим» подключением заряженного кабеля. Встроенная в HDMI-чипы защита от электростатического разряда (ESD) не обеспечивает их достаточную надежность, что вызывает

необходимость дополнительной внешней защиты HDMI-портов. Разработчики HDMI-систем вынуждены следовать требованиям по электростатической защите стандарта IEC61000-4-2, в то же время обеспечивая целостность сигнала и поддерживая номинальную величину дифференциального сопротивления сигнальных линий. Для выполнения таких требований защитное устройство должно иметь как можно меньшее значение емкости, желательно менее 0,5 пФ. Это вызвано тем, что чем меньше емкость устройства защиты, тем незначительнее его влияние на сопротивление дифференциальных линий. Кроме того, устройство защиты должно обеспечивать симметричную разводку платы без разрывов, что позволяет поддерживать целостность сигнала и получить требуемую величину сопротивления сигнальных линий. Согласно стандарту IEC 61000-4-2, электростатическая защита HDMI-чипов должна обеспечивать уровень защиты не ниже 4. Таким образом, минимальное значение напряжения электростатического разряда, которое должны выдерживать линии питания и портов ввода/ вывода HDMI-разъема, должно составлять минимум ±8 кВ (контактный разряд) и ±15 кВ (воздушный разряд). Кроме уровня напряжения защиты от электростатического разряда, следует учитывать и другой важный параметр — напряжение фиксации электростатического разряда. При высокой чувствительности современных микросхем к воздействию выбросов напряжения снижение напряжения фиксации электростатического разряда уменьшает риск выхода микросхемы из строя. Поэтому важно выбирать устройство защиты, обеспечивающее наименьшее значение этого параметра. Примером устройства защиты, которое удовлетворяет указанным требованиям, является ограничитель переходных процессов RClamp 0524P компании Semtech. Максимальная емкость RClamp0524P составляет всего 0,3 пФ, напряжение питания — 5 В. Этот 10-выводной прибор используется для защиты двух дифференциальных пар 100-Ом линий вне зависимости от количества слоев и толщины печатной платы. Другими словами, разработчики могут проектировать 100-Ом линии на основе исходных характеристик платы, а защитное устройство RClamp0524P не вызовет каких-либо отклонений значения рассчитанного сопротивления. На рисунке 3 показан пример топологии высокоскоростных дифференциальных линий с использованием ограничителя переходных процессов RClamp0524P. Такая топология обеспечивает непрерывность сигнальных линий и не влияет на их дифференциальное сопротивление. Кроме того, существен-


Рис. 3. Пример разводки топологии дифференциальных линий с применением ограничителя переходных процессов RClamp0524P

Рис. 4. Результаты измерений формы сигналов дифференциальных линий на 4-слойной HDMIплате с использованием RClamp0524P

Рис. 5. Результаты измерений формы сигналов на HDMI-плате с использованием устройства защиты в 38-выводном корпусе TSSOP

– Разводка высокоскоростных линий TMDS в верхнем слое исключает необходимость использования переходных отверстий, которые вносят паразитную индуктивность, и обеспечивает непосредственную связь HDMI-разъема с входами повторителя, а выходов повторителя — с последующими цепями приемника. – Размещение сплошного слоя земли рядом со слоем высокоскоростных сигнальных линий позволяет контролировать сопротивление линий межсоединений и обеспечивает необходимый проводящий канал для обратного тока. – Размещение слоя питания рядом с землей позволяет создать дополнительный высокочастотный развязывающий конденсатор. – Разводка низкоскоростных линий управления в нижнем уровне обеспечивает большую гибкость при проектировании платы, т.к. для этих сигналов обычно допускаются переходные отверстия. Если требуются дополнительные слои питающего напряжения или сигнальных линий, добавляют еще один набор слоев питания/земли, располагая их симметрично на плате. Это обеспечивает механическую стабильность и предотвращает деформацию печатной платы. Кроме того, каждую пару слоев питания/земли можно расположить ближе друг к другу, что значительно увеличивает емкость высокочастотного развязывающего конденсатора. Дифференциальные линии

Рис. 6. Для HDMI-приемников рекомендуется использовать печатные платы с количеством слоев 4—6

Сети и интерфейсы

14

ное значение имеет размер корпуса устройства защиты, т.к. крупный корпус с широкими выводами и зазором между ними может вносить искажения в передаваемый сигнал. Следовательно, желательно использовать устройство защиты в компактном корпусе. На рисунке 4 показаны результаты измерений сигналов дифференциальных линий с помощью временного рефлектометра с использованием ограничителя переходных процессов RClamp0524P. Из рисунка видно, что требования по дифференциальному сопротивлению линий (100 Ом ±15%) для HDMI-устройства приемника в этом случае выполняются. Для сравнения на рисунке 5 показаны результаты измерения сигнала при использовании устройства защиты в 38-выводном корпусе TSSOP для тех же сигнальных линий с дифференциальным сопротивлением 100 Ом. Из рисунка видно, что применение такого корпуса привело к падению сопротивления до 68 Ом, что не отвечает требованиям

www.elcp.ru

стандарта и может вызвать искажения сигнала на высокой частоте. Правила проектирования печатных плат HDMI-схем

Для получения наилучших характеристик высокоскоростных HDMI-схем особое значение следует уделять тщательному проектированию печатных плат HDMI-устройств. Наиболее важные правила проектирования таких печатных плат рассмотрены ниже. Расположение слоев печатной платы

Для создания HDMI-устройства с низким уровнем электромагнитных помех требуется печатная плата с минимальным количеством слоев равным четырем (см. рис. 6). Порядок их следования должен быть следующим (сверху-вниз): слой линий TMDS, слой земли, слой питания и слой сигналов управления. Такой порядок следования слоев в печатной плате обеспечивает следующие преимущества.

В HDMI-устройствах используются TMDS-линии для последовательной передачи данных с высокой скоростью. Дифференциальная передача сигналов имеет значительные преимущества перед несимметричной (однополярной) передачей, в частности, существенно меньшие электромагнитные помехи, создаваемые дифференциальными линиями, по сравнению с однополярными линиями. Кроме того, внешние помехи создают на дифференциальных линиях синфазный шум на входе приемника. Приемники с дифференциальными входами чувствительны лишь к разности сигналов и не подвержены влиянию синфазных сигналов. Таким образом, приемники подавляют синфазные помехи и поддерживают целостность сигнала. Для дифференциальной передачи сигналов на печатной плате необходимо, чтобы зазор между двумя линиями сигнальной пары оставался постоянным по всей длине проводников. В противном случае, изменение зазора может вызвать неустойчивость линий наведенного магнитного поля, что увеличивает электромагнитные помехи.


Дифференциальное сопротивление линий передачи сигналов

Дифференциальное сопротивление линий передачи сигналов определяет-

ся физическими размерами проводников, их расстоянием до соседней шины земли и толщиной диэлектрика печатной платы. Заданные геометрические размеры должны сохраняться по всей длине проводников. Эмпирические выражения для расчета дифференциального сопротивления и геометрических размеров сигнальных TMDS-линий приведены в [2]. Для более точной оценки параметров дифференциальных линий используют программные средства расчета на базе уравнений Максвелла (т.н. анализаторы полей), которые определяют электрические и магнитные поля для произвольных линий передачи сигнала. На основе этих расчетов определяются такие параметры как характеристическое сопротивление, скорость передачи сигнала, перекрестные помехи и дифференциальное сопротивление. Некоторые 2D-анализаторы полей также рассчитывают распределение тока внутри проводников. Неоднородности

Неоднородности — это участки сигнальной линии, где диф-

ференциальное сопротивление проводника отклоняется от номинального значения (100 Ом  ±15% для HDMI). Неоднородности вызывают отражения сигнала из-за рассогласования сопротивления, что нарушает целостность сигнала. В первую очередь, это происходит из-за изменений эффективной ширины проводников или зазора между проводниками, вызванных отклонениями геометрии или неправильной разводкой сигнальных линий. Потенциально неоднородности могут появиться на тех участках платы, где: – контактная площадка HDMIразъема соединяется с сигнальной линией; – сигнальная линия соединяется с переходным отверстием, контактной площадкой компонента или выводом микросхемы; – сигнальные линии изгибаются под углом 90°; – сигнальная линия разделяется, чтобы обогнуть какой-либо элемент. Неоднородности можно обнаружить путем измерений дифференциального

1

 Один tBIT — это время передачи одного бита данных по шине, или время передачи бита. Это время зависит от скорости передачи и вычисляется следующим образом: tBIT = 1 бит/[скорость передачи (бит/c)]. Например, для скорости передачи 12 Мбит/с время передачи бита примерно равно 83 нс, а для скорости передачи 1,5 Мбит/c — около 667 нс.

электронные компоненты  №9 2009

15 Сети и интерфейсы

Кроме того, изменение зазора между проводниками вызывает изменения дифференциального сопротивления, что приводит к вероятности отражения сигналов и нарушению их целостности. Кроме постоянного зазора, оба проводника должны иметь одинаковую электрическую длину для того, чтобы сигналы достигли входов приемника одновременно. Если длина проводников различна, то при передаче сигналов с высокой частотой на земляном слое возникают помехи. Ширина импульсов помехи равна фазовому сдвигу между двумя сигналами. Максимальное значение этого временного интервала, известного также как фазовый сдвиг сигналов пары, специфицировано в стандарте HDMI для приемника на уровне 0,4 tBIT 1 (для тактовой частоты TMDS 225 МГц), или 178 пс. Для HDMI-передатчика этот временной интервал не может быть более 0,15 tBIT (для тактовой частоты TMDS 225 МГц), или 66 пс.


Рис. 7. Уменьшение фазового сдвига сигналов путем изгибания проводников

Рис. 8. Слои питания и земли должны быть вне зоны краевых контактов HDMI-разъема

сопротивления с помощью временного рефлектометра 2. Правила разводки платы

Сети и интерфейсы

16

Целью проектирования высокоскоростной печатной платы должна быть минимизация неоднородностей, где это возможно и, таким образом, устранение отражений сигнала. Приведенный ниже набор правил разводки поможет избежать появления неоднородностей и тем самым снизит электромагнитные помехи и сохранит целостность сигнала. – Уменьшить фазовый сдвиг сигналов в дифференциальных линиях можно путем внесения необходимого числа изгибов в проводники, используя скошенные линии проводников (см. рис. 7). – Используйте скошенные (под углом 45°) линии вместо прямых углов при изгибе проводников. Прямые углы увеличивают эффективную ширину линий, что вносит изменения в дифференциальное сопротивление линий и создает неоднородности. – При разводке дифференциальных линий оба проводника следует располагать параллельно. – При разводке проводника около переходного отверстия или между массивом переходных отверстий следует убедиться, что зазор между ними не прерывает линию обратного тока на нижнем земляном слое. – Следует избегать металлических слоев и проводников под или между контактными площадками HDMI-разъема для лучшего согласования сопротивления (см. рис. 8). В противном случае это может вызвать снижение дифференциального сопротивления до 75 Ом. – Используйте по возможности наименьший размер для переходных отверстий сигнальных линий и контактных площадок HDMI-разъема для уменьшения их влияния на дифференциальное сопротивление линий. 2

– Используйте сплошные слои питания и земли для контроля 100-Ом сопротивления и минимизации помех по питанию. – Для точного контроля 100-Ом дифференциального сопротивления следует использовать наименьшее расстояние между проводниками, которое обычно определяется производителем печатной платы. – Следует по возможности использовать минимальную электрическую длину проводников между HDMIразъемом и устройством для уменьшения ослабления сигнала. – Используйте качественный HDMIразъем, сопротивление которого соответствует спецификации. – Размещайте основной конденсатор (емкостью 10 мкФ) ближе к источнику питания (стабилизаторы напряжения) или к месту подведения питания на печатную плату. Слои питания и земли

Слои питания и земли печатных плат высокочастотных устройств должны удовлетворять различным требованиям. В режиме постоянного тока и на низкой частоте они должны обеспечивать подачу постоянного потенциала (напряжения питания и земли) на выводы микросхем и нагрузочных резисторов. На высокой частоте слои питания и, особенно, земли служат различным целям. Для систем передачи сигнала с контролируемым сопротивлением земляная шина должна обеспечивать емкостную связь с дифференциальными линиями соседнего сигнального слоя. Сильная емкостная связь устраняет магнитные поля и, таким образом, минимизирует электромагнитные помехи путем уменьшения излучения поперечных электромагнитных волн. Для установления достаточной емкостной связи земляной слой следует размещать рядом со слоем высокочастотных сигналов. Для обеспечения низкоомного канала утечки обратного тока, который может наводиться на шину земли от сигнальных линий, слои питания и земли должны быть сплошными, без каких-либо пустот. Переходные отверстия

Слои печатной платы, которые должны подключиться к переходным отверстиям, непосредственно соединяются с контактными площадками, окружающими отверстие в плате. Слои, которые не должны соединяться с переходными отверстиями, отделяются от них кольцевым зазором. Каждое переходное отверстие имеет емкость на землю,

которая оценивается с помощью следующего уравнения: , где D2 — диаметр кольцевого зазора с переходным отверстием в слое земли (дюйм); D1  — диаметр контактной площадки, окружающей переходное отверстие (дюйм); T — толщина печатной платы (дюйм); ε — диэлектрическая постоянная печатной платы; C — паразитная емкость переходного отверстия (пФ). При соединении развязывающего конденсатора со слоем земли или при соединении слоев земли индуктивность переходного отверстия начинает оказывать заметное влияние на распространение сигналов и становится более важной, чем его емкость. Величина этой индуктивности приблизительно равна: , где L  — индуктивность переходного отверстия (нГн); h — длина переходного отверстия (дюйм); d  — диаметр переходного отверстия (дюйм). Т.к. это уравнение содержит логарифм, изменение диаметра переходного отверстия слабо влияет на индуктивность. Достаточно сильно на индуктивность влияет длина переходного отверстия, а также использование нескольких переходных отверстий параллельно. Следовательно, соединять развязывающий конденсатор с землей нужно двумя переходными отверстиями на каждый вывод устройства. Для соединения между земляными слоями с малой индуктивностью используют множество переходных отверстий с регулярным интервалом по всей плате. Литература 1. Sophie Hou. ESD protection for HDMI 1.3//www.embedded.com/201201480?cid=NL_ embedded. 2. Thomas Kugelstadt. The HDMI Design Guide to high-speed PCB design in HDTV receiver applications//www.embedded.com/ 202803500?pgno=1. 3. Brett Li, Lie Dou. Analysis of common failures of HDMI CT//www.embedded. com/207001362?pgno=1. 4. Raj Nair. Gaining insight into the secrets of HDMI//www.embedded.com/ 196901535?cid=NL_embedded. 5. Randy White. Is it time to reconsider D i s p l a y P o r t ? // w w w . e m b e d d e d . c o m / 212903143?pgno=1. 6. Deirdre Mathelin. HDMI V1.4: New Opportunities for Active Cables with Embedded RM1689.

 Временной рефлектометр (time-domain reflectometer — TDR)  — это прибор, используемый для снятия характеристик и определения местоположения дефектов в металлических проводниках.

www.elcp.ru


JEDEC JESD204A: передача нескольких потоков по одной линии связи Мори Вуд (Maury Wood), менеджер по маркетингу, NXP

JEDEC JESD204A — новый промышленный стандарт сопряжения преобразователей данных и логических устройств, подразумевающий наличие сразу нескольких синхронных дорожек обмена данными. Набор функций цифрового интерфейса JESD204A содержит новые возможности и инструменты для высокоскоростных систем сбора данных. Он поддерживается всеми стандартными ПЛИС, включая распространенные семейства Spartan и Virtex (Xilinx), ECP2M и EPC3 (Lattice), Arria и Stratix (Altera). Данные шифруются по схеме 8В/10В, а скорость обмена варьируется в пределах 312,5  Мбит/с...3,125 Гбит/с. Следует заметить, что указанный диапазон относится к скорости передачи закодированных данных, поэтому эффективная скорость работы оказывается несколько ниже. При условии соблюдения всех требований на физическом уровне стандарт гарантирует правильное взаимодействие между передатчиком (АЦП или ПЛИС) и приемником (ЦАП или ПЛИС), расположенными на одной плате FR-4 с медными проводниками длиной не менее 20 см, при скорости работы до 3,125 Гбит/с. Устройства, поддерживающие JESD204А, не обязательно должны обеспечивать работу на всем диапазоне скоростей. Электрические требования полностью соответствуют требованиям к токовым логическим схемам (CML  — Current mode logic), как и в распространенных стандартах DVI HDMI для передачи цифрового аудио- и видеосигнала. Для устройств JESD204А рабочее напряжение равно 1,2 В, а сопротивление на концах линии — 100 Ом. Сигналы передаются в дифференциальной форме и

имеют малый размах. Частота появления ошибочных битов не должна превышать 10—12. В стандарте также установлены вид глазковой диаграммы и шумовые параметры для принятого и передаваемого сигналов. Согласно JESD204А, сигналы делятся на три следующих типа. Lane (информационная дорожка) — дифференциальный самосинхронизующийся токовый сигнал с шифрованием 8В/10В. Frame clock — сигнал общего тактирования для задания очередности контрольных и информационных пакетов и обеспечения синхронизации. Он подается на все приемные и передающие устройства, подключенные к линии. Сигнал Frame clock обычно используется для стробирования АЦП и ЦАП, поэтому он должен иметь малый уровень шума. В связи с этим его нельзя восстанавливать из принятого сигнала. Sync  — сигнал приемника, оповещающий передатчик о необходимости провести синхронизацию линии или о возникновении ошибки. Этот сигнал является критичным ко времени и генерируется аппаратно. В стандарте для Sync прописаны требования по

Физический уровень

В JESD204А определен дифференциальный последовательный протокол, обеспечивающий передачу от точки к точке в одном направлении.

17 Сети и интерфейсы

Общая характеристика

Комитет JC-16 Ассоциации разработчиков твердотельных технологий JEDEC (JEDEC Solid State Technology Association) опубликовал стандарт JESD204A в апреле 2008 г. Он представляет собой полностью переработанную версию стандарта JESD204, опубликованного в 2006 г. Главным нововведением в JESD204A является возможность одновременной синхронной передачи данных по нескольким дорожкам на одной линии связи. Это позволяет использовать преобразователи с более широкой полосой пропускания либо несколько каналов одновременно. Появилась возможность мультиплексирования цифровых портов ввода-вывода одноканальных преобразователей для передачи по нескольким дорожкам. Кроме того, стандарт JESD204A имеет еще одно достоинство: сокращение количества задействованных портов ввода-вывода. В интерфейсе прописаны протоколы физического, транспортного и канального уровней, предусмотрена поддержка ПЛИСами многоточечных соединений (см. рис. 1). Однако стандарт ограничивается только одной логической схемой. Временная синхронизация между двумя или несколькими каналами АПЦ или ЦАП — обязательное требование во многих системах сбора данных, особенно в современных системах связи. Ранее инженерам при проектировании системы связи приходилось разрабатывать механизм синхронизации на уровне платы самим. С появлением JESD204A эта проблема была разрешена.

Рис. 1. Поддержка многопотоковых связей — главное отличие ESD204A от предыдущих версий

электронные компоненты  №9 2009


задержке распространения, времени установления и удержания. В системах с несколькими ЦАП все сигналы Sync должны быть логически объединены и подключены к ПЛИС. Общие схемы подключения АЦП и ЦАП к ПЛИС показаны на рисунках 2 и 3. Стандарт не охватывает вопросы синхронизации потоков данных от различных ЦАП, подразумевая, что разработчик заранее обеспечил согласование. В стандарте JESD204А линия связи между логическим устройством (ПЛИС, FPGA или процессором) и преобразователями называется многоточечной. Однако такой термин может привести в заблуждение, поскольку он не подразу-

Рис. 2. Общая схема подключения АЦП к ПЛИС

Сети и интерфейсы

18

мевает наличие нескольких абонентов. Наоборот, у каждого передатчика есть только один приемник. Стандарт определяет четыре типа устройств: NMCDA-SL (No Multiple Converter Device Alignment — Single Lane)  — передающие по одной дорожке и не поддерживающие работу с несколькими преобразователями; NMCDA-ML (No Multiple Converter Device Alignment  — Multiple Lane)  — передающие по нескольким дорожкам и не поддерживающие работу с несколькими преобразователями; MCDA-SL (Multiple Converter Device Alignment  — Single Lane)  — передаю-

щие по одной дорожке и поддерживающие работу с несколькими преобразователями; MCDA-ML (Multiple Converter Device Alignment — Multiple Lane) — передающие по нескольким дорожкам и поддерживающие работу с несколькими преобразователями. Транспортный уровень

В зависимости от типа устройства, в стандарте определено несколько схем подключения: – одиночный преобразователь подключается к линии с одной дорожкой; – несколько преобразователей внутри одного устройства подключается к линии с одной дорожкой; – одиночный преобразователь подключается к линии с несколькими дорожками; – несколько преобразователей внутри одного устройства подключается к линии с несколькими дорожками. Для формирования кадров (см. рис. 4  и  5) выборки АЦП или ЦАП объединяются в т.н. октеты  — блоки по  8  бит. За один цикл может быть передано несколько октетов от одного преобразователя. Главное, чтобы число октетов было целым, иначе возникнут взаимные помехи. Под выборкой в кадре понимается совокупность N битов данных, нескольких контрольных (например, бит выхода за диапазон) и конечных битов. Конечные биты требуются для того, чтобы октет был заполнен. Для их генерации рекомендуется использовать псевдослучайные механизмы. Выборки собираются в слова, которые, в свою очередь, преобразуются в расширенные слова путем добавления контрольных и конечных битов. При этом в старший байт слова записывается октет, соответствующий первой выборке. Информационный кадр формируется из набора последовательных октетов. В стандарте также оговаривается пакетная передача кадров, когда за одну посылку передается несколько кадров. Параметры кадров приведены в таблице 1. Канальный уровень

Рис. 3. Общая схема подключения ЦАП к ПЛИС

www.elcp.ru

На канальном уровне выполняется системная синхронизация и выравнивание дорожек. Рассмотрим их по порядку. Как мы уже упоминали, при потере синхронизации приемник посылает сигнал Sync. В ответ на него передатчик отправляет контрольные символы, после чего ожидает повторного сигнала Sync. Получив его, передатчик с началом следующего такта возобновляет обмен данными. Если линия передачи содержит несколько дорожек, то сигналы Sync от


всех преобразователей объединяются, после чего производятся те же операции, что и в случае одной дорожки. После проведения общей синхронизации производится согласование дорожек. Эта процедура необязательна, хотя очень полезна. Для согласования применяется довольно хитрый алгоритм. Сами зашифрованные информационные биты используются в качестве синхронизирующих без потери данных. Делается это двумя способами. Если скремблирование не используется, то передатчик сравнивает последние октеты в текущем и последнем переданном кадрах. Если они совпадают, передатчик замещает последний октет в текущем кадре контрольной последовательностью (для многопакетной передачи используется своя контрольная последовательность). Обнаружив эту последовательность, приемник заменяет ее последним декодированным октетом из предыдущего кадра. В случае скремблирования данных передатчик сравнивает последний октет в текущем кадре с константой 0xFC и, если они равны, производит замену октета на контрольную последовательность для одиночных кадров. Если последний октет содержит число 0x7C, то он замещается контрольной последовательностью для пакетной передачи кадров. При обнаружении одной из этих последовательностей приемник производит обратную замену. Далее производится следующее. Если приемник обнаруживает два последовательных контрольных слова на одной и той же позиции, но не в конце соответствующих кадров, приемник выравнивает кадр так, чтобы контрольные биты приходились точно на конец. Вычисление скорости обмена

Сети и интерфейсы

20

Рассчитаем количество связей, необходимых для подключения АПЦ или ЦАП, и скорость передачи по ним. Пусть передатчик содержит одноканальный 12-разрядный АЦП (без избыточности), который добавляет к каждому набору данных один контрольный бит. Таким образом, выборка содержит N =  13 битов, и ей соответствуют два октета (N' = 16) с тремя конечными битами. После кодирования данные преобразуется в 20 битов и передаются со скоростью 3,125 [Гбит/с]/20 = 156,25 Мбит/с. Другой пример. Пусть приемник содержит двухканальный 14-разрядный ЦАП с четырьмя входами. Тогда параметры N = 14, N' = 16. Для двух каналов требуются 4 октета, содержащих 4  конечных бита. Максимальная скорость передачи по одной линии составляет 3,125 [Гбит/с]/40 = 78,125  Мбит/с, а по четырем — 312,5 Мбит/с.

www.elcp.ru

Рис. 4. Формирование кадра

Рис. 5. Обработка принятого кадра Таблица 1. Параметры кадра Параметр M L F CF CS K N N' HD S

Назначение Количество преобразователей данных в устройстве Количество дорожек, используемых преобразователем Количество октетов, передаваемых за один такт Количество управляющих слов, передаваемых за один такт по одной линии связи Количество контрольных битов в выборке Количество кадров в посылке Разрядность преобразователя Общее количество битов в выборке Плотность передачи (0 — низкая, 1 — высокая) Количество выборок, передаваемых одним преобразователем за один такт (мера избыточности)

Заключение

С появлением стандарта JEDEC JESD204A упрощается топология и трассировка печатной платы, уменьшается количество используемых портов вводавывода на ПЛИС, АЦП или ЦАП; уменьшаются электромагнитные и радиочастотные помехи. При изменении разрядности преобразователя не требуется перепроектирование, а только прошивка ПЛИС. Предусмотрены возможность скремблирования данных и контрольных битов, чтобы улучшить спектр аналогового сигнала, периодическое выравнивание

кадров без потери информации, а также совместимость с ПЛИС различных производителей (Altera, Lattice и Xilinx). Также важным достоинством нового интерфейса является наличие функции отслеживания одиночных ошибок и поддержка 4 и более каналов АЦП/ ЦАП, что, несомненно, будет востребовано в системах следующего поколения MIMO. Литература 1. Maury Wood. Technical Analysis of the JEDEC JESD204A Data Converter Interface.


Способы сохранения целостности сигнала на высоких частотах Екатерина Самкова, научный редактор, «ИД Электроника»

В статье рассмотрены причины возникновения потерь в высокочастотных схемах, и даны рекомендации по их устранению и повышению качества передачи сигналов. Приведены схемотехнические методы, позволяющие улучшить характеристики схемы, а также пример использования готовых компенсационных схем. ше и которые существенно влияют на передаваемый сигнал. Проводники из одиночной линии связи преобразуются в довольно сложную сеть паразитных элементов, которые возникают на всех участках проводника, в т.ч. в отверстиях и на контактных площадках. Вторая проблема связана с отраженными сигналами, которые накладываются на исходный и искажают его форму. Чаще всего отражения происходят в местах поворота, разветвления и перехода печатного проводника через сквозные отверстия. Это происходит главным образом из-за изменения ширины пути прохождения тока, которое приводит к рассогласованию линии. Кроме того, на ВЧ усиливается скин-эффект, в результате чего могут подавляться некоторые гармоники сигнала. Существует несколько подходов к сохранению целостности сигнала. Среди них есть как экономически неоправданные, например переход на более дорогие соединители и материалы для печатной платы, так и схемотехнические, не требующие дополнительных затрат. В некоторых случаях применение методик, которые мы рассмотрим, позволяет улучшить характеристики старых схем или повысить степень интеграции в новых разработках. Среди самых удачных решений — схемы компенсации, которые также называют цепями предварительного искажения (предыскажения) или

обратной коррекции. Во многих случаях можно обойтись простыми асинхронными схемами, для работы которых не требуется тактирование, а только питание и несколько контрольных точек. Такие схемы характеризуются малой задержкой и универсальны, они подходят для большинства протоколов и скоростей передачи. Благодаря тому что они имеют малый размер, их всегда без труда можно разместить на плате. Источники потерь

Прежде чем перейти к решению проблемы, рассмотрим причины, по которым сигнал искажается. По мере прохождения сигнала по линии на него накладываются отраженные сигналы, амплит уда уменьшается, изменяется наклон и четкость фронтов, появляются разрывы и неравномерности. Зачастую между проводниками из соседних слоев возникает емкостная связь, и создаются перекрестные помехи, поэтому надо следить, чтобы проводники не были расположены строго друг под другом. На качество распространения сигнала влияет все, начиная от материалов печатной платы и проводников и заканчивая топологией схемы. На рисунке 1 приведены глазковые диаграммы передачи по двуаксиальному кабелю длиной 12 м сигнала с частотой от 250 МГц до 10 ГГц. Видно, что начиная с частоты около 1 ГГц

Рис. 1. Сравнение глазковых диаграмм сигналов, имеющих разные частоты

электронные компоненты  №9 2009

21 Сети и интерфейсы

Введение

Современные устройства связи должны быть оснащены дополнительными функциями, такими как воспроизведение видео, обмен со скоростью несколько Гбит/с или интернет-телевидение. Все это увеличивает требуемую полосу пропускания устройства и, кроме того, накладывает дополнительные требования на скорость работы схем памяти. Современные стандарты и протоколы работают уже не в мегагерцовом диапазоне, а на скоростях 3…10 ГГц. С другой стороны, основа любой платы — проводящие дорожки  — по-прежнему в большинстве случаев изготавливаются из меди, для которой частоты 1…3 ГГц являются предельными. Таким образом, совершенствованию устройств мешают не только технологический предел изготовления ИС, но и проблема их соединения. Современные печатные платы становятся непригодными для таких скоростей из-за большого уровня помех. С распространением высокоскоростных приложений проблема сохранения целостности передаваемых сигналов усугубилась. Целостный цифровой сигнал — это сигнал с четкими и быстрыми переходами, стабильными и четкими логическими уровнями, точными соотношениями во времени. В нем не должно быть переходных процессов. На высоких частотах (ВЧ) проявляются те эффекты, о которых не задумывались рань-


Рис. 2. Расположение отверстий, соединяющих полигон земли на сигнальном слое с землей

Рис. 3. Качество передачи двух сигналов с разным временем нарастания

частота работы, тем сильнее затухает сигнал в силу диэлектрических свойств компонентов и материала платы. Стоит заметить, что не все потери приводят к неправильной работе схемы. При разработке схемы следует закладывать некоторый запас по потерям. Например, если запас равен 20 дБ, то при наведении на линию паразитного сигнала мощностью, не превышающей 1% от полезного сигнала (т.е. напряжением до 10% от полезного сигнала) сбоя не произойдет. Если же запас по потерям 30 дБ, то схема может обеспечить нормальную работу лишь при потерях мощностью не более 0,1% от полезного сигнала (напряжением 3,2% от полезного сигнала). Все эти условия влияют на целостность передаваемых сигналов. Идеальный цифровой импульс составляет единое целое по времени и амплитуде. На нем нет искажений и нестабильности фронтов, его переходы быстрые и четкие. По мере увеличения быстродействия системы поддерживать идеальные характеристики сигнала становится все труднее. Общие правила проектирования

Рис. 4. Схема компенсации потерь VSC3312

Сети и интерфейсы

22

раствор диаграммы быстро сужается, что говорит о непригодности такого кабеля для передачи информации на высоких частотах. Для передачи ВЧ-сигналов проводники следует выполнять в виде линии передачи, чтобы уменьшить искажения и снизить уровень электромагнитных излучений. Как упоминалось выше, большинство современных видеостандартов и протоколов связи подразумевает работу со скоростью 3…10 Гбит/с. Поскольку достойной и экономически выгодной замены медному кабелю пока не найдено, для уменьшения потерь приходится использовать схемы компенсации, о которых будет рассказано далее. Конечно, есть и другой выход — применять более качественные материалы, однако кабель, обладающий вдвое лучшими характеристиками, обойдется на порядок дороже. То же самое относится и к материалам печатных плат. Нежелательные эффекты могут возникать от неправильного заземления. Соединительные отверстия между слоем земли и земляными

www.elcp.ru

полигонами на других слоях необходимо располагать по всей плате, чтобы исключить появление резонансов и образование альтернативных путей распространения сигнала. На рисунке 2 приведен пример «прошивания» такими отверстиями слоя с дифференциальными парами. Чем выше частота работы микросхемы, тем ближе следует располагать отверстия. Второй момент, на который следует обратить внимание, касается сквозных отверстий. В двусторонних и многослойных печатных платах толщина самой платы становится сравнимой с длиной волны сигнала. В связи с этим важно соблюдать согласование слоев, приведя импеданс отверстия к 50 Ом. Тогда при переходе сигнала на другой слой не возникнет отражений. На частотах порядка сотен МГц уже начинают появляться индуктивные и емкостные свойства элементов, и их нельзя оставлять без внимания. Они могут создавать дополнительные пути распространения сигнала либо входить в резонанс с гармониками. Чем выше

Следование нескольким простым правилам поможет улучшить целостность сигнала без каких-либо дополнительных затрат. Во-первых, в схеме лучше использовать развязывающие конденсаторы с разными емкостями. Характеристики конденсаторов на высоких частотах имеют сложный вид, появляются индуктивные составляющие. Если в схеме использовать развязывающие конденсаторы с номиналами, скажем, 0,01…1 мкФ, то этот эффект «размажется» по некоторому диапазону частот и будет не так опасен. Во-вторых, следует отказаться от разделительных конденсаторов, заменив их полупроводниковыми элементами или полосковыми линиями. Это позволит избежать лишних разрывов сигнала, обусловленных прохождением через конденсаторы, и сохранить место на плате. Далее приведено несколько советов, относящихся к топологии схемы: – соблюдайте изоляцию линий, располагая их на расстоянии в три раза большем, чем толщина диэлектрика; – старайтесь использовать как можно меньше сквозных отверстий и переходов сигнала на другой слой; – делайте больше соединительных отверстий между полигонами земли;


Рис. 5. Искажение сигнала при передаче без использования коррекционных мер

Рис. 6. Предыскажение с большой постоянной времени

В КМОП-схемах сигналы имеют более длинные фронты, чем в кремниево-германиевых (SiGe) схемах. Таким образом, целостность сигнала в SiGe-схемах заведомо выше. Если получить приемлемую глазковую диаграмму с помощью изменения времени нарастания фронта не получается, то следует использовать компенсирующие схемы, которые увеличивают энергию сигнала так, чтобы помехи не мешали его распространению. В зависимости от формы выходного сигнала, при внесении предыскажений применяются различные техники. Рассмотрим пример. Коммутатор VSC3312 (производитель Vitesse) имеет трехкаскадную схему компенсации потерь, которая борется с постоянной составляющей, медленными и быстрыми затуханиями (см. рис. 4). Принцип работы VSC3312 проиллюстрирован рисунками 5—7. Как видно из рисунка 5, принятый цифровой сигнал имеет недостаточную амплитуду, затянутый фронт и недостаточный перепад уровней. Для коррекции сначала вводится искажение с большой постоянной времени (см. рис. 6), которое выравнивает вершину принятого импульса и немного увеличивает перепад при переключении с логического нуля на единицу. На второй стадии (см. рис. 7) вносятся искажения с малой постоянной времени, чтобы получить всплеск на вершине передаваемого сигнала. В результате прохождения сигнала по линии эти искажения сглаживаются, а на входе приемника наблюдается четкий сигнал. Заключение

Какому же методу стоит отдать предпочтение? Все они работают одинаково хорошо, а значит, выбор делается исходя из удобства или цены. Компенсационные схемы имеют более широкий диапазон ослабления, поэтому при прочих равных условиях этот метод — самый лучший. Если сравнивать действие компенсационных схем и цепей предварительного искажения, то первые способны справиться с бóльшими потерями, чем вторые.

Сети и интерфейсы

24 Рис. 7. Предыскажение с малой постоянной времени

– не допускайте, чтобы краевые емкости превышали 10—20% от общей, иначе усилится скин-эффект; – следите, чтобы линии в дифференциальной паре были одинаковой длины, чтобы задержки в них совпадали. Время нарастания фронта и предыскажения

Сигналы с короткими фронтами распространяются с меньшими потерями.

www.elcp.ru

Во многих случаях такие сигналы не нуждаются в предварительном искажении. Сигналы с быстрым нарастанием фронта потребляют меньше энергии и наводят меньше перекрестных помех, чем сигналы с предыскажениями. На рисунке 3 показаны два сигнала, имеющие одинаковую частоту 2,125 ГГц, но разное время нарастания. Видно, что второй из них имеет гораздо более четкую глазковую диаграмму.

Литература 1. Eric Sweetman. Maximize high-speed signal integrity with the right choice of cables, layout, and equalizer ICs. 2. Акулин А. Целостность сигналов на печатной плате и волновое сопротивление проводников// Технологии в электронной промышленности, №1, 2007. 3. Яковлев. Основы целостности сигналов//Радиосхема №6, 2006.


Технология синхронизации Ethernet-сети Слободан Мильевич (Slobodan MilijeviĆ), ст. инженер по применению, Zarlink Semiconductor За последние два десятка лет Ethernet стала доминирующей технологией передачи данных, особенно в телекоммуникационных и беспроводных сетях поставщиков услуг благодаря своей простоте и низкой стоимости. Однако асинхронная природа этой технологии вызывает определенные трудности передачи данных. В статье, являющейся авторизованным переводом [1], рассматриваются основные характеристики сети Synchronous Ethernet, концепции по синхронизации и требования, а также некоторые общие проблемы, с которыми сталкиваются разработчики печатных плат при использовании SyncE. по Ethernet-сети достигается путем замены несинхронизированного кварцевого генератора, используемого для устройств физического уровня (PHY) Ethernet, устройством общего назначения PLL (Phase Locked Loop — система фазовой автоподстройки частоты, ФАПЧ). Разумеется, это неверное предположение и основанные на нем проекты обречены на провал. Синхронизация в системах связи

Синхронизация — определяющее требование для функционирования систем связи. Эти системы базируются на TDM-технологиях (T1/E1 и SONET/ SDH), которые наилучшим образом подходят для передачи трафика с постоянной скоростью, например оцифрованных голоса и видео. TDM-технологии позволяют получить небольшую задержку передачи при малых отклонениях от этого значения — два основных параметра, обеспечивающих требуемое качество сигнала. Малая задержка передачи сигнала достигается только при условии минимальной буферизации данных в каждом узле. Это значит, что все узлы в TDM-сети должны быть жестко синхронизированы с задающим генератором, чтобы предотвратить потерю данных. Если у какого-то узла несколько другая частота даже в течение небольшого времени, его буфер либо переполнится, либо опустошится, и выборки данных потеряются или повторятся для поддержания постоянной скорости передачи. Синхронизация сети в системах связи основана на иерархии, в которой самая верхняя позиция отведена опорному генератору с наивысшей точностью (см. рис. 1). Иерахическую верхушку занимает первичный опорный генератор PRC/PRS (Primary Reference Clock, или

Primary Reference Source) с точностью 10 –11, означающей, что на каждые 1011 импульсов синхросигнала приходится на один импульс больше или меньше по сравнению с идеальным синхросигналом. Наручные часы при такой точности ошибались бы на 1 с каждые 1011 с (3172 года). Радиосигналы PRC/PRS поступают от цезиевых (атомных) часов систем глобального позиционирования GPS, ГЛОНАСС и LORAN-C. Следующий уровень иерархии отведен блоку синхронизации SSU (Synchronization Supply Unit, или Building Integrated Timing Supply (BITS)). SSU/BITS имеет функцию переключения генератора в режим удержания, которая позволяет этому блоку генерировать синхросигнал с более высокой точностью, чем его собственная точность в автономном режиме в течение короткого времени после потери синхронизации с генератором PRC/PRS. Блок SSU/BITS обычно реализуется совместно с цифровой системой фазовой автоподстройки частоты (DPLL), управляемой с помощью рубидиевых часов. Третий уровень иерархии занимает блок внутренних часов SEC (SDH  — SDH Equipment Clock), или блок SONET Minimum Clock (SMC). SEC/SMC также снабжен функцией переключения генератора в режим удержания, но ее параметры и характеристики автоном-

Рис. 1. Синхронная цифровая иерархия сети SDH/ SONET

электронные компоненты  №9 2009

25 Сети и интерфейсы

Такие услуги по мультиплексной передаче с временным разделением каналов (Time Division Multiplexing — TDM) как T1/E1 и SONET/SDH требуют синхронизации между источником и узлом назначения. Аналогично, беспроводные базовые станции требуют синхронизации с основными часами, чтобы обеспечить непрерывную передачу управления между соседними ячейками. Несмотря на то, что существует несколько способов для установления синхронизации по Ethernet-сети, все они построены на основе стандарта Synchronous Ethernet (SyncE). В SyncE применяется интерфейс физического уровня для межузловой синхронизации, которая осуществляется так же, как в технологиях SONET/SDH или T1/E1. Это обстоятельство вселяет в поставщиков беспроводных услуг уверенность, что сети на базе SyncE не только окажутся экономичными, но и будут обладать высокой надежностью, как сети на базе SONET/SDH или T1/E1. SyncE представляет собой стандарт распределения частот по каналам Ethernet. Другие стандарты, например IEEE Std. 1588 Precision Time Protocol (PTP), IETF Network Time Protocol (NTP) и т.д. были разработаны и продолжают совершенствоваться с целью обеспечить высокое качество разделения каналов во времени и удовлетворить требованиям ACR (Adaptive Clock Recovery  — адаптивное восстановление тактовой синхронизации). По мере роста интереса со стороны операторов и провайдеров услуг многие поставщики оборудования разрабатывают оборудование с возможностями SyncE для этого нового доходного рынка. Однако разработчикам Ethernet-оборудования часто не хватает глубокого понимания вопросов синхронизации, из-за чего они недооценивают сложность этой задачи. Обычно считается, что синхронизация


ного режима хуже требуемых для SSU/ BITS. SEC/SMC, как правило, имеет цифровую систему ФАПЧ, которая управляется термостатированным кварцевым генератором (TCXO). Следует заметить, что у всех уровней иерархии начиная со второго и ниже точность синхронизации равна точности блока PRC/PRS, до тех пор пока связь с ним не прервется. Из соображений надежности едва ли можно ожидать, что глобальные сети связи будут синхронизироваться только с блоком PRC/PRS. На практике они используют структуру разделения каналов по времени наряду с независимо работающими блоками PRC/PRS. У каждого поставщика услуг связи имеется собственный блок PRC/PRS, и это значит, что глобальная сеть связи состоит из синхронизированных участков, соединенных с помощью плезиохронных (почти синхронных) звеньев. Если блоки PRC/PRS и SSU/BITS обычно реализуются как автономные элементы, предназначенные только для синхронизации (не для передачи данных), то SEC/SMC являются исключительно частью сети, как например мультиплексор ввода/вывода. Традиционные и синхронизи­ рованные Ethernet-сети

Сети и интерфейсы

26

Традиционная Ethernet-сеть изначально предназначалсь для передачи асинхронного трафика данных, т.е. требования к прохождению сигнала синхронизации от источника к приемнику не выдвигались. В действительности, старая 10-Мбит/с (10Base-T) Ethernetсеть была не в состоянии передавать этот сигнал по интерфейсу физического уровня, т.к. использовавшийся в ней передатчик 10Base-T прекращал передачу сигнала в интервалах незанятости. Передатчик 10Base-T каждые 16 мс отправлял единичный импульс, уведомлявший приемную сторону о своем присутствии. Разумеется, таких редких импульсов недостаточно для установления синхронизации после сбоя

на приемнике. Интервалы незанятости в более быстрых разновидностях Ethernet-сетей (100 Мбит/с, 1 и 10 Гбит/с) постоянно регистрируются при появлении фронта импульса, что позволяет непрерывно и с высоким качеством восстанавливать тактовую синхронизацию на приемнике. Эти разновидности являются хорошими кандидатами для реализации синхронизированной Ethernet-сети. На рисунке 1 схематически представлена сеть Gigabit Ethernet (1000Base-T) для передачи сигнала по медному проводу. В Gigabit Ethernet с медным проводом используется линейное кодирование наряду с передачей по всем четырем парам кабеля CAT-5 для компенсации ограниченной ширины полосы витой пары этого кабеля. Передача осуществляется одновременно в оба конца, как это происходит в сетях ISDN и xDSL, где для подавления эха применяются алгоритмы цифровой обработки сигнала. Подавление эха значительно упрощается в том случае, если частота, с которой передаются данные, одинакова в обоих направлениях. Это достигается в концепции master/slave (ведущий/ведомый) сети Gigabit Ethernet. Ведущий блок отправляет синхросигнал от независимого кварцевого генератора, а ведомый блок восстанавливает опорный тактовый сигнал из полученных данных и использует его для передачи собственных данных. Ведущий и ведомый блоки определяются в автопереговорном процессе. Ведущему блоку, как правило, назначается редко используемое случайное значение, но оно устанавливается и вручную. Из рисунка 2 видно, что синхронизация действительно осуществляется в Ethernet на каждом сетевом сегменте между двумя соседними узлами, но она не распространяется от сегмента к сегменту. Таким образом, узел принимает тактовый сигнал, восстанавливает его, а затем пересылает всем передающим узлам (см. рис. 3).

Рис. 2. Синхронизация на физическом уровне в традиционной Ethernet-сети

www.elcp.ru

Разумеется, восстановленный сигнал нуждается в очистке с помощью ФАПЧ, позволяющей устранить джиттер из цепи восстановления тактового сигнала до того, как он поступит на передающее устройство. Кроме того, необходимо вручную настроить порты в тракте передачи сигнала синхронизации, что делается для чередования функций ведущего и ведомого блоков (только для сети 1000Base-T). В случае оптоволоконной сети Gigabit Ethernet (1000Base-X) или 10 Gigabit Ethernet (10GBASE) такая необходимость отсутствует, т.к. один волоконный тракт используется для передачи, другой  — для приема (по одному оптоволокну сигнал передается только в одном направлении) и, следовательно, функции ведущего и ведомого узлов не требуются. Любое устройство физического уровня сетей Gigabit Ethernet или 10 Gigabit Ethernet должно поддерживать синхронизированную Ethernetсеть, обеспечивая восстановленный синхросигнал на одном из своих выходов. Восстановленный синхросигнал очищается с помощью системы ФАПЧ и передается на вход 25-МГц кварцевого генератора физического устройства. Несколько новых физических устройств Ethernet-сети обеспечивают специальный вывод для входного тактового сигнала. Преимуществом этого метода является то, что частота входного сигнала может быть выше 25 МГц  — чем выше частота синхронизации, тем, как правило, меньше джиттер. Кроме того, данный метод позволяет избежать каких-либо потенциальных проблем, связанных с циклом синхронизации физического устройства. Требования к синхронизи­ рованной сети Ethernet

Из сказанного можно сделать преждевременный вывод о том, что единственная функция системы ФАПЧ, используемой в технологии SyncE, заключается в очистке восстановленного сигнала от джиттера. Однако в


Рис. 3. Синхронизация на физическом уровне в Ethernet

Сети и интерфейсы

28

Рис. 4. Резервная синхронизация в SyncE-системе операторского класса

SyncE схема ФАПЧ должна обеспечивать и другие функции. Например, если приемное устройство физического уровня (см. рис. 3, узел 2, PHY 1) отсоединилось от линии, восстановленная частота синхронизации перестанет или начнет дрейфовать, в зависимости от того, как реализована схема восстановления синхронизации после сбоя. ФАПЧ общего назначения не отследит этого большого изменения в частоте на передающем физическом устройстве (см. рис. 3, узел 2, физ. уровень 2), и в результате не только тактовый сигнал не будет передан, но и, возможно, не произойдет и передача данных.

www.elcp.ru

Схема ФАПЧ в технологии SyncE должна обнаруживать сбой восстановленного сигнала синхронизации и уметь переключаться либо на другой хороший опорный сигнал системы, либо переключать генератор в режим удержания. Требования к SyncE кратко изложены в спецификации внутренних часов синхронной Ethernet-сети (ITU G.8262/Y1362). Эти требования основаны на спецификации ITU-T G.813 для тактовых сигналов стандарта SDH. Ниже перечислены основные требования ITU G.8262/Y1362. – Точность в автономном режиме: точность выходного сигнала схемы ФАПЧ, когда она не управляется опор-

ным сигналом, должна быть равной или выше чем ±4,6 ppm в течение одного года. Это очень высокая точность относительно точности традиционной Ethernet-сети (±100 ppm). – Режим удержания: система ФАПЧ постоянно рассчитывает среднее значение частоты синхронизированного опорного сигнала. В случае если опорный сигнал не поступает, а также отсутствуют другие опорные сигналы, ФАПЧ переходит в режим удержания и генерирует выходной синхросигнал на основе расчетного среднего значения. Устойчивость режима зависит от разрешения усредняющего алгоритма и стабильности частоты генератора,


Реализация систем SyncE

SyncE-системы операторского класса должны обеспечивать высокона­ дежное функционирование при всех условиях. Для этого наиболее важные компоненты системы имеют некоторую избыточность, в т.ч. в отношении синхронизации. Синхронизация в системе операторского класса реализуется с помощью двух плат, с которых тактовые сигналы поступают на несколько линейных плат через общую плату, как видно из рисунка 4. Все линейные платы синхронизируются с тактовым сигналом, поступающим с активной платы. Если, например, ее не подключили, линейные платы станут синхронизоваться с сигналом, поступающим с резервной платы. Переключение с одной платы синхронизации на другую не должно вызывать прерывания или сбой в системе. Две платы синхронизации обеспечивают защиту системы на случай отказа одной из них. Из рисунка 4 видно, что платы имеют возможность синхронизоваться от более чем одного опорного сигнала. Плата принимает

Рис. 5. Цифровой канал связи следующего поколения

опорные сигналы из нескольких источников, выбирает один из них, очищает от фазового шума с помощью цифровой ФАПЧ и передает линейным платам через общую панель. Цифровая схема ФАПЧ является наиболее важной составляющей платы синхронизации. Опорные сигналы цифровой ФАПЧ могут поступать извне с блока SSU/BITS, изнутри с линейных плат или от другой платы синхронизации в системе. Цифровая ФАПЧ платы синхронизации должна отвечать всем требованиям рекомендации ITU-T G.8262/ Y1362. Как видно из рисунка 4, каждая линейная плата оснащена схемой цифровой ФАПЧ, которая позволяет уменьшить джиттер и преобразовать частоту, например, 25-МГц тактового сигнала в один или более тактовый сигнал для Ethernet PHY с частотой 125, 156,25, 155,52 МГц и т.д. Цифровая ФАПЧ линейной платы должна также обеспечить переключение без паузы между активным и резервным тактовым сигналом, например в случае, когда активный синхросигнал неожиданно исчезает, а система еще не обнаружила сбой и не переключила цифровую схему ФАПЧ линейной платы на резервный опорный сигнал. Для цифровой ФАПЧ линейной платы, как и для любой другой сехмы ФАПЧ, требуется кварцевый генератор. Стоимость этого генератора невысока, т.к. для цифровой ФАПЧ линейной платы не требуется режим удержания (кроме коротких интервалов времени переключения с активного на резервный тактовый сигнал). В случае если этот режим занимает продолжительное время, система использует цифровую ФАПЧ платы синхронизации и потому ей необходимы кварцевые генераторы более высокого качества (TCXO, OCXO).

Малые SyncE-системы, которым не требуется резервная синхронизция, обычно имеют только одну цифровую схему ФАПЧ. Она должна удовлетворять всем требованиям как цифровой системы ФАПЧ платы синхронизации, так и цифровой ФАПЧ линейной платы. У этой ФАПЧ должна быть узкая ширина полосы петли, функция удержания высокого качества (требуется TCXO или OCXO), возможность переключения опорного сигнала без паузы и очень малый собственный джиттер. В зависимости от того или иного приложения, может также потребоваться, чтобы эта цифровая ФАПЧ генерировала такие частоты как 8 кГц; 2,048; 1, 544; 34,368; 44,736 МГц и т.д. На рисунке 5 показан цифровой канал связи (Digital Loop Carrier, или ЦКС) следующего поколения, работающий на тактовых частотах Ethernet-сети и телекома. Этот канал устанавливается таким образом, чтобы объединить трафик телефонных станций, линий xDSL и сетей T1/E1, свести к минимуму количество линий, идущих в центральный офис (ЦО), и увеличить скорость передачи данных по xDSL за счет укорачивания медных линий. Совокупный трафик передается в ЦО по оптоволоконному кабелю или нескольким медным линиям. Традиционно, в ЦКС для передачи данных между этим каналом и центральным офисом использовались технологии SONET/SDH или T3/E3. Однако эти каналы заменили Ethernet-сетью благодаря низким капитальным затратам и операционным расходам на ее реализацию. Литература 1. Slobodan Milijevic. An introduction to Synchronized Ethernet// www.videsignline. com/showArticle.jhtml?articleID=215801063&ci d=NL_vidl.

электронные компоненты  №9 2009

29 Сети и интерфейсы

используемого в качестве задающего тактового генератора ФАПЧ. – Контроль за опорным сигналом: система ФАПЧ должна постоянно контролировать качество входных опорных сигналов. Если оно ухудшается (сигнал исчезает, или дрейфует частота), блок ФАПЧ подает сигнал тревоги (прерывания) и переключается на другой действующий опорный сигнал. – Переключение опорного сигнала без паузы: если ФАПЧ-система не обнаруживает опорного сигнала, она захватывает другой опорный сигнал. При этом фаза сигнала не изменяется. – Фильтрация джиттера и стабилизация дрейфа: блок ФАПЧ можно рассматривать как фильтр для джиттера и средство стабилизации дрейфа. Чем уже ширина полосы петли, тем меньше джиттер и дрейф. – Устойчивость к джиттеру и дрейфу: система ФАПЧ должна быть устойчивой к большому джиттеру и дрейфу на входе и поддерживать синхронизацию, не генерируя сигнала тревоги. Эти жесткие требования можно удовлетворить только с помощью цифровой системы ФАПЧ (DPLL), схожей с той, которая используется для синхронизации сети SONET/SDH. Основное различие заключается в том, что система SyncE DPLL должна захватывать и генерировать тактовые частоты, используемые в Ethernet (25, 125 и 156,25 MГц), тогда как в SONET/SDH задействованы другие значения тактовых частот (19,44 и 155,52 MГц).


Выбор оптимального соотношения между скоростью передачи сигнала по CAN-протоколу и длиной кабеля Кларк Киннэйрд (Clark Kinnaird), инженер по системотехнике, Texas Instruments Ключевой особенностью протокола CAN является вопрос о разрешении конфликта на шине, когда более чем один узел пытается передать данные через общую шину. CAN использует побитовый арбитраж для выбора узла, который должен продолжить передачу сигнала. Поскольку узлы анализируют каждый бит и обязаны уступить передачу сообщениям с более высоким приоритетом, их время отклика должно быть достаточно коротким, чтобы прекратить ее и предотвратить повреждение следующего бита. В статье, являющейся переводом [1], анализируется это ограничение, чтобы получить приемлемое время задержки и длину кабеля. Случай 1. Стандартное бесконфликтное функционирование CAN-шины

Рис. 1. Стандартная передача сигнала от А к В

Рис. 2. Отложенный конфликт — у узла В приоритет выше

Сети и интерфейсы

30

Обычно только один узел пытается в определенный момент времени установить связь через общую CAN-шину. Мы рассмотрим сеть из двух узлов и обобщим выводы в отношении сети с большим количеством узлов. На рисунке 1 проиллюстрирован принцип ее работы. Поначалу оба узла находятся в рецессивном состоянии, в котором на шину не поступает разностный сигнал (см. рис. 1а). При установлении связи узел А инициирует CAN-сообщение с доминантным битом. Сигнал передачи данных (TXD) CANприемопередатчика является логическим нулем, который побуждает адаптер-усилитель дифференциальной линии сгенерировать дифференциальный сигнал на линиях шины (см. рис. 1б). Приемник в узле А принимает этот сигнал и выдает логический нуль на выво-

де принятых данных (RXD). На кабеле, представляющем собой витую пару, устанавливается дифференциальное напряжение, как показано на рисунках 1в и 1г. Дифференциальный сигнал достигает узла В, а приемник в этом узле также выдает логическую единицу на RXD (см. рис. 1д). В этой точке узлу В известно, что А приступил к передаче CAN-сообщения и, следовательно, узел В не начнет передачу, до тех пор пока А не закончит передавать сообщение. Следует заметить, что узел В не мгновенно узнает о том, что А начал передачу сообщения, т.к. на распространение сигнала от А к В требуется некоторое время. Совокупная задержка в этом случае является суммой задержки при распространении сигнала через приемопередатчик (а также соответствующую гальваническую развязку и буферные цепи) в узле А, задержки передачи по кабелю и задержки распространения по приемопередатчику,

www.elcp.ru

гальванической развязке и буферным цепям В. На первый взгляд, складывается впечатление, что эта односторонняя задержка является важным временным ограничением, необходимым для того, чтобы узел В не конфликтовал с сообщениями от А. Как видно из анализа Случая 2, это не совсем так. Случай 2. Отложенный конфликт по схеме «приоритет более позднего сообщения выше»

В следующем сценарии (см. рис. 2) предполагается, что узел А инициирует сообщение, а спустя короткое время узел В инициирует сообщение с более высоким приоритетом. Как и прежде, поначалу оба узла находятся в рецессивном режиме (см. рис. 2а), затем А инициирует сообщение (см. рис. 2б). На кабеле вновь устанавливается дифференциальное напряжение. Прежде чем сигнал достигнет приемника в узле В, он инициирует сообщение с доминантным битом (см. рис. 2в). В этот момент оба узла передают доминантные биты, и оба их получают (см. рис. 2г), но ни один из узлов не знает о том, что другой активен. Поскольку в рассматриваемом случае у узла А сообщение имеет более низкий приоритет, в определенный момент времени этот узел выдает рецессивный бит, установив сигнал TXD равным нулю (см. рис. 2д). При этом для сигнала RXD шина по-прежнему остается в доминантном состоянии благадаря активности узла В. Анализируя гипотетическую ситуацию с помощью полученных на практике значений задержек, можно лучше понять эти временные требования.


Предположим, что в случае с сетью из двух узлов суммарная односторонняя задержка составляет 200 нс, скорость передачи сигналов — 1 Мбит/с, или максимально возможная в соответствии со стандартом ISO 11898-2. Таким образом, время прохождения бита равно 100 нс. Эта ситуация схожа со Случаем 2, за исключением того, что второй бит от узла В является нулевым (рецессивным) в соответствии с приоритетом сообщения от узла А. (В Случае 2 у узла В был второй доминантный бит, указывавший на более высокий приоритет сообщения). Случай 3. Отложенный конфликт — у узлов А и В одинаковый приоритет

Сети и интерфейсы

32

На рисунке 3 узел А начинает передачу сообщения в момент времени t =  0, передавая доминантный бит на шину (см. рис. 3б). Как и в случае на рисунке 2, возможна ситуация, когда узел В начнет передачу в момент времени t  =  199  нс до того, как получит сигнал от А (см. рис. 3в). Ни один из узлов не знает о том, что другой тоже активен, пока узел А не переключится в рецессивное состояние в начале передачи второго бита в момент времени t  =  1000  нс. Узел В затем переключается в рецессивное состояние в начале передачи второго бита в момент времени t = 1199 нс. После еще одной односторонней задержки этот рецессивный сигнал достигает узла А в момент времени t  =  1399  нс. Только после этого узел А прочтет сигнал RXD и убедится в том, что представлено истинное состояние сети. Следует заметить, что только спустя время, равное двум односторонним задержкам, узел А отличит Случай  3  от  2. Благодаря схеме побитового арбитража, применяемой в CAN-протоколе, двусторонняя задержка должна с запасом укладываться во временной бюджет одиночного бита, в данном случае — в 1000 нс. Иначе узел может приступить к передаче третьего бита, прежде чем завершится арбитраж второго.

ции локальной системы. На практике PROP_SEG ограничивает точку выборки сигнала значением около 5/6 или менее от суммарного времени прохождения бита, чтобы учесть другие сегменты сети, т.е. двусторонняя задержка ограничивается некоторой частью времени прохождения бита. CAN-стандарт определяет задержку распространения сигнала в кабеле величиной 5 нс/м, а максимальную длину кабеля  — 40 м при передаче сигнала со скоростью 1 Мбит/с. Если время передачи одного бита равно 1000  нс, точке выборки (установленной PROP_SEG) соответствует значение 850  нс. Односторонняя задержка в кабеле составляет 200  нс (400  нс  — двухсторонняя задержка), т.е. около 450  нс остается на суммарную задержку приемопередатчика и соответствующих цепей. В документации производителей приемопередатчиков CAN часто указывается значение времени задержки в петле, равное сумме задержек передатчика и приемника. Поскольку в расчете двустороннего прохождения сигнала учитываются два приемопередатчика, у каждого из них время задержки в петле должно быть равным 225 нс или менее для 40-м шины и скорости передачи 1 Мбит/с. Если в приемопередатчик входят дополнительные компоненты, например изоляции или защиты, общий бюджет должен предусмотреть также задержку сигнала на этих элементах. Даже у высокоскростных оптопар, как правило, односторонняя задержка составляет 40  нс и более, а сигнал в прямом и обратном направлениях должен пройти через четыре оптопары. В результате допустимая длина кабеля CAN-систем с использованием оптоизоляции значительно уменьшается (или увеличивается время прохождения бита). При скорости 1 Мбит/с задержки, вызванные использованием быстрых оптопар, снижают допустимую длину кабеля в соответствии с уравнением Lсниж. = 1/2∙4∙40 нс/(5 нс/м) = 16 м.

Рис. 3. Отложенный конфликт — у узлов А и В одинаковый приоритет

График на рисунке 4 иллюстрирует, как на оптимальное соотношение между скоростью передачи сигнала и длиной кабеля влияет задержка сигнала в приемопередатчике. Задержка в приемопередатчике (включая задержку в гальванической развязке, компонентах преобразования уровня и защиты) имеет особое значение при скоростях передачи сигнала 500 Кбит/с и выше. Высокоскоростной CAN-приемо­ передатчик с гальванической развязкой на диоксиде кремния в едином корпусе (ISO1050) уже предлагается на рынке. Благодаря тому, что суммарное время задержки в петле в худшем случае составляет менее 210 нс (включая прохождение сигнала по передатчику, приемнику и двум каналам гальванической развязки), его можно снизить и упростить расчет времени передачи сигнала для изолированных CAN-решений. Кроме того, имеется возможность реализовать функцию преобразования

Ограничения, накладываемые на скорость передачи сигналов и длину кабеля

Исходя из того, что значение двусторонней задержки является определяющим параметром, CAN устанавливает программируемую задержку распространения (PROP_SEG) как часть каждого бита, обеспечивая достаточно длительное время ожидания, прежде чем приступить к выборке данных шины. Описание расчета PROP_SEG выходит за рамки данной статьи, но следует заметить, что он учитывает двустороннюю задержку и частоту синхрониза-

www.elcp.ru

Рис. 4. Задержка при прохождении сигнала через приемопередатчик влияет на оптимальное соотношение между скоростью передачи сигнала и длиной кабеля


уровня напряжения с 3,3 В контроллера до 5 В CAN-приемопередатчика без дополнительной задержки. Разумеется, следует учитывать и другие параметры при проектировании оптимальной системы, с точки зрения выбора скорости передачи сигнала и длины кабеля. Нагрузка, межузловой интервал и длина ответвлений являются существенными факторами, обеспечивающими качество передачи сигнала и помехозащищенность системы [2]. Пример с использованием экспериментальных данных

Рис. 5. Передача сигнала по CAN-протоколу по 50-м кабелю со скоростью 1 Мбит/с Заключение

При использовании CAN-протокола связи во множестве приложений разработчикам требуется оценить соотношение между временными ограничениями и длиной кабеля. Каждый компонент сигнальной цепи вносит свой вклад в общий временной бюджет, поэтому для надежной связи требуется учесть суммарную

задержку в прямом и обратном направлениях. Использование быстрых приемопередатичков типа ISO1050 обеспечивает своевременную передачу сигнала. Литература 1. www.embedded.com/218900370?cid= NL_embedded. 2. www.ti.com/interface-ca.

33 сети и интерфейсы

Для иллюстрации сказанного рассмотрим лабораторную установку с двумя изолированными CAN-узлами и 50-м кабелем. Ожидается, чтот задержка прохождения сигнала по кабелю составит 250 нс в каждом направлении, задержка в петле изолированного приемопередатчика  — около 150  нс, что является стандартным значением для устройства ISO1050. Таким образом, как видно из рисунка 5, в узле А задержка составляет около 800  нс после старта бита. При передаче со скоростью 1 Мбит/с и при указанном значении точки выборки сигнала имеется достаточный запас времени до того, как закончится бит. Таким образом, благодаря быстрым приемопередатчикам длина кабеля может достигать более 40 м.

электронные компоненты  №9 2009


Реализация High-speed USB на ядре Cortex-M3 Джеко Уилбринк (Jacko Wilbrink), директор по маркетингу, Atmel Статья посвящена вопросу реализации высокоскоростного интерфейса USB на микроконтроллерах с относительно низкой тактовой частотой. Рассмотрен принцип организации прямого доступа к памяти и много­ уровневых шин для обмена данными. Данная статья является сокращен­ ным переводом работы [1].

Сети и интерфейсы

34

В компьютерной технике стандарт USB уже полностью вытеснил интерфейсы UART, PS2 и IEEE-1284. Теперь он находит все более широкое применение во встраиваемых системах. Секрет популярности USB заключается в его универсальности и полной совместимости USB-устройств различных производителей без дополнительных драйверов. К одной шине USB можно подключать несколько устройств, и они не будут влиять на работу друг друга. Стандарт USB удобен еще и тем, что позволяет обмениваться информацией не только между устройствами, но и между печатными платами внутри одного устройства. Именно поэтому многие производители 32-разрядных микроконтроллеров (МК) и микропроцессоров (МП) включают в набор стандартной периферии интерфейс USB, обычно версии Full-Speed, обеспечивающей обмен данными со скоростью до 12 Мбит/с. Однако в современных системах объем информации зачастую достигает несколько Гбайт, которые должны быть переданы за секунды. Для работы на таких скоростях был разработан стандарт High-Speed USB, осуществляющий обмен со скоростью до 480 Мбит/с. Несомненно, стандарт USB HighSpeed, следуя потребностям рынка, вскоре перейдет во встраиваемые приложения. С другой стороны, тактовые частоты многих МК не достаточно высоки, чтобы обеспечить обмен на скорости 480 Мбит/с. Например, ядро Cortex-M3 работает на частотах менее 100 МГц.

Принцип решения данной проблемы основан на том, что архитектура быстродействующих МК, например ARM-9, адаптируется под медленное ядро Cortex-M3, а область памяти разделяется на несколько блоков, чтобы критичные ко времени задачи выполнялись одновременно с пересылкой данных. Следует обратить внимание, что передача информации обязательно должна производиться через прямой доступ к памяти (DMA — direct memory access), чтобы не загружать ЦП. Для наглядности в таблице 1 приведено сравнение быстродействия системы с использованием ПДП и без него. Организация ПДП

При реализации ПДП используются три типа контроллеров: – периферийный контроллер ПДП (peripheral DMA controller — PDC), соединяющий напрямую низкоскоростные периферийные устройства с блоками памяти в наиболее простых случаях; – специализированный контроллер, оптимизированный для работы с периферией, обеспечивающий максимальную полосу пропускания; – центральный контроллер ПДП, оптимизированный для пересылки данных между блоками памяти или блоками памяти и высокоскоростными периферийными устройствами. Оптимальная по соотношению цена/ качество реализация ПДП обеспечивается при сочетании этих трех видов контроллеров. В случае необходимости можно воспользоваться более эконо-

Таблица 1. Чтение с флэш-памяти. Микроконтроллер SAM7X, тактовая частота 55 МГц, режим Thumb Скорость передачи, Кбит/с 0 115,2 500 1000 1500 2000 4000 6000 8000 10000

www.elcp.ru

Свободные ресурсы ЦП Без использования ПДП, % С использованием ПДП, % 100 100 96 99 86 99 72 99 58 99 45 99 0 98 Недостижимо 97 Недостижимо 97 Недостижимо 96

мичным вариантом, когда обмен осуществляется только с помощью одного контроллера ПДП, однако при этом характеристики системы несколько ухудшаются. Интерфейс работы с периферийным контроллером ПДП встроен в память каждого периферийного устройства. Он содержит 32-разрядный региструказатель памяти, 16-разрядный регистр-счетчик передач, 32-разрядный регистр-указатель памяти, содержащий значение следующей ячейки, и 16-разрядный регистр для следующего счетчика передач. Рассмотрим процедуру приема информации. Получив внешний символ, периферийное устройство посылает контроллеру сигнал готовности Receive Ready. По этой команде контроллер запрашивает доступ к системной шине. Получив его, он считывает содержимое регистра Receive Holding Register (RHR) и переписывает его в память. После каждой такой процедуры указатель памяти инкрементируется, а количество оставшихся передач уменьшается на единицу. Когда блок памяти заполняется, автоматически начинает формироваться следующий, либо контроллеру посылается сигнал прекращения передачи. Передача данных от периферийного устройства производится аналогичным образом, но все операции следуют в обратном порядке. После отправки каждого программного блока генерируется прерывание, и начинается передача следующего блока. Одновременно в ARM-процессоре может производиться обработка последнего переданного блока, что позволит избежать дополнительных процедур обновления указателей памяти и ускорит обмен. Если однотипные периферийные устройства (приемник или передатчик) одновременно запрашивают линию, то их приоритетность определяется в соответствии с порядковыми номерами. Если запросы приходят не одновременно, то они обрабатываются по очереди. По умолчанию запросы при-


емников имеют более высокий приоритет, чем от передатчиков. При обмене со скоростью более 10 Мбит/с время доступа к внутренней шине становится критичным и двухуровневых буферов приема и передачи уже недостаточно. Требуется центральный контроллер ПДП с более глубоким буфером и возможностью пакетной передачи данных. Центральный контроллер ПДП имеет встроенный буфер FIFO для повышения устойчивости к задержкам на шине, функцию пакетной передачи с конфигурируемой длиной посылки, возможность распределения и сбора данных, а также обеспечивает работу со списком указателей. Он программируется для передачи либо между блоками памяти, либо между памятью и периферийным устройством. Каждому специализированному контроллеру ПДП отводится свой уровень на шине, чтобы не возникало задержек получения доступа. Память для хранения микрокадров также разделяется так, чтобы на каждый контроллер приходилось по крайней мере по три банка. Описанная реализация High-Speed USB на ядре Cortex-M3 с тактовой частотой 96 МГц, 5-уровневой шиной и двумя основными блоками SRAM схематично изображена на рисунке  1. Она обеспечивает скорость обмена 480 Мбит/с.

Организация памяти

Процессор Cortex-M3 имеет три шины памяти: шина инструкций (I), шина данных (D) и системная шина (S). По всем шинам доступ к памяти осуществляется в один такт. Исключение составляет выборка команд на шине S. Для увеличения скорости выборки команд и уменьшения времени доступа следует либо разрешить доступ к SRAM в один такт на шине I, либо увеличить разрядность флэш-памяти, чтобы несколько инструкций считывалось одновременно. Для работы на тактовой частоте 96 МГц можно использовать только достаточно быстродействующую память SRAM. Однако если для оптимизации быстродействия используется несколько встроенных в кристалл SRАM, то резко увеличивается стоимость системы и ее потребление в режиме ожидания. В то же время более дешевая энергонезависимая флэшпамять не способна работать на частоте процессора Cortex-M3. Типичное время доступа к флэшпамяти составляет 35…50 нс, а такт Cortex-M3 длится всего 13 нс. Для компенсации этой разницы размер флэш-памяти увеличивают до 64 или 128 бит, что соответствует 4 или 8 инструкциям, и за один такт считывается несколько инструкций. Они запоминаются в регистре и затем

Многоуровневая шина

Другая проблема при больших объемах вычислениях — пропускная способность шины. Когда несколько контроллеров ПДП и процессор пересылают большой объем данных по шине, она может начать работать с перегрузкой и работа системы замедлится. 32-разрядная шина, тактируемая на частоте 48 МГц, имеет максимальную скорость передачи данных 1,5 Гбит/с. При большом объеме передаваемых данных, такая пропускная способность шины бывает недостаточной.

электронные компоненты  №9 2009

35 Сети и интерфейсы

Рис. 1. Реализация High-Speed USB на МК Cortex-M3

поочередно, без задержек, выполняются на тактовой частоте 96 МГц. В качестве сверхоперативной памяти для хранения данных также должны быть использованы модули SRAM. Для увеличения производительности память SRAM разделяют на несколько блоков, чтобы периферийные устройства и процессор могли одновременно пересылать данные по параллельным шинам. Эти блоки могут быть сконфигурированы программно на работу в качестве основной памяти. Блоки памяти данных, подсоединенные к шине D, не доступны другим внешним устройствам или контроллерам ПДП. Внутри микроконтроллера Cor­ tex-M3 с высокоскоростным интерфейсом USB в общем случае будут использоваться другие протоколы связи и хранения данных. Соответственно, для ускорения обмена данными и процесса преобразования протоколов обработку информации и управление системой необходимо осуществлять параллельно, используя общие блоки SRAM. Контролеры ПДП и шина S процессора могут быть подключены к встроенной в кристалл многоуровневой шине (multi-layer bus matrix) в качестве контроллеров шины, чтобы они всегда имели прямой доступ к блокам памяти. В таблице 2 приводится сравнение характеристик ARM7 и Cortex-M3. При выборе МК необходимо учитывать скорость обмена с внешними модулями памяти. Из таблицы видно, что ядро ARM7 обеспечивает передачу данных по внешней шине со скоростью 0,54…0,67 DMIPS/МГц, а Cortex-М3 — только 0,117 DMIPS/МГц.


Сети и интерфейсы

36

Проблема разрешается путем использования нескольких параллельных шин на кристалле. Такая конфигурация иногда называется шиной с многоуровневой матрицей. В многоуровневых высокопроизводительных шинах (AHB — Advanced High-perfomance Bus) процессор и все контроллеры ПДП имеют собственный уровень в шине (см. рис. 2). В отличие от ядра ARM7, которое поддерживает только одноуровневую развитую системную шину (ASB — Advanced System Bus), Cortex-M3 имеет встроенную поддержку многоуровневых шин. Соответственно, оно больше подходит для МК с High-speed USB. Когда несколько внешних устройств использует один и тот же канал прямого доступа или когда блоки памяти объединены, используется арбитраж. Многоуровневые шины имеют ряд достоинств по отношению к одноуровневым. Во-первых, они изначально разработаны для параллельной передачи данных. Количество параллельных уровней может регулироваться в соответствии с нагрузкой системы.

Рис. 2. Подключение внешних устройств через многоуровневую шину

Во-вторых, они разделяют каналы передачи так, чтобы контроллеры ПДП не мешали процессору управлять системой. Если при этом оперативная память будет разделена на независимые блоки, то возникновение конфликтов полностью предотвратится.

Таблица 2. Максимальное быстродействие. Тест Dhrystone 2.1, компилятор RVCT, оптимизация по быстродействию, нулевой период ожидания Контроллер ЦП Внутренняя память Внешняя память

www.elcp.ru

SAM7SE ARM7TDMI 0,95 DMIPS/МГц (ARM32) 0,78 DMIPS/МГц (Thumb16) 0,54 DMIPS/МГц (ARM32) 0,67 DMIPS/МГц (Thumb16)

STM32F106 Cortex-M3 1,22 DMIPS/МГц (Thumb2) 0,117 DMIPS/МГц (Thumb2)

Заключение

Мы рассмотрели реализацию USB 2.0 High-Speed на ядре Cortex-M3. Заметим, что скорость обмена по этому интерфейсу является одной из самых высоких. Принимая во внимание распространенность USB, можно сделать вывод, что он станет стандартом для встраиваемых приложений как в современных системах, так и в электронике завтрашнего дня. Литература 1. Jacko Wilbrink. Beefing up the Cortex-M3based MCU to Handle 480 Mbps High-speed USB.


Как повысить скорость обмена по Hi-Speed USB Тимоти Канг (Timothy Kung), менеджер по продукции, Cypress Semiconductor

С распространением цифровых мультимедийных устройств требования к скорости обмена звуковыми файлами, фильмами и фотографиями растут. В статье рассматриваются различные варианты реализации интерфейса USB, их достоинства и недостатки. Статья представляет собой сокращенный перевод работы [1].

Варианты подключения

Интерфейс Hi-Speed USB стал практически обязательным для современных устройств, он удобен и подходит для широкого круга задач. В зависимости от архитектурного исполнения, Hi-Speed USB может обладать разными характеристиками. Рассмотрим несколько основных архитектур (см. рис. 1). Во-первых, в некоторых процессорах имеется встроенная поддержка USB. Такие процессоры обычно содержат несколько ядер, чтобы обрабатывать одновременно несколько потоков (музыка и видео, например). В этом случае требуется только внешний приемопередатчик USB, чтобы обеспечить физический уровень обмена. Можно использовать и внутренний, однако это менее эффективный и более затратный вариант, поскольку аналоговая схема USB займет много места на кристалле. Другой вариант подключения — через автономный USB-контроллер (см. рис. 1б). Он содержит в себе все блоки, необходимые для обмена по протоколу Hi-Speed USB, в т.ч. механизм последовательного интерфейса (SIE — serial interface engine) и приемопередатчик. Контроллер подключается к главному процессору через интерфейс ОЗУ.

Третий способ подключения основан на применении микросхем обмена (bridge chip), которые помимо других возможностей обеспечивают поддержку USB. Как и в предыдущем случае, эти устройства обычно подключаются к процессору через интерфейс памяти.

а)

Сравнение архитектур

Хотя скорость обмена по Hi-Speed USB имеет теоретический предел 480 Мбит/с, на практике он не достигается из-за программной обработки сигнала. Архитектура и реализация канала Hi-Speed USB имеют определяющее значение для характеристик подключения. Проведем эксперимент. Засечем время, необходимое для записи 1 видеофайла размером 677 Мбайт на телефоны различных производителей. Диаграмма с результатами приведена на рисунке 2. Видно, что скорость передачи сильно различается, примерно от 10 до более 140 Мбит/с. Если подключение осуществляется через автономный контроллер, то принимаемые данные сначала буферизуются в SDRAM, а только затем поступают на карту памяти устройства (NAND или SD). Процесс записи производится в несколько этапов и занимает большую часть ресурсов процессора (см. рис. 3).

б)

в)

37 Рис. 1. Способы реализации подключения USB Сети и интерфейсы

Для загрузки информации в портативное устройство наиболее часто используется интерфейс USB, поскольку на сегодняшний день он является самым распространенным и универсальным. Стандарт USB объединяет несколько конфигураций начиная от Full-Speed и заканчивая High-Speed USB. Первые версии стандарта (Full-Speed) обеспечивали очень низкую скорость передачи порядка 12 Мбит/с. Для копирования музыки этого достаточно, а для видео нужны более высокие скорости. Именно это и привело к созданию Hi-Speed USB, обеспечивающего скорость до 480 Мбит/с, т.е. в 40 раз выше.

Рис. 2. Время, необходимое для записи фильма размером 677 Мбайт на мобильный телефон

электронные компоненты  №9 2009


Рис. 4. Упрощенная схема записи информации с использованием внешнего USB-контроллера

Рис. 3. Механизм записи информации на портативное устройство с использованием внутреннего USBконтроллера

При использовании внутреннего контроллера в идеальном случае сигнал проходит напрямую от USB-устройства в запоминающее устройство (см. рис. 4). Однако на практике все усложняется (см. рис. 5). Ядро ЦП1 используется для управления блоком SIE, а ЦП2 — для обмена со схемой памяти NAND/SD. Для буферизации используется общее синхронное динамическое ОЗУ (SDRAM), разделенное на две независимые области. Каждое ядро имеет доступ только к своей области ОЗУ, поэтому принятые данные буферизуются

дважды — при получении и перед записью на устройство хранения. Этот процесс может занять довольно много ресурсов системы, ухудшив быстродействие обмена. Наконец, третья архитектура (см. рис. 1в) на основе микросхемы обмена (bridge chip). Микросхема обмена обеспечивает поддержку тех периферийных устройств, которые не поддерживаются процессором, образуя своеобразный мост. По аналогии с южным и северным мостами в компьютерной технике такие встраиваемые устройства получили название

западных мостов. Архитектура западного моста (West bridge) позволяет быстро добавить поддержку новых периферийных устройств и протоколов. Из рисунка 6 видно, что USBустройство и карта памяти обмениваются напрямую, без участия процессора. Соответственно, она является наиболее эффективной и быстродействующей из рассмотренных. С другой стороны, она является самой дорогостоящей. Заключение

Выбор в пользу той или иной архитектуры всегда зависит от конкретных условий и требований заказчика. Для простых устройств с малым объемом карты памяти, скорее всего, наиболее подходящей является архитектура со встроенным USB-контроллером. Если в системе объем ОЗУ довольно большой, то лучше использовать микросхемы обмена, которые освободят ресурсы основного процессора для других задач. Литература 1. Timothy Kung. Why Hi-Speed USB doesn't always mean high speed performance.

Сети и интерфейсы

38

Рис. 5. Механизм записи информации с использованием внешнего USB-контроллера

www.elcp.ru

Рис. 6. Механизм записи информации с помощью микросхемы обмена


Изолированный цифровой интерфейс для приемников и передатчиков токовой петли 4...20 мА Альфредо Сааб (Alfredo Saab), менеджер отд. инженеров по применению, Maxim Integrated Products, Inc. Шаста Томас (Shasta Thomas), инженер по применению, Maxim Integrated Products, Inc. Устройства с токовой петлей все еще активно используются в промышленной электронике, но постоянные дополнения и усовершенствования оборудования требуют обеспечения совместимости приемников и передатчиков с новыми поколениями цифровых систем управления. В статье представлены типовые приемники и передатчики, цифровой интерфейс которых не только обеспечивает гальваническую развязку, но и остается совместимым с цепями токовой петли. Токовые петли в цепях измерения и управления

В многочисленных системах измерения и управления, установленных на промышленных предприятиях, аналоговая токовая петля широко используется в качестве типового интерфейса, обеспечивающего передачу сигналов от измерительных устройств или к исполнительным механизмам. Обычно для этого используется диапазон токов 4...20 мА или 5...50 мА, а в редких случаях и другие значения. При этом наиболее распространенным является стандарт 4...20 мА [1]. В токовой петле 4...20 мА по одной паре проводов выделенной линии осуществляется передача одного управляющего сигнала. По цепи пропускается ток в диапазоне 4...20 мА, причем значению 4 мА соответствует «нулевое» значение передаваемого сигнала (этот ток служит также в качестве сигнала подтверждения целостности петли), в то время как ток 20 мА соответствует максимальному значению передаваемого или принимаемого сигнала. Таким образом, типовая петля измерительной цепи состоит из источника питания (обычно 24 или 36 В), передатчика, работающего в режиме источника тока (управляемого измерительным устройством), двухпроводной петли и приемника, осуществляющего измерение тока путем считывания падения напряжения на прецизионном измерительном резисторе. При этом все компоненты цепи включены последовательно. В состав петли управления входят те же самые элементы и в той же конфигурации. Отличие состоит только в том, что передатчик возбуждается управляющим сигналом, а приемником является исполнительный привод с токовым управлением. Первостепенным условием для работы компонентов токовой петли является необходимость обеспечения гальванической развязки от земли во всех точках подключения компонентов к общей петле. Единственным исключением, диктуемым соображениями безопасности, является необходимость заземления одного из двух соединительных проводов. Никакие другие соединения с землей не допускаются в каких-либо других точках токовой петли. Точность передачи измерительного сигнала обеспечивается тем, что весь ток полностью протекает по токовой петле. Это означает, что он должен протекать непосредственно по ней без каких-либо шунтирующих контуров. Не допускается утечки тока в другие цепи (например, петли заземления) в любых точках петли. Требование обеспечения необходимой точности диктует в свою очередь необходимость гальванической развязки компонентов токовой петли. Приемник и передатчик всегда располагаются на разных концах токовой петли, в то время как источник питания

может располагаться на любом из концов, а передатчик может являться как источником, так и потребителем тока. Другое накладываемое петлей условие состоит в том, что напряжение питания за вычетом падения напряжения в проводах и приемнике (вычисленное по таблице параметров соединительных проводов и по техническим параметрам приемника, причем оба параметра берутся для максимального значения температуры и при максимальном токе петли 20 мА) должно быть достаточно высоким, чтобы гарантировать работу передатчика в режиме источника тока и обеспечить необходимый запас на старение компонентов. Передатчик

Предполагая идеальность токовой петли, точность передачи сигнала по ней будет зависеть по существу от точности, с которой управляющий передатчиком сигнал измерительного устройства (или схемы управления) будет преобразован в прецизионный ток петли. Качество этого преобразования зависит в основном от линейности и стабильности передаточной функции (как в «нулевой» точке 4 мА, так и при максимальном «усилении» в 20 мА), измеренной приемником. Для обеспечения необходимой точности требуется минимизировать чувствительность передаточной функции к таким факторам как температура, физическая длина петли и нестабильность ее напряжения питания. Выход передатчика должен обладать достаточно высоким динамическим выходным импедансом, чтобы падение напряжения на соединительных выводах петли было относительно невелико и не оказывало влияние на значение выходного тока. Максимальное напряжение, выдерживаемое выводами передатчика, имеет также важное значение. Чем оно выше, тем лучше, принимая во внимание, что электромагнитные условия на промышленных предприятиях далеко не всегда идеальны. Большая устойчивость к высоковольтным переходным процессам увеличивает вероятность сохранения работоспособности устройства в таких условиях электромагнитного воздействия, как например происходящие поблизости искровые разряды или короткие замыкания в цепях большой мощности. Минимальное рабочее напряжение, в свою очередь, должно быть небольшим. Оно непосредственно влияет на максимальную длину петли и минимально допустимое сечение проводников. Приведенная на рисунке 1 схема передатчика обладает очень большим выходным сопротивлением (108...109 Ом) и широким диапазоном выходного рабочего напряжения (3...90 В). Минимальное значение напряжения определяется напряжением питания выходного операционного усилителя, составляющим для усилителя MAX4236 [2] поряд-

электронные компоненты №9 2009

39


Рис. 1. Передатчик токовой петли 4…20 мА с питанием от петли и изолированным интерфейсом с магнитной развязкой

ка 2,5 В. Максимальное напряжение определяется допустимой мощностью рассеяния в выходных полупроводниковых приборах (n-канальных МОП-транзисторах с обедненным каналом) при максимальном значении выходного тока 20 мА. На протяжении короткого периода времени порядка 10 мс выходное напряжение может достигать 200 В.

тельного напряжения питания тоже немаловажно для обеспечения высокой точности, поскольку позволяет рабочему току ОУ протекать через измерительный резистор и стать частью выходного тока, управляемого цепью отрицательной обратной связи. Питание ЦАП

Работа выходных цепей и интерфейс ЦАП

40

Источник выходного тока состоит из МОП-транзистора BSP149, включенного последовательно с прецизионным параллельным стабилизатором MAX6138A и токоизмерительным резистором RA. Стабилизатор обеспечивает питание прецизионного ОУ с входным каскадом МОП-транзистора (MAX4236), который стабилизирует ток петли, управляя затвором полевого транзистора. Инвертирующий вход операционного усилителя соединен отрицательным выводом стабилизатора напряжения и отрицательным источником питания ОУ. Такая схема подключения обеспечивает цепь обратной связи, стабилизирующую падение напряжения на резисторе RA (и, соответственно, ток петли) на том же значении, что и разница напряжений между неинвертирующим входом и отрицательной шиной питания ОУ (на другом конце RA). Напряжение на неинвертирующем входе устанавливается стабилизатором напряжения, цифровым кодом, записанным в ЦАП, и номиналами резисторов RB, RC и RD. Приведенные на рисунке номиналы резисторов обеспечивают ток петли 4 мА при записи в ЦАП кода 000h и 20 мА при записи кода FFFh. ЦАП (MAX5530) [2] имеет 12-битное разрешение и дифференциальную нелинейность менее 1 МЗР, что гарантирует монотонность выходного напряжения. Низкое рабочее напряжение (3 В) и малый ток потребления ЦАП (единицы мкА) позволяют питать передатчик непосредственно от токовой петли. Точность передаточной функции от ЦАП до выходного каскада определяется точностью параллельного источника опорного напряжения (0,1%), разбросами номиналов токоизмерительного резистора (RA) и резисторов в выходной цепи ЦАП (RB, RC и RD). Влияние всех остальных компонентов компенсируется большим коэффициентом усиления ОУ (110 дБ), его входными параметрами (максимальное напряжение смещения 20 мкВ и температурный дрейф напряжения смещения 2 мкВ/°C), а также способностью усилителя работать при входных напряжениях, достигающих величины напряжения отрицательной шины питания. Если требуется повышенная точность (вплоть до уровня 12-битного разрешения ЦАП), можно применить стандартные методики точной подгонки при помощи механических или электронных потенциометров. Способность операционного усилителя работать при входном напряжении на уровне или даже ниже отрица-

WWW.ELCP.RU

Вся необходимая для работы выходного каскада мощность забирается непосредственно из токовой петли. Ток 4...20 мА протекает через параллельный стабилизатор, ЦАП и ОУ, цепи питания которых подключены параллельно. Поскольку для питания ЦАП требуется всего 30 мкА, а для питания ОУ — 0,5 мА, даже при минимальном значении тока петли в 4 мА весь оставшийся ток (около 3,4 мА) протекает через параллельный стабилизатор, продолжающий работать в активном режиме. Корректный запуск цепи при включении питания гарантирован тем, что при нулевом напряжении на затворе полевой транзистор с обедненным каналом находится в открытом состоянии. Приемник

Типичный приемник токовой петли представляет собой прецизионный резистор (RA на рис. 2), включенный последовательно в токовую петлю. ОУ считывает на измерительном резисторе значение напряжения, которое служит для вычисления тока петли в соответствии с законом Ома. Напряжение на резисторе усиливается и оцифровывается, причем измерительная схема питается непосредственно измеряемым током петли. Напряжение на измерительном резисторе, включенном последовательно с прецизионным 3-В параллельным стабилизатором (MAX6138A), используется для питания измерительного усилителя, АЦП и цепей гальванической развязки цифрового сигнала в канале передачи данных к цифровой измерительной системе. Со стороны токовой петли цепь представляет собой резистор с сопротивлением 12,5 Ом, последовательно включенный с элементом с падением напряжения 3 В, причем это значение не зависит от протекающего по петле тока. Входной ОУ с коэффициентом усиления –10 (±0,035%) (MAX4236) усиливает и инвертирует падение напряжение на измерительном резисторе. Это позволяет согласовать уровень сигнала с диапазоном входных напряжений АЦП. Такое изящное построение измерительной цепи становится возможным благодаря способности ОУ MAX4236 работать с входными сигналами, достигающими уровня напряжения на отрицательной шине питания. Точность коэффициента передачи достигается большим коэффициентом усиления ОУ при разомкнутой петле обратной связи и благодаря точности коэффициента деления в прецизионном интегральном резистивном делителе MAX5490A.


Рис. 2. Приемник/цифровой преобразователь токовой петли 4…20 мА с питанием от петли и изолированным интерфейсом с магнитной развязкой АЦП

Для обеспечения возможности передачи данных в цифровую измерительную систему сигнал с выхода измерительного усилителя преобразуется в 12-битный цифровой код при помощи АЦП (MAX1240) [2]. Поскольку разрешение АЦП составляет 12 бит и его интегральная нелинейность не превышает 0,5 МЗР, монотонность цифрового кода гарантируется с дифференциальной нелинейностью не более 1 МЗР. Полная неточность коэффициента передачи напряжения на измерительном резисторе в цифровой код на выходе АЦП составляет 0,10% + 30ppm/°C. Обе эти величины определяются параметрами внутреннего источника опорного напряжения в составе АЦП. Для того чтобы получить суммарную неточность всего приемника к этим значениям, необходимо добавить допустимый разброс сопротивления измерительного резистора RA (см. рис. 2) и значение его температурного коэффициента сопротивления.

Изолированный цифровой интерфейс ЦАП и АЦП

Поскольку передатчик и приемник токовой петли должны быть гальванически развязаны, необходима также и гальваническая развязка их цифровых интерфейсов и источников питания. Сами приемник и передатчик могут питаться непосредственно от токовой петли, а развязка их цифровых интерфейсов может осуществляться при помощи оптронной или магнитной связи [3]. ЦАП и АЦП, приведенные на рисунках 1 и 2, используют стандартный 3-проводной последовательный интерфейс SPI для чтения и записи данных [4]. В случае с ЦАП три сигнала передаются от управляющего процессора в направлении ЦАП, а для АЦП два сигнала передаются от процессора в сторону АЦП и один сигнал — в направлении от АЦП к процессору. Цифровые сигналы в этих схемах передаются в обоих направлениях при помощи цифрового интерфейса с магнитной связью, который охватывает все три канала. На

41

электронные компоненты №9 2009


Рис. 3. Изолированный интерфейс ЦАП с оптронной развязкой

передающей стороне каждый канал передачи включает детектор фронтов, состоящий из двух инверторов с входом на триггере Шмита. На вход одного из инверторов сигнал подается напрямую, а на вход другого — с небольшой задержкой (~20 нс). Снимая дифференциальный сигнал с выходов инверторов, можно обнаружить по одному короткому импульсу в ответ на каждый переход состояния цифрового входа. Полярность импульсов определяется направлением перехода входного сигнала, а их продолжительность — задержкой между сигналами на входах инверторов. Эти импульсы поступают на первичную обмотку малогабаритного трансформатора T X (с сердечником диаметром 3,5 мм и высотой 3,25 мм), первичная обмотка которого подключена непосредственно к выходам детектора переходов. На приемной стороне неинвертирующий буфер (или последовательность двух инвертирующих буферов) сконфигурирован в качестве триггера путем подключения вторичной обмотки T X между входом и выходом буфера.

42

Каждый импульс с вторичной обмотки трансформатора меняет состояние триггера на обратное, таким образом восстанавливая форму сигнала на входе детектора переходов. Задержка распространения сигнала в цепи составляет приблизительно 15 нс, и схема развязки способна работать с сигналами длительностью от 40 нс до постоянного тока. Это обеспечивает скорость передачи данных до нескольких мегагерц. Такая простая схема с магнитной связью обладает принципиальным недостатком. После включения напряжения питания состояние выходного сигнала становится определенным только после поступления первого фронта сигнала на входе. Это не представляет проблемы для построения приемника, поскольку первое значение может попросту игнорироваться программным обеспечением, однако может стать большим препятствием при построении привода исполнительного устройства. В качестве альтернативного варианта была проверена цепь на основе оптронной развязки (см. рис. 3). Она работает практически так же хорошо, как и схема с магнитной развязкой, но ее быстродействие не может превышать нескольких десятков килогерц благодаря ограниченной мощности со стороны ЦАП. За дополнительной информацией обращайтесь к официальным дистрибьюторам Maxim Integrated Products в России (www.maxim-ic.ru/contact). Литература 1. ANSI/ISA-50.1-1982 (R1992). Compatibility of Analog Signal for Electronic Industrial Process Instruments. 2. Справочные материалы (спецификации) на микросхемы MAX5530, MAX1240, MAX4236, MAX5490 и MAX6138, сайт www. maxim-ic.com. 3. A. Saab, J. Neubauer. Isolated Digital Signal Coupler. Planet Analog (EE Times), 4/11/2005. 4. Motorola, Inc. M68HC11 Reference Manual, Section 8.

НОВОСТИ МУЛЬТИМЕДИА

| Утверждена концепция развития телерадиовещания в России до 2015 г. | Премьер-министр России Владимир Путин утвердил концепцию федеральной целевой программы «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009–2015 гг.». Распоряжение от 21 сентября опубликовано на сайте ведомства. Прогнозный объем финансирования программы установлен в размере 76 млрд 366 млн руб. в ценах соответствующих лет. Эти деньги будут выделяться из федерального бюджета. Документ определяет Минкомсвязь России координатором ФЦП. Государственными заказчиками будут выступать Минкомсвязь, Роспечать и Россвязь. Согласно ФЦП по развитию телерадиовещания, в России с 2015 г. все телеканалы должны перейти на цифровое вещание. Наиболее приемлемым признан вариант развития наземного цифрового вещания с использованием спутниковых технологий, для того чтобы довести охват населения многоканальным вещанием до 100%. Переход на цифровой формат будет поэтапным: развитие цифрового телевидения начнется на Дальнем Востоке в 2010—2011 гг. и к 2015 г. охватит всю территорию России. Предполагается, что ФЦП будет осуществляться при господдержке с сохранением существующего порядка предоставления услуг телерадиовещания для населения на бесплатной основе. Основными задачами в сфере массовых коммуникаций в документе называются модернизация сети телерадиовещания, включая переход на цифровое вещание; расширение вещания на страны ближнего и дальнего зарубежья; повышение адресности и увеличение разнообразия информационных услуг; разработка и внедрение новых информационных продуктов и технологий, а также обеспечение максимальной доступности для населения социально значимого пакета телерадиопрограмм федерального и регионального уровней. В рамках программы планируется организовать во всех населенных пунктах, охваченных в настоящее время эфирным телевидением, вещание трех цифровых мультиплексов, содержащих 20—24 телеканала свободного доступа, а в городах и крупных населенных пунктах — также до трех телеканалов высокой четкости и до 10 телеканалов для мобильного приема. В настоящее время, по статистике Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям, среди населения России хотя бы одну программу имеют возможность смотреть 98,8% жителей, две — 96,7%, три — 73,2%, четыре — 56,1%, пять — 33%.

www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU


Силовые транзисторы на базе GaN: новая платформа для преобразователей напряжения Майкл Бриер (Michael A. Briere), гл. научн. консультант, ACOO Enterprises LLC

Прогресс в области технологии силовых приборов на базе структуры GaN-на-кремнии позволяет существенно улучшить такие параметры полевых транзисторов как сопротивление канала в открытом состоянии и произведение сопротивления канала на емкость затвора. В статье обсуждаются новые возможности и перспективы построения высокоэффективных преобразователей напряжения на базе GaNполевых транзисторов. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. приемлемого качества. Кроме того, есть определенные трудности при внедрении данной технологии на производстве. Параллельно в течение более 10 лет велись работы (преимущественно в Японии) в области высоковольтных силовых приборов на базе нитрида галлия (GaN). Результаты этих работ были использованы японскими промышленными компаниями Fuji Electric, Matsushita Electric, Oki, Toshiba и Hitachi. Кроме того, и небольшая американская компания Velox Semiconductor начала работы по развитию своего направления силовых приборов на базе GaN. Недавно она объявила о сотрудничестве с STMicroelectronics в области коммерциализации своих GaN-диодов Шоттки. В это же время компания Nitronex запустила производство силовых приборов для РЧ-приложений на базе структур GaN-на-кремнии. Полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей на базе структур GaN-на-кремнии

Развивая успех в области создания приборов для силовой электроники, специалисты компании International Rectifier разработали новаторскую технологию силовых приборов на базе GaN, обладающих, по крайней мере, на порядок лучшей эффективностью, чем существующие кремниевые приборы, что позволяет резко снизить энергопотребление в конечных приложениях. Исследования в течение более 5 лет и 60-летний опыт компании IR в области силовых приборов привели к созданию собственного процесса эпитаксии для

технологии GaN-на-кремнии, а также новой платформы силовых приборов. Новая технология компании IR в настоящее время известна под названием GaNpowIR. Она имеет шанс стать новой идеологией создания силовых приборов, обеспечивая более высокую рабочую частоту, более компактные размеры, более высокий КПД и конкурентоспособную стоимость. При разработке этого гетероэпитаксиального процесса пришлось решать множество сложных задач, связанных с рассогласованием постоянных решеток и коэффициентов теплового расширения подложки и эпитаксиальных пленок. В результате была разработана технология GaNна-кремнии, которая обеспечила высокую однородность эпитаксиальной пленки, более низкий уровень дефектов, более высокую надежность приборов, а также, производственный процесс, совместимый со стандартной КМОП-технологией. Это позволило внедрить в крупносерийный производственный цикл процесс осаждения пленок GaN на недорогие кремниевые пластины, которые стоят в 100 раз дешевле пластин SiC и имеют большой диаметр подложек (6, 8 и 12 дюймов). В качестве базового силового прибора, изготовленного по технологии GaN-на-кремнии, компания IR предложила полевой транзистор с высокой подвижностью носителей в канале (high electron mobility transistor  — HEMT), структура которого показана на рисунке 1. Характерной особенностью данной структуры является наличие двумерного электронного газа (two dimensional electron gas  — 2DEG) рядом с тонким слоем AlGaN

электронные компоненты  №9 2009

43 Д и с к р е т н ы е с и л о в ы е ко м п о н е н т ы

Введение

С тех пор как в 1978 г. появились первые конкурентоспособные мощные MOSFET под торговой маркой HEXFET компании International Rectifier, рынок претерпел определенные изменения. Широкое внедрение импульсных источников питания и вытеснение биполярных транзисторов и линейных источников питания позволило кремниевым MOSFET занимать доминирующее положение на рынке на протяжении более 30 лет. За это время в рамках данного направления кроме планарных HEXFET появились разновидности этих транзисторов, как например TrenchFET и Super Junction FET, в которых достигнуто улучшение таких параметров как R DS(on) и R DS(on)·QSW почти на два порядка. Тем не менее технология кремниевых силовых приборов в настоящее время достигла своей зрелости, и любые новые ее усовершенствования становятся нерентабельными. Это означает, что в перспективе такие приборы не смогут отвечать требованиям по оптимальному соотношению стоимость/качество в таких приложениях как цепи питания серверов и центров обработки данных, коммуникационная инфраструктура, компьютеры широкого применения, мобильная электроника и др. В связи с этим возникла необходимость в исследовании возможности применения новых материалов и транзисторных структур. Появившиеся сравнительно недавно полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC) имеют ряд недостатков. Несмотря на определенный прогресс этой технологии за последние 10 лет, такие приборы все еще довольно дороги из-за высокой себестоимости исходного материала


Рис. 1. Структура полевого транзистора с высокой подвижностью носителей в канале на базе GaN-на-кремнии

Рис. 2. Сравнение величины сопротивления канала во включенном состоянии RDS(on) для полевых транзисторов на базе Si, SiC и GaN

Д и с к р е т н ы е с и л о в ы е ко м п о н е н т ы

44 Рис. 3. Результаты моделирования значения сопротивления канала во включенном состоянии RDS(on) 200-В ключевых транзисторов в корпусе 5×6 мм, которое может быть достигнуто в ближайшие 5 лет

на поверхности GaN высокого качества. В основе этой структуры лежит гетероструктурный полевой транзистор (heterostructure field effect transistor — HFET) с высокой подвижностью электронов в канале, который проводит ток в отсутствие приложенного напряжения (режим обеднения). Было разработано несколько методов формирования встроенного двумерного электронного газа под затвором, который обеспечивает

www. elcp.ru

работу транзистора в режиме обогащения. Помимо создания высококачественного, надежного и недорогого КМОПсовместимого производственного процесса, технология GaNpowIR обеспечивает существенное улучшение трех основных показателей силовых транзисторов: сопротивления канала во включенном состоянии RDS(on), произведения сопротивления канала RDS(on) на заряд затвора Qg и соотношения

между КПД, размерами и стоимостью решения. Сочетание высокой концентрации электронов проводимости, высокой подвижности электронов и большей ширины запрещенной зоны дает возможность GaN-транзисторам достичь существенного снижения значения сопротивления канала во включенном состоянии при данном напряжении обратного смещения. В силовых транзисторах на базе GaN по сравнению с кремниевыми приборами может быть достигнуто снижение значения R DS(on) более чем на порядок в диапазоне напряжений пробоя 100…300 В. В диапазоне 600…1200 В GaN-транзисторы имеют потенциальную возможность улучшить значение R DS(on) в 100 раз по сравнению с кремниевыми приборами, как показано на рассчитанных кривых предельных значений R DS(on) для полевых транзисторов на базе Si, SiC и GaN, приведенных на рисунке 2. На рисунке, кроме измеренных данных для полевых транзисторов на базе этих трех материалов, показаны данные для скомпенсированного Super Junction FET (SJ) и биполярного транзистора (IGBT) на базе кремния. Для сравнения, на рисунке показаны также данные, полученные при разработке первых образцов HEMT, изготовленных по технологии GaNpowIR (IR GaN). Результаты моделирования 200-В HEMT на базе GaN-на-кремнии в режиме обогащения (V t = 2,5 В) в корпусе размером 5×6 мм показывают, что данная технология обеспечит в течение 5 лет десятикратное улучшение величины R DS(on) по сравнению с современными кремниевыми MOSFET. Из рисунка 3 видно, что к 2014 г. величина сопротивления R DS(on) для 200-В ключевого транзистора в корпусе 5×6  мм, изготовленного по данной технологии, достигнет значения, не превышающего 5 мОм. Кроме того, силовые транзисторы на базе GaN имеют намного меньшую емкость затвора, что позволяет резко улучшить такой важный показатель полевых транзисторов как произведение сопротивления канала в открытом состоянии R DS(on) на заряд затвора  Q g. Расчет на основе модели такого транзистора, разработанной при исследованиях опытных образцов, показал, что ожидается 33-% улучшение этого показателя по сравнению с современными кремниевыми приборами. Внедрение в 2009 г. технологии GaNpowIR позволит достичь десятикратного снижения величины R DS(on)·Q g в течение ближайших 5 лет, как показано на рисунке 4. Как видно из этого рисунка, значение показателя R DS(on) ·Q g для 30-В HEMT, изго-


Рис. 4. Прогнозируемое изменение показателя RDS(on).Qg для 30-В HFET на базе GaN до 2014 г.

Рис. 5. Развитие характеристик силовых каскадов на базе технологии GaNpowIR

Заключение

46 Д и с к р е т н ы е с и л о в ы е ко м п о н е н т ы

в 1,2 В на рабочей частоте 2 МГц на фазу. По оценкам специалистов, устройства на базе приборов по технологии GaNpowIR будут выполнять преобразование с высокой эффективностью на частоте более 50 МГц на фазу. Работа на такой высокой частоте позволит снизить количество внешних компонентов, уменьшить расстояние между преобразователем и нагрузкой, а также ограничить паразитные потери мощности. Это приведет к значительному уменьшению габаритов, увеличению эффективности и снижению стоимости системы. Для исследования характеристик устройств на базе новых силовых транзисторов, изготовленных по технологии GaN-на-кремнии, было создано несколько опытных образцов. Один из них представляет собой низковольтный преобразователь, локализованный к нагрузке (pointof-load  — POL). Спроектированный для преобразования напряжения из 12 в 1,2 В при токе нагрузки 10 А, этот преобразователь работает на частоте 5 МГц, а его КПД сравним с КПД доступного на рынке кремниевого прибора, работающего на частоте 1 МГц и имеющего в три раза большие размеры (см. рис. 6). Оба решения содержат в одном корпусе микросхему контроллера/драйвера и выходную катушку индуктивности. Первый модуль коммерческого DC/ DC-преобразователя на базе транзисторов со структурой GaN-на-кремнии планируется выпустить к концу 2009 г. Эти устройства будут представлять собой полное POL-решение для широкого спектра входных и выходных напряжений. Ожидается, что в ближайшем будущем будут разработаны новые архитектуры преобразователей и схемы управления, которые в полной мере реализуют возможности силовых приборов на базе структуры GaN-накремнии.

Рис. 6. Сравнение размеров POL-преобразователя на базе GaN с рабочей частотой 5 МГц с доступным на рынке кремниевым POL-преобразователем с рабочей частотой 1 МГц

товленного по технологии GaNpowIR, ожидается на уровне 13 мОм·нК к 2011  г., а к 2014  г.  — менее 5 мОм·нК, что на порядок меньше по сравнению с кремниевыми MOSFET, доступными на рынке в 2009 г. Улучшение показателя R DS(on) ·Q g сопровождается ростом рабочей частоты DC/DC-преобразователей с использованием силовых транзисторов на базе структуры GaN-накремнии. Исследования по­к а­зывают,

www. elcp.ru

что рабочая частота GaNpowIR-при­б оров достигнет в ближайшем будущем величины 50 МГц. В результате размеры DC/DC-преоб­р азователей, построен­ных на базе GaN-приборов, значительно уменьшатся без потери их КПД (см. рис. 5). Как показано на рисунке, современный многофазный DC/DC-пре­о бразователь на базе кремниевых приборов с достаточной эффективностью выполняет преобразование напряжения из 12

Благодаря радикальному улучшению таких ключевых показателей как произведение сопротивления канала в открытом состоянии RDS(on) на заряд затвора Q g и соотношение между эффективностью, габаритными размерами и стоимостью системы, силовые транзисторы на базе структуры GaNна-кремнии позволят создать новую платформу высокочастотных высокоэффективных и недорогих преобразователей напряжения.

Литература 1. GaN-Based Power Device Platform. The arrival of a new paradigm in conversion technology, Michael A. Briere//www.powersystemsdesign.com.


48

www. elcp.ru


СПЕЦИФИКА ПРИМЕНЕНИЯ IGBTТРАНЗИСТОРОВ В РАЗЛИЧНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ Сампат Шекхават (Sampat Shekhawat), Боб Броквэй (Bob Brockway), техн. специалисты, Fairchild Semiconductor Требования к устройствам силовой электроники постоянно возрастают, предусматривая уменьшение гармонического состава токов и напряжений и повышение эффективности устройств преобразовательной техники. Один из путей удовлетворения этих требований – корректный выбор элементной базы. В этой статье на примере продукции компании Fairchild Semiconductor рассматриваются IGBT-транзисторы для различных приложений. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

VCE(SAT) = VBE (PNP) + IMOSFET(RCH + RJFET + RDRIFT); IMOSFET = IC/(hFE + 1).

ляющий инжекцией в N-область (базу p-n-p-транзистора). Время переключения и величина VCE(SAT) определяются степенью легирования буфера и временем жизни неосновных носителей — примерно 0,25 мкс. NPT-структура обладает толстым N-слоем и не имеет буфера. Время переключения и величина VCE(SAT) определяются инжекцией Р-эмиттера, поэтому эмиттер сделан очень тонким (меньше 0,5 мкм). Основные отличия между этими структурами состоят в следующем. 1. Выбор между VCE(SAT) и ЕOFF: в РТ-структуре обычно удается достичь лучшего компромисса между этими величинами за счет меньшего по толщине N-слоя. 2. Температурный коэффициент VCE(SAT) у NPT-структуры всегда положительный, поэтому такие транзисторы удобно включать параллельно. В РТ-структуре температурный коэффициент может быть и положительным, и отрицательным  — в зависимости от того, какая используется примесь для уменьшения времени жизни неосновных носителей. Как правило, быстрые транзисторы с РТ-структурой имеют отрицательный температурный коэффициент, а медленные — положительный.

3. Температурный коэффициент ЕOFF. У NPT-структуры с возрастанием температуры ЕOFF увеличивается незначительно, т.к. время жизни неосновных носителей не меняется. У транзисторов с РТ-структурой с возрастанием температуры ЕOFF увеличивается значительно — удваивается при повышении температуры от 25 до 150°С. Причем, этот эффект более явно проявляется у быстрых транзисторов. 4. T FALL . У транзисторов с NPTструктурой время спада довольно велико. Напротив, у транзисторов с PT-структурой это время крайне мало, поэтому невелико и значение ЕOFF, а, следовательно, малы потери на переключение.

49 Рис. 1. Электрическая схема IGBT

Крутизна характеристики у IGBT много больше, чем у MOSFET, поэтому и ток короткого замыкания (КЗ) значительно больше, следовательно, необходимы ограничительные меры. Технологии IGBT

Основные два типа планарных IGBT — это IGBT с локальными пробоями (punch-through, PT) и без локальных пробоев (non-punch-through, NPT). Отличия между ними проиллюстрированы на рисунке 2. PT-структура имеет толстую подложку Р+ и N-буфер, управ-

а) Рис. 2. Структура PT (а) и NPT (б)

б)

электронные компоненты  №9 2009

Д И С К Р Е Т Н Ы Е С И Л О В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Введение

IGBT-транзисторы (далее IGBT) во многом схожи с MOSFET. Для IGBT исходным материалом служит Р+, а для MOSFET — чаще N+. В MOSFET эпитаксиальный слой n-типа представляет собой область с большим сопротивлением. В IGBT эпитаксиальный слой n-типа расположен на Р+ подложке, его проводимость модулируется и потери меньше. На рисунке 1 эти потери отражены резистором RDRIFT. Обычно при больших токах потери в IGBT напряжением 600 В меньше, чем в MOSFET с таким же напряжением. IGBT, в отличие от MOSFET, биполярный транзистор, следовательно, рекомбинация неосновных носителей увеличивает коммутационные потери. Оба типа транзисторов состоят из множества ячеек, соединенных параллельно  — на рисунке 1 показана электрическая схема ячейки IGBT. Сопротивление RSC крайне мало, поэтому паразитный n-p-n-транзистор не открывается даже при очень больших токах. Когда IGBT полностью открыт, напряжение насыщения определяется из соотношений:


5. EON практически не зависит от температуры для обеих структур. 6. Возможность выключения при индуктивной нагрузке — Unclamped Inductive Switching (UIS). Транзисторы с NPT-структурой более устойчивы в этом отношении, потому что имеют широкий N-слой. По этому параметру они приближаются к MOSFET. IGBT с PT-структурой менее устойчивы к лавинному пробою, за исключением случаев, когда они специально разрабатываются для повышения UIS. С улучшением динамических характеристик транзисторов с PT-структурой UIS ухудшается. 7. Устойчивость к токам КЗ — Short circuit withstand time (SCWT). Этот параметр определяет время, в течение которого транзистор должен выдерживать ток КЗ. И в этом отношении транзисторы с NPT-структурой имеют превосходство благодаря более широкому N-слою, который увеличивает сопротивление транзистора, тем самым уменьшая ток КЗ. Не так давно компания Fairchild начала выпуск новых планарных транзисторов с уменьшенной толщиной кристалла — Field Stop IGBT, используя структуру, во многом схожую с SMPS IGBT. Серия планарных транзисторов UF/D с уменьшенными потерями на проводимость и мягким переключением предназначена для приложений с невысокой частотой переключения, например для индукционного нагрева. Серия SF новых Field Stop IGBT может заменить SMPS IGBT, она подходит для приложений с высокой частотой переключения, таких как корректоры коэффициентов мощности, источники бесперебойного питания и т.д. В инверторах солнечных батарей эффективность — важнейший показатель, для них предназначена серия SFD. Транзисторы этой серии выигрывают у ближайших аналогов и по времени выключения, и по энергии переключения. Рассмотрим требования, предъявляемые к транзисторам различными приложениями. Например, электропривод весьма требователен к силовым ключам:

– низкое напряжение VCE(SAT); – мягкое включение и выключение для уменьшения электромагнитных помех; – малая крутизна характеристики для уменьшения токов КЗ; – желательно выдерживать ток КЗ более 10 мкс; – широкая область безопасной работы при выключении  — Reverse Biased Safe-Operating-Area (RBSOA), превышающая в 5—6 раз значение номинального тока; – положительный температурный коэффициент VCE(SAT), позволяющий включать транзисторы параллельно; – параметры VCE(SAT) и потери при выключении должны быть оптимизированы для увеличения частоты переключения; – должны быть уменьшены потери при включении  — необходимо одновременное уменьшение параметров Trr и Qrr — времени и заряда обратного выброса антипараллельного диода транзистора; – необходимо уменьшить эффект Миллера: соотноше­ ние Qgd/Qgs должно быть минимальным; – напряжение VGE(th) управления затвором должно превышать 6 В для уменьшения влияния помех; – скорость переключения dv/dt должна быть меньше 7 кВ/мкс. Практически те же параметры должны быть для инверторов солнечных батарей и источников бесперебойного питания, но в этих случаях необходимо увеличить скорость переключения. Иногда требуется весьма малое значение VCE(SAT) при невысокой частоте переключения. Для таких приложений Fairchild разработала серию LSD, в которой для уменьшения величины VCE(SAT) принесены в жертву динамические параметры. С другой стороны, при той же топологии инвертора могут потребоваться транзисторы с улучшенными динамическими параметрами, если, например, используется модуляция основной частоты. В этом случае удобно использовать Field Stop IGBT серии SFD. Для электропривода разработаны 600-В IGBТ серии RUF/C3. В скором времени на смену ей придет новая серия RUF планарных Field Stop IGBT. 1200-В IGBТ

Транзисторы на это напряжение используются во многих приложениях. В некоторых из них не возникают токи КЗ, в других, напротив, такой режим часто повторяется. Сейчас активно растет рынок источников бесперебойного питания для центров данных и инверторов для солнечных батарей. В обоих случаях очень важен высокий КПД преобразователей, т.к. стоимость солнечных панелей достаточно высока, а объем рынка центров данных очень велик и только в США оценивается в 50 млрд. долл. Поэтому низкий КПД инверторов в этом случае означает большие потери и возрастание стоимости. IGBT-транзисторы в значительной степени определяют КПД инверторов и являются важным компонентом этих систем. В производственной линейке компании присутствуют IGBT с NPT-структурой с уменьшенными потерями на выключение, специально разработанные для этих приложений. При их применении уменьшаются размеры охладителей, а, следовательно, размеры и стоимость инверторов. В таблице 1 приведены основные параметры IGBT компании Fairchild, изготавливаемых по разным технологиям. Для высоковольтных DC/ DC-преобразователей и DC/DC-преобразователей с топологией FB-ZVS (включение при нулевом напряжении) подходит технология NPT2 planar — потери на выключение в этом случае совсем невелики и снижены на 40—60% по сравнению с предыдущим поколением; уменьшены и потери проводимости.

Д И С К Р Е Т Н Ы Е С И Л О В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

50

NPT trench

Эти транзисторы разработаны для уменьшения VCE(SAT) и потерь на выключение, кроме того, увеличена плотность

www. elcp.ru


тока, следовательно, уменьшена стоимость. В транзисторах, изготовленных по этой технологии (см. рис. 3а), удалось достичь компромисса между напряжением VCE(SAT) и потерями при выключении. И хотя эта технология довольно устаревшая, все же в силу своей невысокой стоимости она до сих пор пользуется спросом. а)

Field Stop Trench

б)

Рис. 3. Структура trench (а) и Field Stop Trench (б) ячеек

– отличные функциональные показатели; – малая величина VCE(SAT), такая же, как в транзисторах с РТ-структурой; – малая величина UIS; – из-за высокой плотности тока в меньшем числе случаев необходимо прибегать к параллельному включению ключей. Заключение

Не существуют идеального IGBT, все параметры которого были бы лучше,

чем у аналогов. В каждой технологии изготовления транзистора удается достичь оптимального значения лишь некоторых из основных парамет­ ров. Приведенные в статье сведения об основных технологиях позволяют выбрать подходящий транзистор для различных приложений. Литература 1. Sampat Shekhawat and Bob Brockway, The Application-Specific Power Semiconductors// Bodoґs Power Systems, October, 2008.

Таблица 1. Сравнение технологий IGBT Технология NPT2 planar NPT trench Field stop trench

VCE(SAT), 25°С 2,3 2,0 1,7

VCE(SAT), 125°С 3,0 2,2 2,0

EOFF, мкДж/А, 25°С 25 32 81

EOFF, мкДж/А, 125°С 36 60 130

SCWT, 125°С >10 <1 >10

UIS, мДж, 25°С >600 >250 <5

электронные компоненты  №9 2009

51 Д И С К Р Е Т Н Ы Е С И Л О В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Field Stop Trench — новейшая технология (см. рис. 3б). Добавление примесей в Field Stop N-буфер позволяет значительно уменьшить толщину базы без изменения пробивного напряжения. Тонкая база уменьшает потери проводимости, а также позволяет достичь удачного компромисса между потерями на выключение и напряжением VCE(SAT). По плотности тока эта технология сравнима с trench-gate IGBT. Основные ее особенности заключаются в следующем: – отсутствие эпитаксиального слоя снижает стоимость транзистора; – процесс изготовления довольно дорогостоящий, но за счет уменьшения размера кристалла можно снизить стоимость; – при необходимости можно добавлять примеси, сокращающие время жизни неосновных носителей; – хороший компромисс между VCE(SAT) и SCWT;


52

www. elcp.ru


Проектирование аналоговых микросхем на МОП-транзисторах. Часть 2. Выбор режима работы и размеров МОП-транзисторов Олег Дворников, д.т.н., ОАО «МНИПИ», г. Минск, Виталий Гришков, м.т.н., НТЦ «Белмикросистемы», г. Минск, Тимофей Натаров, м.т.н., НТЦ «Белмикросистемы», г. Минск Во второй части статьи (см. Часть 1 в ЭК8) на основе упрощенной модели МОП-транзистора и экспериментальных результатов измерений шумов даются рекомендации по проектированию аналоговых компонентов СБИС. Выбор режимов работы и топологических размеров МОПтранзисторов

(29)

при CGS >> CGB + CGD,

.(34) ,

(30)

где C∑G — суммарная емкость, соединенная с затвором. Соотношения (28)—(30) справедливы для области насыщения ВАХ, причем (28), (29)  — для длинноканальных, а (30)  — короткоканальных транзисторов. Таким образом, f T длинноканальных МОП-транзисторов, работающих в области насыщения ВАХ, не зависит от ширины затвора, обратно пропорциональна квадрату длины затвора и прямо пропорциональна разности напряжений затвор-исток и порогового V GS –V TH . Для короткоканальных МОП-транзисторов в области насыщения ВАХ f TSH обратно пропорциональна длине затвора и не зависит от напряжения затвора, если его величины достаточно для наступления короткоканальных эффектов. 2. Максимально возможный коэффициент усиления МОП-каскада с общим истоком KMAX в предположении бесконечно большой нагрузки в стоковой цепи составит для длинноканального, ,

(31)

(27) , , при CGS >> CGB + CGD,

(28)

а для короткоканального транзи­ стора

,

(32) (33)

Знак минус в (31)—(34) указывает на то, что каскад с общим истоком является инвертирующим. Полученные соотношения (31)—(34) позволяют рассчитать т.н. коэффициент качества, равный произведению граничной частоты на коэффициент усиления напряжения при разомкнутой цепи стока ,

(35)

. (36)

Таким образом, для длинноканальных МОП-транзисторов величина f T·K MAX не зависит от рабочего режима. Увеличение полосы пропускания каскадов за счет увеличения напряжения на затворе приводит к уменьшению усиления и диапазона напряжения сток-исток, в котором транзистор работает в области насыщения ВАХ и обеспечивается высокое усиление. 3. Коэффициент усиления каскада K с общим истоком в области низких частот при работе с реальной нагрузкой определяется крутизной МОПтранзистора и суммарным сопротивлением всех цепей R∑D, соединенных со стоком, т.е. K  ≈  R∑D·gM. Таким образом, при выборе требуемого сочетания усиления и тока потребления рекомендуется обращать внимание на отношение крутизны к току стока в режиме сильной (gM/ID) и слабой (gMW/IDW) инверсии

электронные компоненты  №9 2009

53 А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

На основе соотношений (1)—(18) сформулируем рекомендации по определению режимов работы и топологических размеров МОП-транзисторов в аналоговых интегральных микросхемах (ИС). 1. При выборе типа активного элемента целесообразно сравнить транзисторы по граничной частоте f T, на которой переменный сигнал, протекающий через вход активного элемента, равен переменному сигналу в выходной цепи при условии короткого замыкания выходной цепи по переменному сигналу. Обычно граничная частота зависит от режима работы (рабочего тока и напряжения). Ее высокое максимальное значение позволяет обеспечить требуемую полосу пропускания при малом токе потребления. Для биполярных транзисторов f T соответствует частоте, на которой модуль малосигнального коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером равен единице (|h21e| = |iC/iB| = 1). Граничная частота вертикальных биполярных транзисторов определяется временем пролета носителей заряда через базу, которое не масштабируется при изменении топологических размеров транзистора. Изменение площади эмиттера приводит, в основном, к сдвигу максимума зависимости граничной частоты от эмиттерного тока [2]. Для МОП-транзисторов f T соответствует частоте, на которой |iD| = |iG|. На основании рисунка 3, соотношений (1), (8) и данных таблицы 1 получим:

,


,

(37)

.

Рис. 5. Зависимость квадрата приведенной к затвору спектральной плотности напряжения шумов от частоты для n- и p-канального МОП-транзистора с W/L=11000/3 при токе стока 1 мА и напряжении исток-подложка 5 В [11]

Рис. 6. Зависимость квадрата приведенной к затвору спектральной плотности напряжения шумов от частоты для p-канального МОП-транзистора с W/L=11000/3 при токе стока 1 мА и обратном напряжении исток-подложка 0 и 5 В [11]

Рис. 7. Зависимость коэффициента фликер-шума KFP,N от длины затора L для 0,25 мкм МОП-транзисторов [5]

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

54

Рис. 8. Зависимость фактора избыточного белого шума Г от длины затора L для 0,25 мкм МОП-тран­ зисторов [5] (Г учитывает шум сопротивления затвора и подложки)

Рис. 9. Зависимость фактора избыточного белого шума Г от длины затора L для 0,25 мкм МОП-транзисторов [5] (из результатов измерений удален шум подложки)

www.elcp.ru

(38)

Для типовых величин параметров (N W = 1—2, φT = 26 мВ при 300 K) отношение g MW/I DW окажется в диапазоне 19...39 В –1, что значительно больше, чем в режиме сильной инверсии. Однако необходимо учитывать, что экспоненциальная зависимость тока стока от напряжения затвор-исток в подпороговой области может вызвать большую неидентичность рабочих токов и значительно ухудшить напряжение смещения операционных усилителей. Другим фактором, вызывающим различие характеристик МОП-каскадов, работающих в режиме слабой инверсии, является технологический разброс слабо контролируемого параметра N W. Заметим, что увеличение отношения W/L МОП-транзисторов приводит к росту β и величины максимального тока стока I D0W, при котором транзистор работает в подпороговой области ВАХ. 4. Увеличение обратного напряжения исток-подложка VSB приводит к уменьшению тока стока, крутизны, увеличению порогового напряжения  V TH. При этом уменьшается влияние технологического разброса параметров на ВАХ и приведенный к затвору МОПтранзистора шум подложки. Такой режим работы целесообразно применять во входных каскадах для уменьшения уровня шумов и напряжения смещения нуля. При проектировании топологии необходимо учитывать, что область полупроводника (body), в которой индуцируетс я токопровод ящий канал МОП-транзистора, может быть как общей для всех элементов ИС полупроводниковой под ложкой (substrate), так и областью кармана (well), изолированного от остальных элементов схемы. В технологических маршрутах изготовления МОП ИС с карманом n-типа канал в n-МОП-транзисторах индуцируется в единой для всех элементов схемы p-подложке, поэтому вывод b n-МОП-транзистора всегда соединен с самым отрицательным потенциалом схемы. В то же время на вывод b p-МОП может быть подан требуемый потенциал. Только технологические маршруты с формированием двух карманов предоставляют возможность соединения вывода b как n-МОП-, так и p-МОП-транзисторов с требуемыми узлами схемы.

3. Применение МОП-транзисто­ ров в малошумящих усилителях

Одни из первых экспериментальных исследований шумов интегральных МОП-транзисторов позволили установить, что в области низких и средних частот приведенный к затвору шум значительно больше для n-канального МОП-транзистора по сравнению с p-канальным при прочих равных условиях, а увеличение обратного смещения подложки (кармана), в которой индуцируется канал, уменьшает уровень шумов в области средних частот. Так, для техпроцесса изготовления БИС AMPLEX [11] спектральная плотность шумов p-канального транзистора размерами W/L = 11000/3 почти в 30 раз меньше, чем n-канального (см. рис. 5). При этом увеличение обратного смещения подложки от |V BS| = 0 до |V BS| = 5  В уменьшает спектральную плотность шумов от 4,8 нВ/ до 1,8  нВ/ на частоте около 100 кГц (см. рис. 6). Подобное преимущество p-МОПтранзистора по сравнению с n-МОП экспериментально установлено для большинства промышленных технологий [6]. Кроме того, выявлено, что уровень фликер-шума и избыточного белого шума МОП-транзисторов зависит от особенностей конструкции и технологических процессов, применяемых для формирования транзисторов [6, 12, 13]. Несмотря на указанное, до получения экспериментальных данных, описывающих шумы транзисторов выбранного технологического маршрута, при разработке аналоговых компонентов СБИС можно рекомендовать применение результатов измерений МОПтранзисторов, сформированных по промышленной технологии изготовления микросхем с минимальным размером элементов 0,25 мкм (0,25 мкм МОП-транзисторов) [5]. Особенностями типовой структуры таких транзисторов являются: – толщина подзатворного окисла — 5,5 нм; – отдельное формирование карманов для n-МОП- и p-МОП-транзисторов (twin well process) и изоляция элементов с помощью канавок; – применение силицида Ti на поликремниевых затворах и полупроводниковых областях. Измерения уровня шумов было выполнено для области насыщения ВАХ в режиме слабой (ID = 30 мкА), средней (I D = 500 мкА) и сильной инверсии (ID  =  20  мА) для транзисторов, ширина затвора которых составляла W  =  2000  мкм, а длина выбиралась из ряда L  =  0,36; 0,5; 0,64; 0,78; 1,2  мкм [5].


– На рисунке 9 показан фактор избыточного белого шума без учета шума, вызываемого сопротивлением подложки, что привело к значительному уменьшению величины Г в режиме сильной инверсии по сравнению с данными рисунка 8. Таким образом, при проектировании малошумящих ИС по МОПтехнологии с минимальной проектной нормой 0,25 мкм следует избегать применения короткоканальных n-МОПтранзисторов и выбирать режим работы, соответствующий слабой или средней инверсии. Для сравнения уровня шумов в [4] предложено использовать частоту f N,P, на которой n-МОП- и p-МОПтранзисторы имеют одинаковую спектральную плотность суммарных шумов

,

(39)

,

жения белого и фликер-шумов, а нижний индекс N и P в (39), (40) указывает тип проводимости канала. Если частота обрабатываемых аналоговым устройством сигналов удовлетворяет условию f >  fN,P, то n-МОПтранзистор имеет лучшие шумовые характеристики, чем p-МОП. При малой плотности тока, соответствующей или близкой режиму слабой инверсии, крутизна МОП-транзисторов не зависит от типа проводимости канала, размеров затвора и определяется только величиной тока стока. При этом gMP ≈ gMN, и частота fN,P значительно возрастает. В заключение отметим, что для обеспечения высокой крутизны и, следовательно, малого уровня белого шума МОП-транзисторы проектируют с большим отношением W/L, а также уменьшают влияние сопротивлений полупроводниковых областей истока, стока, подложки на уровень суммарного шума с помощью применения вафельной (waffle iron) топологии (см. рис. 10) [11]. Выводы

(40)

где fCP — частота излома, на которой равны спектральные плотности напря-

1. Рассмотрена упрощенная модель МОП-транзис тора, позволяющая выполнять расчеты малосигнальных параметров и уровня шумов аналоговых схем с учетом конструктивно-

электронные компоненты  №9 2009

55 А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Результаты измерений показаны на рисунках 7—9. На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы. – Показатель степени фликер-шума EF изменяется в диапазоне 0,9...0,98 для n-МОП-транзистора и в диапазоне 0,8...0,9 для p-МОП, что близко к идеальному значению. – Зависимость коэффициента фликер-шума KFP,N транзисторов от длины затвора приведена на рисунке 7. Значения для слабой инверсии не показаны, т.к. они очень близки к данным для средней инверсии. Очевидно, что KFN   >  KFP (нижний индекс N и P указывает тип проводимости канала), причем величина KFP,N в режиме сильной инверсии больше, чем в средней, и фликер-шумы n-МОП-транзистора значительно возрастают при малой длине канала. – Фактор избыточного белого шума  Г больше для n-МОПтранзистора, чем для p-МОП. Он возрастает при увеличении тока стока, а также имеет тенденцию к росту для короткой длины затвора (см. рис. 8). В то же время величина Г в режиме слабой и средней инверсии очень близка к идеальному значению для транзисторов с любой допустимой длиной затвора и типом проводимости канала.


3. На основе математических соотношений и экспериментальных результатов измерений шумов разработаны рекомендации по проектированию аналоговых ИС на МОПтранзисторах. 4. Сформулировано положение о том, что при проектировании малошумящих МОП ИС по технологии с минимальной проектной нормой 0,25 мкм целесообразно избегать применения короткоканальных n-МОПтранзисторов и выбирать режим работы, соответствующий слабой или средней инверсии. а)

б)

в) Рис. 10. Конструкция малошумящего p-МОП-транзистора микросхемы AMPLEX: а) — топология; б) — соединение областей истока и стока; в) — типовая структура [11]

технологических характеристик структуры. 2. Получены математические соотношения, связывающие граничную

частоту и максимально возможный коэффициент усиления с топологическими размерами и режимом работы МОП-транзисторов.

Литература 11. Beuville E. AMPLEX. A low-noise, lowpower analog CMOS signal processor for multielement silicon particles detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1990. Vol. A288. P. 157—167. 12 Barnaby H. [et al.]. Analysis of bipolar linear circuits response mechanisms for high and low dose rate total dose irradiations. IEEE Transactions on Nuclear Science. 1996. Vol. NS–43, No 6. P. 3040—3048. 13 Santiard J.C. [et al.]. Noise and speed characteristics of test transistors and charge amplifiers designed using a submicron CMOS technology. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1996. Vol. A380. P. 350—352.

Новости о светодиодах

| Лампы на улицах С.-Петербурга заменят на све­ то­диоды | Руководство города выступило с новой анти­ кризисной инициативой по поддержке местной инду­ стрии. Смольный предложил госкорпорации «Рос­тех­ нологии» (контролирует завод «Светлана») реализовать за ее счет проект перевода уличного освещения города на светодиоды. Многолетние разработки светодиодных технологий «Светланы» позволили в прошлом году запустить массо­ вое производство, но рынок не нуждается в светодиодах. «Светодиоды — это технологии будущего. Их массовое применение пока слишком дорого, технически неудовлет­ ворительно, а значит, неоправданно», — считает Сергей Рыбалов, тех. директор крупнейшего в России производи­ теля натриевых ламп. К тому же световая отдача светодио­ дов значительно ниже, чем у натриевых ламп, и в одном уличном светильнике придется использовать несколько десятков светодиодов, что усложняет их обслуживание. Стоимость монтажа этой техники, по экспертной оценке, достигает 30% от стоимости самого светильника. Отечественных аналогов светодиодных светильни­ ков, способных конкурировать с натриевыми, на маги­ стралях нет. Однако несмотря на такие отзывы, эксперты «Ростехнологий» заявляют о готовности начать тре­ буемые городом расчеты по реализации светодиодного проекта. Они отмечают, что такой крупный заказ позво­ лит российским производителям светодиодов повысить технические показатели своей продукции и довести ее до соответствующего уровня требований.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

56

www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru


Как повысить энергоэффективность процессорных систем Леон Адамс (Leon Adams), менеджер по стратегическому маркетингу, Texas Instruments Адриан Валенцуэла (Adrian Valenzuela), инженер по маректингу продукции, Texas Instruments Джефф Фэлин (Jeff Falin), инженер по применению, Texas Instruments

.

Вопрос о снижении энергопотребления является насущным для всех типов встраиваемых процессорных систем. В статье даются практические советы по оптимизации энергопотребления за счет нескольких режимов работы системы, а также по оптимизации ресурсов и увеличению срока службы батарей. Статья представляет собой авторизованный перевод [1]. – интерфейс прямого доступа к памяти или интерфейс главного процессора; – многоканальные буферизированные последовательные порты; – модули памяти; – контроллер хоста SD-карты; – интерфейс I2C; – таймеры; – USB-порты; – сторожевой таймер; – АЦП; – часы реального времени; – универсальный интерфейс вводавывода. Фактическое количество активной мощности, потребляемой каждым модулем, зависит от напряжений питания, рабочей частоты, конфигурации и режима активности каждого модуля. Более глубокий анализ показывает, что потребление каждого модуля определяется следующими параметрами, а также ограничивается конкретным приложением: – рабочая частота модуля или его интерфейса; – режим ожидания; – соотношение между периодом активности (рабочим временем) модуля и максимальным временем эксплуатации; – сооотношение между записью и общим количеством передач (оставшиеся передачи рассматриваются как чтение); – количество используемых информационных разрядов в интерфейсах с переменной шириной шины; – вероятность переключения информационного разряда из одного цикла в следующий; – средняя суммарная длина проводников печатной платы от каждого вывода периферийного устройства; – емкость нагрузки (суммарная емкость нагрузки всех выводов конкретного периферийного устройства). Для реалистичной оценки этих параметров проводится анализ работы приложения, при котором рассчитывается,

сколько раз выполняются ядра ключевых алгоритмов. Например, код в таких языках высокого уровня как С является хорошим источником аналитической информации, т.к. большинство алгоритмических ядер определяется как подпрограммы. С помощью ассемблерного кода аналитическая информация извлекается при его исполнении на симуляторе набора инструкций, оснащенного функциями анализа профиля, или путем установки в ключевых разделах кода точек прерывания, чтобы определить, как часто они выполняются. Анализ также проводится путем изучения характеристик приложения или изучения потоков передачи информации на блочном уровне. Затем следует оценить функциональные возможности системы — тактовые частоты, значения напряжений и конфигурацию разных модулей. Средства оценки энергопотребления, предоставляемые производителями полупровод­ ников, упрощают расчеты и экономят время. Оценивая техническую информацию, разработчик должен учесть следующее: – табличные данные обычно основаны на расчете потребления устройств с большими функциональными возможностями, следовательно, большинство процессоров на практике потребляет меньше, чем указано в таблице; – несмотря на то, что переходные токи могут привести к всплеску потребления, превышающего на короткое время оценочное значение, в итоге энергорасход ниже указанного в таблице значения; – полученные показатели позволяют лучше оценить требования к источнику питания и точнее оценить срок службы батарей. По большей части, средства оценки энергопотребления предназначены для работы с высокопроизводительными процессорами, например с DSP, у которых сложные и энергоемкие подсистемы. Следует выбрать такие

электронные компоненты  №9 2009

57 Микроконтроллеры и DSP

Процессоры играют основную роль в минимизации энергопотребления и увеличения срока службы батарей. Ключом к максимальному повышению энергоэффективности является всесторонний анализ потребностей конкретного приложения в питании, определение частей системы, которые расходуют наибольшее количество электроэнергии, сравнение возможностей разных конфигураций и создание энергоэффективного кода. Процессоры потребляют статическую и активную мощность. Статическая мощность расходуется в неактивный период центрального процессора (ЦП). У разработчиков практически нет какой-либо другой возможности управлять потреблением статической мощности, кроме как выбрать процессор с оптимальным быстродействием для конкретного приложения, низким показателем потребления в неактивном состоянии, указанном в описании производителя, и обеспечить невысокую температуру корпуса устройства. С другой стороны, у проектировщиков имеются все возможности управлять активной мощностью, которую кристалл потребляет при эксплуатации. Основными параметрами, определяющими потребление активной мощности, являются напряжение, частота, режим активности ЦП, а также его работа с периферийными устройствами и памятью вне кристалла. Сравнивая различные конфигурации аппаратно-программных средств, инженеры могут оптимизировать энергопотребление за счет различных режимов работы процессора. Сначала проводится оценка потребления активной мощности каждым модулем в зависимости от того или иного сценария построения системы. Во многих встраиваемых процессорах, в особенности в DSP, к числу стандартных модулей отсятся следующие: – тактовый генератор; – центральный процессор; – интерфейс внешней памяти;


Рис. 1. Стандартные шины питания DSP и допуски

Микроконтроллеры и DSP

58

источники питания (ИП), которые учитывают широкий диапазон требований DSP, зависящий от профиля активности тока. С другой стороны, маломощные микроконтроллеры (МК) не требуют развернутого статистического анализа в силу своей функциональной простоты. Установка микроконтроллеров, позволяющих минимизировать энергопотребление и увеличить срок службы батарей, осуществляется за счет выбора соответствующей архитектуры и эффективности программного обеспечения. Совет №1. Воспользуйтесь всеми преимуществами систем тактирования МК для реализации нескольких режимов малого потребления, основываясь на применении единственного кристалла. Низкочастотный вспомогательный тактовый сигнал обеспечит режим ожидания с ультранизким энергопотреблением и часами реального времени. Быстрый внутренний генератор с цифровым управлением позволит генерировать тактовую частоту для ЦП и высокоскоростных периферийных устройств, что уменьшит время запуска, необходимое в том случае когда архитектура МК имеет два кристалла или двухскоростное включение. Использование более высокой тактовой частоты в активном режиме позволяет приложению минимизировать время активного режима и вернуться в режим пониженного энергопотребления по завершению задачи. Совет №2. Следует избегать алгоритмов, при которых происходит опрос внешних устройств, т.к. он задерживает МК и систему в активном состоянии на большее, чем требуется, время. Необходимо, чтобы разрабатываемые устройства управлялись событиями. В этом случае пробуждение МК будет происходить только в том случае, когда ему потребуется что-то сделать, позволит снизить потребление активной мощности.

www. elcp.ru

Мощность меньше расходуется, если обслуживание прерываниий управляющих событий происходят за короткие интервалы активности, что наилучшим образом реализуется благодаря МК с гибкой системой тактирования. Совет №3. Проектируйте систему с внешними постоянно включенными устройствами, которые можно выключать. В результате в приложениях с отностильено малым временем активности уменьшится совокупное потребление энергии по сравнению с ее расходом стандартными маломощными устройствами, которые всегда включены. Совет №4. Удалите неиспользуемые выводы, т.к. они приводят к значительным потерям энергии. Совет №5. Интегрирование периферийных устройств в МК способствует повышению энергоэффективности. Более того, интеллектуальная периферия позволяет разгрузить ЦП таким образом, что он не требует разгонки для обеспечения требуемой производительности системы. Еще один способ уменьшения энергопотребления заключается в записи кода, что сводит к минимуму количество тактов, необходимых для выполнения команды. Использование регистров ЦП для выделенных переменных также уменьшит размер кода и увеличит скорость исполнения. В 16-разрядных архитектурах адресация к словам или байтам требует того же объема кода и количества циклов, поэтому по возможности следует организовать работу со словами — размер кода уменьшится, и увеличится скорость исполнения. Если МК поддерживает генератор констант, который служит для получения наиболее часто используемых постоянных значений для оборудования, используйте его. Дополнительные рекомендации по кодированию, позволяющие сэкономить расход энергии: – используйте как можно больше локальных переменных, т.к. глобальные

переменные задействуют регистры ЦП вместо ОЗУ; – используйте битовую маску вместо битовых полей для беззнаковых int и char; – используйте по возможности беззнаковые типы данных; – используйте указатели для доступа к структурам и объединений; – используйте класс static const во избежание динамического копирования структур, объединений и массивов. Итак, мы обсудили многие факторы, которые следует учесть при разработке оптимального источника питания (ИП). ИП могут стать основной причиной лишнего расхода энергии, т.к. их КПД обычно меняется в зависимости от напряжения, тока и температуры. К сожалению, этот показатель может быть крайне низким. Например, несмотря на то, что КПД линейного стабилизатора может достигать очень хорошего значения 89% при генерации напряжения 3,3 В на шине памяти при питании от 3,7-В батарейной шины, этот показатель снижается до 29% при генерации базового напряжения питания 1,1 В от той же шины. Другими словами, во втором случае 71% поступающей в генератор мощности рассеивается. Однако существуют методы снижения этих потерь. Иногда решение данной задачи состоит в подаче питания на разные шины встроенного процессора с использованием вспомогательных схем. У источников питания имеется несколько специфичных параметров. В списке ниже первые три характеристики очевидны, а последние две зачастую не принимаются в расчет: – входное напряжение ИП и его тип: батареи, стенная розетка или их сочетание; – шины напряжения: количество, значение, ток, допустимое отклонение и точность; – значения тока, включая динамический ток, а также в режиме ожидания; – последовательность подачи питания: например, у DSP, как правило, очень специфичные требования по питанию; – плавное включение. На рисунке 1 показана стандартная система с несколькими шинами питания для DSP. Шины питания и указанные допуски являются стандартными для современных DSP. Источники питания для каждой шины на этом этапе анализа не определены, — ими могут быть либо импульсные, либо линейные стабилизаторы, что зависит от потребностей питаемой микросхемы. Следует помнить, что для питания DSP и периферийных микросхем может понадо-


Табл. 1. Параметры энергопотребления при питании всех трех шин от линейных стабилизаторов

Vcc1 Vcc2/Io2 Io2 Итого

Линейный PIN = POUT/КПД, PIN/ Vin = IIN треб., Расс. мощн. Напряжение Оценочн. V преобр., Тип преобPout, Вт IN В разователя КПД = Vo/Vin, % Вт А преобр., Вт шины, В Iout, А 1,1 0,6 0,66 30 2,22 0,60 1,56 1,8 0,3 0,54 3,7 Линейный 49 1,11 0,30 0,57 3,3 0,2 0,66 89 0,74 0,20 0,08 0,66 4,07 1,10

биться комбинация импульсных и линейных стабилизаторов, т.к. у каждой шины свой ИП. Сначала следует рассчитать бюджет энергопотребления. В качестве примера предположим, что система питается от литий-ионной батареи емкостью 1100 мА∙ч, среднее значение напряжения которой составляет 3,7 В. Предположим также, что для простой модели на рисунке 1 в техническом описании указаны следующие требования к шине питания с пиковой мощностью 825 мВт: – Vcc1 = 1,1 В, 600 мA; – Vcc2 + Io2 = 1,8 В, 300 мA; – Io1 = 3,3 В, 200 мA. Несмотря на то, что у импульсных стабилизаторов КПД больше, чем у линейных, они дороже и сложнее в практической реализации. Таким образом, на начальном этапе следует использовать линейные стабилизаторы на каждой шине. В таблице 1 показаны типичные параметры системы с батарейным 3,7-В питанием. Каждая из трех стандартных шин на рисунке 1 питается от линейного стабилизатора, КПД которого равен Vo/Vin. Наиболее значимые данные в этой таблице означают следующее. – Из-за относительно большого энергопотребления 1,1-В и 1,8-В шин и их сравнительно низких КПД в виде тепла рассеивается довольно большая мощность (>2 Вт). Стабилизаторы в больших корпусах, обеспечивающих рассеивание этого

тепла, не годятся для миниатюрных систем с автономным питанием. – Срок службы 1100-мА батареи будет весьма непродолжителен, если при первом ее использовании потребуется обеспечить ток 1,1 А. Замена линейных стабилизаторов импульсными ИП с большим КПД на 1,1- и 1,8-В шинах обеспечивает работоспособное решение, параметры которого даны в таблице 2.

59 Микроконтроллеры и DSP

Шина

электронные компоненты  №9 2009


Табл. 2. Параметры энергопотребления при питании шин от импульсного и линейного стабилизатора Шина Vcc1 Vcc2/Io2 Io2 Итого

Напряжение Оценочн. VIN преобр., Pout, Вт В шины, В Iout, А 1,1 0,6 0,66 1,8 0,3 0,54 3,7 3,3 0,2 0,66 0,66

Тип преобЛинейный PIN = POUT/КПД, PIN/ Vin = IIN треб., Расс. мощн. разователя КПД = Vo/Vin, % Вт А преобр., Вт 92 0,72 0,19 0,06 Импульсный 93 0,58 0,20 0,04 Линейный 89 0,74 0,20 0,08 2,04 0,55

Табл. 3. Расчет допуска и точности для преобразователей Определяющий Предположения Расчет % фактор ±1 Точность VREF Резисторы внешней обратной Допуск на резисторы 2∙(1 – VREF/VOUT)∙ДОПРЕЗ ±0,5 связи (ДОПРЕЗ): ±1% Выходные пульсации в наихуд1%/2 ±0,5 ∆VOUT-PKKK < 1%∙VOUT шем случае Допуск в наихудшем случае ±2,0

Микроконтроллеры и DSP

60

После определения требований к пиковой мощности приложений с батарейным питанием следует установить уровни тока и напряжения для DSP или МК в режиме низкого потребления или ожидания. Например, легко ли в выбранных DC/DC-преобразователях динамически понижается выходное напряжение во время сна DSP или в режиме низкого потребления? Как сравнивать токи покоя и отключения у импульсного стабилизатора при использовании, например, МК MSP430 с ультранизким потреблением? До сих пор в нашей стратегии проектирования учитывались требования по энергопотреблению, но только этого недостаточно. Необходимо также предусмотреть питание шин в соответствии с параметрами DSP. Кроме того, питание шин должно исключать возможность мгновенного или кумулятивного повреждения DSP за счет минимизации времени, в течение которого напряжения превышают допустимые значения. Три метода позволят достичь этих целей. Прежде всего, следует соблюдать заданные допуски для DSP, установить последовательность подачи питания на шины и предусмотреть плавное включение. Несмотря на то, что импусльные стабилизаторы имеют больший КПД, чем линейные, один только факт, что они питают схему через импульсные конденсаторы, означает наличие тока и напряжения пульсаций. Таким образом, допуск на напряжение шины должен быть не более ±5%, и его следует включить в дополнение к номинальным переходным напряжениям. К числу факторов, определяющих т.н. «предсказуемые» вариации напряжения, относятся точность опорного напряжения (V REF); допуски на резисторы обратной связи и выходное напряжение пульсаций в наихудшем случае. Рассмотрим шину 1 (1,1-В) в источнике питания в нашем примере. У стандартного ядра DSP допуск на шину напряжения равен ±5%. У большинства недавно появившихся на

рынке DC/DC-преобразователей с опорным напряжением 0,75 В точность VREF составляет ±1%. У типичного резистора внешней цепи обратной связи для настраиваемого DC/ DC-преобразователя допуск равен ±1%, а пульсации в самом худшем случае обычно составляют ±1% от выходного напряжения. Результаты расчета суммарного допуска приводятся в таблице 3. Как видно из таблицы 3, в наихудшем случае номинальный допуск равен 2%. Снова обращаясь к рисунку 1, заметим, что допуск на каждую шину равен ±5. Таким образом, с учетом уже имеющихся 2% остаются 3% на вариации фактического напряжения в переходном режиме при изменении нагрузки. В случае с 1,1-В шиной это означает, что спад напряжения на 33 мВ (3% от 1,1 В) не приведет к выходу DSP из рекомендуемого рабочего диапазона. Следует подобрать такой выходной конденсатор, чтобы предотвратить спад при изменении нагрузки. Для того чтобы развязать цепи питания с шумом системы, конденсаторы следует поставить как можно ближе к выводам питания DSP. Миниатюрные конденсаторы, например 0402, идеально подходят для этого, т.к. у них низкая паразитная индуктивность. Блокировочные конденсаторы с небольшой (560 пФ) и средней (220 нФ) емкостями следует поставить как можно ближе к выводам питания, тогда как конденсаторы на 10 мкФ необходимо поставить дальше для развязки. Плавное включение и последовательность подачи питания

Необходимо также предотвратить спад и перегрузку по напряжению во время включения системы. Функция плавного включения обеспечивает его постепенность за счет замедления скорости нарастания выходного напряжения и уменьшения бросков пускового тока от входного ИП. Тщательный анализ методов плавного пуска выходит за рамки этой статьи. Достаточно заметить, что в большинстве преобразователей плавный пуск достигается двумя способами: управлением опорным напряжением или применением токоограничивающих методов. Существуют три метода реализации последовательности включения шин питания. – Одновременная подача питания на все шины, при которой напряжение каждой из них плавно увеличивается до заданного уровня. Этот метод наилучшим образом позволяет минимизировать вариации напряжения в зависимости от времени. Однако его трудно реализовать, если функция слежения не интегрирована в силовую микросхему. – В методе радиометрической последовательности напряжение на разных шинах растет с разной скоростью, но все шины достигают заданного значения одновременно. Этот метод реализуется за счет коллективного использования конденсаторов цепи плавного пуска DC/DC-преобразователя. – При последовательной подаче питания напряжение одномоментно поступает только на одну из шин. Это самый простой метод, позволяющий ограничить пусковой ток. Литература 1. Squeeze power efficiency out of processor-based designs. Leon Adams, Adrian Valenzuela, and Jeff Falin.

www. elcp.ru


Модули компании «Терраэлектроника» на микроконтроллерах PiccoloTM и DelfinoTM компании Texas Instruments Владимир Бродин, Игорь Булатов, Максим Галкин В статье представлены встраиваемые модули TE-TMX320F28027 и TE-TMS320F28335 компании «Терраэлектроника», выполненные на основе сигнальных микроконтроллеров Texas Instruments. Первый модуль реализует возможности самого бюджетного из 32-разрядных МК компании. Второй модуль предоставляет разработчику преимущества сигнального МК с процессорным ядром, работающим на частотах до 150 МГц и имеющим сопроцессор арифметики с плавающей точкой. В комплект поставки обоих модулей входит отладчик типа XDS100, позволяющий загружать прикладную программу и контроллировать процесс ее выполнения. Современные технологии микроэлектроники существенно снизили цены и увеличили возможности 32-разрядных МК. Ниша этих МК быстро расширяется, с одной стороны, в направлении бюджетных приложений, а с другой — появляются все более высокопроизводительные и дорогостоящие модели. В последнее время увеличение функциональных возможностей МК привело к качественному скачку, и появился новый класс этих микросхем — 32-разрядные сигнальные МК. Данные приборы соединяют производительное ядро, быстро выполняющее операции типа умножение/аккумулирование, с развитым набором периферийных модулей, в числе которых АЦП, блоки формирования ШИМ-сигналов, последовательные интерфейсы. Компания Texas Instruments недавно представила на рынок две модели сигнальных МК — TMX320F28027 из самого бюджетного семейства PiccoloTM и TMS320F28335 из семейства DelfinoTM, который является высокопроизводительным устройством с процессорным ядром, работающим на частотах до 150 МГц и имеющим сопроцессор арифметики с плавающей точкой. Микроконтроллер TMX320F28027 интегрирует на кристалле процессорное ядро C28x с тактовой частотой 60 МГц и выполнением 32-разрядных MAC-операций за один цикл, 64 Кбайт флэш-памяти программ, 12 Кбайт RAM-памяти, 12-разрядный АЦП (13 каналов), интерфейсы UART, SPI, I2C, 32-разрядный таймер, блок ШИМ (8 каналов, разрешение 150 пс). Структурная схема МК TMX320F28027 приведена на рисунке 1. Структура микроконтроллера TMS320F28335 (см. рис. 2) включает ядро C28x+FPU с тактовой частотой 150 МГц и сопроцессором арифметики с плавающей точкой, 512 Кбайт флэш-памяти программ, 68 Кбайт RAM-памяти, 12-разрядный АЦП (16 каналов), 3х UART, SPI, I2C, 2х CAN, блок ШИМ. Компания «Терраэлектроника» в рамках программы создания собственных микроконтроллерных средств разработала на основе МК PiccoloTM и DelfinoTM встраиваемые модули TE-TMX320F28027 и TE-TMS320F28335. При реализации программы проектируются многоцелевые средства, способные функционировать в разном качестве в составе различных конфигураций аппаратуры. Основные роли модулей следующие. 1. Встраиваемый модуль на основе 32-разрядного сигнального МК с оптимальным набором интерфейсов, являющийся ядром системы обработки сигналов и управления целевого устройства.

Рис. 1. Структура сигнальных МК PiccoloTM

61

Рис. 2. Структура МК TMS320F28335 DelfinoTM

электронные компоненты №9 2009


Рис. 3. Размещение элементов на верхней стороне платы TE-TMX320F28027

Рис. 4. Размещение элементов на верхней стороне платы TE-TMS320F28335

62

2. Компонент с функциями отладки при макетировании встраиваемых систем. Наличие интерфейса разъема JTAG позволяет модифицировать и отлаживать программу модуля, уже встроенного в изделие. 3. Учебно-демонстрационное средство для освоения 32-разрядных МК. Небольшая цена, доступность всех портов МК на контактных площадках, расширяемый набор демо-программ являются весомыми аргументами для выбора модулей TE-ххх в качестве платформы для перехода на современные производительные микроконтроллеры. Встраиваемый модуль TE-TMX320F28027 разработан компанией «Терраэлектроника» на базе сигнального МК TMX320F28027 PiccoloTM. На плате модуля установлены следующие компоненты: – МК TMX320F28027 (LQFP-48); – SPI флэш-память AT45DB161D (16 Мбит); – разъем miniUSB и мост USB-UART на микросхеме FTDI232RL;

WWW.ELCP.RU

– разъем JTAG (2×7 выводов) для загрузки и отладки программ; – разъем и стабилизатор питания 5 В. Порты МК (32 линии) выведены на контактные площадки, на которых доступны интерфейсы UART, SPI, I2C, а также входы АЦП. В отверстия этих контактных площадок можно установить штыревые разъемы для подключения плат расширения. Модуль ориентирован на использование в промышленных системах управления: восемь линий портов МК имеют защиту от статики, мост USB-UART гальванически развязан от микроконтроллерного ядра. Кроме того, на плате реализован воздушный защитный барьер моста USB-UART. Модуль TE-TMX320F28027 реализует оптимальный для многих приложений набор функций, опираясь на преимущества самого бюджетного 32-разрядного сигнального МК от Texas Instruments. Встраиваемый модуль TE-TMS320F28335 разработан компанией «Терраэлектроника» на базе сигнального МК


TMS320F28335 DelfinoTM. На плате модуля установлены следующие компоненты: – МК TMS320F28335 (LQFP-176); – SPI флэш-память AT45DB161D (16 Мбит); – разъем miniUSB и мост USB-UART на микросхеме FTDI232RL (развязка на ASO7221); – разъем DRB9FA и интерфейс RS-485 (развязка на ISO15); – разъем DRB9FA и интерфейс CAN (развязка на ASO7221); – разъем JTAG (2×7 выводов) для загрузки и отладки программ; – разъем и стабилизатор питания 5 В. Порты микроконтроллера (88 линий) и входы АЦП (16 линий) выведены на контактные площадки, на которых доступны также интерфейсы UART, SPI, I2C, CAN. Модуль ориентирован на использование в промышленных системах управления: восемь линий портов МК имеют защиту от статики, четыре линии портов, а также мост USBUART, интерфейсы RS-485 и CAN имеют гальваническую развязку. Проверенная схемотехника ядра встраиваемой системы, оптимизированная топология платы с воз-

душным барьером, наличие защиты и гальванической развязки входных и выходных цепей позволяют использовать модуль TE-TMS320F28335 как на этапе разработки, так и в составе серийной промышленной системы управления. В комплект поставки модулей TE-TMX320F28027 и TE-TMX320F28335 входит аппаратный отладчик, который подключается к модулям через разъем JTAG и распознается системой программирования CCS на инструментальном компьютере как устройство типа XDS100. С его помощью можно загружать код прикладной программы в память микроконтроллера и отлаживать ее с использованием основных известных режимов (по шагам, с использованием контрольных точек и т.д.). Полный комплект аппаратного и программного обес­ печения (Code Composer Studio for C2000 с лицензией) предоставляет набор BH-USB-200-BNDL компании Blackhawk. Приобрести микроконтроллеры TMX320F28027 PiccoloTM и TMS320F28335 DelfinoTM, модули TE-TMX320F28027 и TE-TMS320F28335, схемные эмуляторы и другие средства отладки, получить техническую информацию и консультации можно в «Терраэлектронике» (www.terraelectronica.ru).

События рынка

| 1-й Форум разработчиков цифровой электроники Digital Electronics Developers Forum’09 (DEDF’09): практика применения цифровых сигнальных процессоров ANALOG DEVICES, Inc. | Первая региональная практическая конференция «Форум разработчиков цифровой электроники», посвященная вопросам применения цифровых сигнальных процессоров компании Analog Devices, Inc. в задачах проектирования цифровой электроники, пройдет в г. Минске 26 ноября 2009 г. В конференции примут участие инженеры-электронщики, технические специалисты, эксперты по применению, руководители отделов, технические директора IT-компаний из Беларуси, России и др. стран. Специальный гость мероприятия — Йоханнес Хорват, Analog Devices, Inc. (Austria) — ведущий инженер по применению продукции Analog Devices в Восточной Европе. Форум пройдет в формате однодневной конференции, на которой будут представлены пленарные и секционные доклады по следующим темам: •  внедрение и применение процессоров Blackfin, а также практические вопросы применения ОС uClinux; •  цифровые сигнальные процессоры и алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС). В рамках форума будет работать мини-экспозиция готовых решений на компонентной базе Analog Devices, Inc. Условия участия. Для слушателей и докладчиков участие в форуме бесплатное с обязательной предварительной регистрацией до 15 октября 2009 г. Количество участников ограничено. Заявки принимаются по адресу dedf@promwad.com. Справки по тел. +375-17-312-12-46. Форум состоится 26 ноября 2009 г. в Международном образовательном центре IBB по адресу г. Минск, пр-т Газеты «Правда», 11. Начало работы: 10.00. Организаторы форума — инновационная компания Promwad (www.promwad.com) и НПУП «Альфачип» (www.alfa-chip.com) — официальный дистрибьютор Analog Devices, Honeywell, Microchip, Sunlike и др. в Беларуси. Генеральные информационные партнеры: Первый информационно-справочный портал Беларуси (www.interfax.by), и журнал «ЭЛЕКТРОНИКА инфо» (http://electronica.nsys.by). www.promwad.com

64

Компания «Абрис-Технолоджи» в составе холдинга RCM Group предлагает услугу рентген-контроля всем желающим организациям. На производстве в С.-Петербурге имеется рентген-установка Phoenix, позволяющая достичь полного увеличения до 10 000 крат (разрешение 0,2 мкм). Мы предлагаем рентген-контроль электронных блоков, печатных плат, BGA-компонен­тов, любых электронных устройств, мобильных телефонов, КПК, бытовых и прочих устройств и приборов в том случае, когда необходимо выявить внутренний дефект. Услуга предоставляется по требованию клиента, независимо от производственного процесса. Требования к образцам: по весу — до 5 кг, по размеру — до 71×56 см. Отработанная процедура оформления документов и приёмки продукции позволяет максимально быстро приступить к выполнению заказа, а гибкий график работы обеспечивает выполнение срочных заказов за один рабочий день. По результатам исследования заказчику предоставляется полный протокол с описанием и фотографиями обнаруженных дефектов.

www.rcmgroup.ru

WWW.ELCP.RU


Самосинхронные схемы. Принципы построения и элементная база Алексей Бумагин, канд. техн. наук, нач. сектора, ФГУП «РНИИ КП» Алексей Гондарь, инженер, ФГУП «РНИИ КП» Михаил Куляс, инженер, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Александр Руткевич, ген. директор, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Владимир Стешенко, канд. техн. наук, нач. отд. проектирования СБИС, ФГУП «РНИИ КП» Аль-Мехди Тайлеб, инженер, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Григорий Шишкин, рук.проектов, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» .

Это уже вторая статья по самосинхронным системам («Самосинхронная схемотехника: повышение энергоэффективности вычислений в микропроцесорных системах» см. в ЭК №12, 2008). Вполне вероятно, что благодаря широким возможностям и преимуществам эти системы будут очень востребованы, и потому мы продолжим публикации на данную тему. В статье рассмотрены принципы построения самосинхронных схем, дана их классификация, показаны отличия строгосамосинхронных и квазисамосинхронных подходов. Описан базис логических элементов для построения строгосамосинхронных схем, а также приведены примеры реализации логических элементов и конвейерных схем в этом базисе. хронного подхода к проектированию, где для синхронизации работы схемы применяется глобальная цепь распространения тактового сигнала с высокими требованиями к расфазировке и дрожанию фронта, в самосинхронных схемах синхронизация работы осуществляется за счет непосредственного определения моментов окончания переходных процессов в отдельных блоках схемы и использования этих сигналов для синхронизации соседних блоков. Таким образом, скорость работы схемы определяется исключительно задержками распространения сигнала в схеме и является максимально возможной для текущих условий (температуры, напряжения питания), параметров полупроводниковой структуры и обрабатываемых данных. На рисунке 1 показан пример самосинхронной схемы, состоящий из двух блоков. В каждый блок входит асинхронный регистр (Р), осуществляющий хранение данных на время обработки, и комбинационная функция (КФ), которая выполняет обработку данных.

К выходу комбинационной функции подключен индикатор (И), отслеживающий момент окончания переходного процесса. В зависимости от реализации, индикатор может являться как отдельным блоком, так и частью комбинационной функции. Работа схемы происходит следующим образом: на вход блока подаются данные, сопровождаемые сигналом «Запрос». Если блок в текущий момент не активен и готов к приему новых данных, схема управления формирует сигнал «Старт», который осуществляет запись данных во входной регистр и активирует работу комбинационной функции блока. Кроме этого формируется сигнал «Подтверждение», указывающий на то, что блок готов к приему новых данных. Через какое-то время, по завершению переходных процессов, индикаторный блок формирует сигнал «Готов», указывающий, что вычисления закончены и на выходе блока находятся верные данные. Если от следующего блока приходит сигнал «Подтверждение», система управле-

Классификация и принципы построения самосинхронных схем

Самосинхронная схемотехника является одним из способов локального решения проблемы синхронизации работы схемы. В отличие от син-

Рис. 1. Построение самосинхронной схемы

электронные компоненты  №9 2009

65 ПЛИС И СБИС

До настоящего времени общепринятым являлся синхронный подход к проектированию схем. При таком подходе для синхронизации элементов схемы используется глобальное тактовое дерево. С переходом к технологическим нормам 45 нм и меньше разработчики синхронных схем столкнулись с проблемами распространения тактового дерева, дальнейшего увеличения тактовой частоты, уменьшения размеров элементов, уменьшения энергопотребления и рядом других [1]. В самосинхронных схемах большинство этих проблем решено или вовсе отсутствует. Такие схемы обладают более низким энергопотреблением, характеризуются низким уровнем собственных шумов и электромагнитного излучения, обладают лучшей защитой от взлома (методом анализа спектра потребления мощности) и более просты для повторного использования блоков. Как свидетельство постепенного перехода проектов к самосинхронному исполнению может служить прогноз ITRS дальнейшего развития самосинхронных цепей в проектах. Так, по данным ITRS процент использования самосинхронных цепей в проектах в 2012 г. достигнет 20%, а к 2020 г. может быть уже 40% [2].


Рис. 2. Построение квазисамосинхронной схемы

Рис. 3. Протоколы передачи данных

ПЛИС И СБИС

66

ния формирует сигнал «Запрос». Время обработки данных блоком зависит от многих факторов режима работы и непосредственно обрабатываемых данных. По способу определения момента окончания переходного процесса самосинхронные схемы можно разделить на два класса [1]: строгосамосинхронные схемы — схемы, в которых происходит непосредственное определение момента окончания переходного процесса, и квазисамосинхронные, где используются косвенные методы определения, и непосредственно момент времени окончания переходного процесса никак не фиксируется. Наиболее распространенным способом построения квазисамосинхронных схем является метод модели максимальной задержки. В этих схемах для формирования сигнала окончания переходного процесса используется модель комбинационной схемы, выполненная на линии задержки и соответствующая максимальному времени распространения сигнала в комбинационной схеме с неким запасом, который позволяет устранить технологический разброс и ошибки оценки времени распространения сигнала. Такой подход, в отличие от синхронной схемы, дает возможность работать схеме при максимальной скорости при данных внешних условиях и параметров полупроводниковой структуры. Одним из недостатков такого реше-

ния являются жесткие требования к задержкам сигналов в схеме. При нарушении этих требований схема становится неработоспособной. Кроме того, такой подход не позволяет учесть зависимость задержки в комбинационной схеме от значения сигнала на входе. Пример квазисамосинхронной схемы показан на рисунке 2. Данные между регистрами передаются с использованием специального протокола обмена и сопровождаются парой запрос/подтвержедние (Req/Ack) как показано на рисунке 3. Этот рисунок иллюстрирует два варианта реализации протокола. Наиболее широко используется 4-фазный протокол, т.к. он требует меньше аппаратных ресурсов для своей реализации. Для синхронизации работы схемы используется блок задержки, равной времени прохождения критического пути комбинационной схемы, и набор G-триггеров с дополнительными элементами НЕ. G-триггер представляет собой переключающий элемент с гистерезисом. Его переключение происходит, только когда входы имеют одинаковые логические уровни. Если уровни разные, то такой элемент сохраняет предыдущее состояние. Условное графическое изображение G-триггера и его таблица истинности показаны на рисунке 4. В строгосамосинхронных схемах используется непосредственное определение момента окончания пере-

Рис. 4. G-триггер

Рис. 5. Построение строгосамосинхронной схемы

www.elcp.ru

ходного процесса. Одним из способов построения таких схем является парафазное представление сигналов. Для передачи каждого бита информации используются две физические линии. Это позволяет кроме двух логических состояний передавать отдельно по времени разделитель передаваемых данных и определять с его помощью момент окончания переходного процесса. При проектировании таких схем к синтезу комбинационной функции предъявляются дополнительные требования на монотонность и возможность индицирования на выходе окончания всех переходных процессов внутри схемы. На рисунке 5 показан пример такой схемы. Примером реализации этого подхода является NCL-логика (NULL Convention Logic), разработанная специалистами компании Theseus Research, Inc. [4]. Класс строгосамосинхронных схем имеет ряд преимуществ по сравнению с синхронными и квазисамосинхронными подходами. К ним относятся: – предельно возможная скорость работы схемы, т.к. схема сама определяет темп своей работы в зависимости от внешних условий и обрабатываемых данных; – независимость работоспособности схемы от задержек сигналов и логических элементов; – более широкий рабочий диапазон схемы, при этом для работоспособности схемы требуется только сохранение переключательных свойств транзисторов; – уменьшение энергопотребления за счет того, что при отсутствии данных в схеме не происходят переключения сигналов и остается только статическое потребление, в отличие от синхронной схемы, где без использования специальных мер в независимости от наличия данных тактовый сигнал подается на триггеры. Базовые элементы самосинхронных схем

Основу NCL-схем составляют пороговые элементы THmn, показанные на рисунке 6. Пороговый элемент THmn характеризуется двумя параметрами: количеством входов n и порогом срабатывания m, причем должно выполнятся соотношение (1 ≤ m ≤ n). Переключение выхо-


Рис. 6. Пороговые элементы

Рис. 7. Классификация пороговых элементов

Рис. 8. Реализация логических функций в NCL-базисе

связи и блока формирования сигнала готовности, который подключен к каждому самосинхронному регистру в конвейере. Порядок прохождения данных в конвейере определяется сигналами запроса и подтверждения (Ki и Ko, соответственно). Протокол передачи данных в конвейере следующий: самосинхронные регистры принимают состояние DATA

(«0» или «1»), только когда приходит запрос rfd (request for data) на вход Ki (Ki = 1), и принимают состояние NULL только по запросу frn (request for null) на входе Ki (Ki = 0). Также генерируются и сигналы подтверждения Ko: когда на выходе регистра состояние DATA — на выходе Ko (Ko = 1) выставляется сигнал подтверждения rfn (ready for null); когда выходы регистра принимают состояние

Таблица 1. Базовый набор пороговых элементов NCL Элемент TH12 TH22 TH13 TH23 TH33 TH23w2 TH33w2 TH14 TH24

Функция set A+B AB A+B+C AB+AC+BC ABC A+BC AB+AC A+B+C+D AB+AC+AD+BC+BD+CD

Элемент TH34 TH44 TH24w2 TH34w2 TH44w2 TH34w3 TH44w3 TH24w22 TH34w22

Функция set ABC+ABD+ACD+BCD ABCD A+BC+BD+CD AB+AC+AD+BCD ABC+ABD+ACD A+BCD AB+AC+AD A+B+CD AB+AC+AD+BC+BD

Элемент TH44w22 TH54w22 TH34w32 TH54w32 TH44w322 TH54w322 THxor0 THand0 TH24comp

Функция set AB+ACD+BCD ABC+ABD A+BC+BD AB+ACD AB+AC+AD+BC AB+AC+BCD AB+CD AD+BC+AD AC+BC+AD+BD

электронные компоненты  №9 2009

67 ПЛИС И СБИС

да этого элемента в логическую 1 происходит при поступлении логических 1 на m его входов и сохраняется до тех пор, пока на всех его входах не будет логических 0. Расширением элемента THmn является пороговый элемент с весовыми коэффициентами для указанных входов THmnw1w2w3w4, где wi — весовой коэффициент для входа i. На рисунке 6 показан пороговый элемент TH32w2 с весовым коэффициентом 2 для первого входа. Порорговые элементы, у которых m  =  n, соответствуют G-триггерам с n входами, а если m = 1 — элементу ИЛИ с n входами (см. рис. 7). Остальные элементы являются расширением рассмотренных ранее G-триггеров и могут быть построены на их основе. Состояние на выходе Y таких пороговых элементов определяется двумя функциями — set и hold. Функция set определяет условие выставления логической 1 на выходе Y, а hold определяет условие удержания этого состояния на выходе. Общая функция переключения состояния на выходе для всех элементов Y = set + Y –1∙hold, где Y –1 — это предыдущее состояние на выходе. Функция hold для всех элементов одинаковая и определяется как операция ИЛИ над всеми входами (например, для 4-входового элемента это A + B + C + D). Функция set определяет функциональное назначение элемента. В таблице  1 показан базовый набор из 27 таких элементов [5], который полностью определяет все возможные логические функции set для элементов с четырьмя и менее входами. Для построения строгосамосинхронной схемы используется парафазное представление сигналов, где каждый сигнал А передается по двум проводникам — A.f и A.t. Таким образом, А может принимать три значения: «0» (A.f = 1, A.t = 0); «1» (A.f = 0, A.t =  1) и NULL (A.f = 0, A.t = 0). Состояние (A.f = 1, A.t = 1) не используется и говорит только об ошибке в работе схемы. Состояние NULL (разделитель, или спейсер) используется для разделения отдельных данных во времени. На рисунке 8 показана реализация базовых логических элементов И, ИЛИ, НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в базисе NCL. На рисунке 9 показан пример организации самосинхронного конвейера в NCL-базисе. Он состоит из двух регистров и комбинационной схемы. Каждый регистр состоит из двух частей  — схемы запоминания состояния и индикатора, который показывает, что все переходные процессы закончены и правильные данные появились на выходе регистра. Синхронизация работы схемы осуществляется при помощи обратной


ния питания с 1,2 до 0,6 В приводит к 87-% уменьшению энергопотребления. Еще одним примером может служить самосинхронное процессорное ядро ARM996HS, разработанное фирмой Handshake Solution [1] и имеющее в 2,8 раз меньшее энергопотребление, по сравнению со своим синхронным аналогом ARM968E-S при той же производительности. Токовые выбросы такого процессора меньше в 2,4 раза во время работы.

ПЛИС И СБИС

68

Рис. 9. Организация самосинхронного конвейера в NCL-базисе

NULL — на выходе Ko (Ko = 0) выставляется сигнал подтверждения rfd (ready for data). В заключение можно отметить широкие возможности и преимущества использования самосинхронных схем при построении различных портативных устройств и устройств, использующих алгоритмы шифро-

www.elcp.ru

вания данных, по сравнению с синхронными аналогами. Так, по данным компании Achronix [1], некоторые образцы выпускаемых ими микросхем (самосинхронные ПЛИС по технологии 90 нм с напряжением питания ядра 1,2 В) остаются работоспособным при снижении напряжения питания до 0,2  В. Кроме того, снижение напряже-

Литература 1. A. Taubin, J. Cortadella, L. Lavagno, A. Kon­dratyev, A. Peeters. Design Automation of Real-Life Asynchronous Devices and Systems. Foundations and Trends(r) in Electronic Design Automation — Vol.2, No.1, September, 2007, pp.1—133. 2. International Technology Roadmap for Semiconductors 2007. Design. 3. S. C. Smith, R. F. DeMara, J. S. Yuan, M.  Ha­gedorn, D. Ferguson. Delay-Insensitive Gate-Level Pipelining. Integration, the VLSI Journal, Vol. 30/2, pp. 103—131, October 2001. 4. Karl M. Fant, Logically Determined Design: Clockless System Design with NULL Convention Logic. Wiley. 2005. 5. S. C. Smith, R. F. DeMara, J. S. Yuan, D. Ferguson, D. Lamb. Optimization of NULL Convention Self-Timed Circuits. Integration, The VLSI Journal, Vol. 37/3, pp. 135—165, August 2004.


Приборы защиты от перенапряжения компании STMicroelectronics Александр Райхман, менеджер по развитию бизнеса STMicroelectronics, ЗАО «Компэл» С постоянно увеличивающейся степенью интеграции и повышением функциональности полупроводниковых приборов все более актуальной становится защита их от выхода из строя при воздействии статического электричества или наводимых помех. Так, неисправность какой-либо ключевой микросхемы приводит к выходу из строя всего, зачастую очень дорогого, оборудования, а в ответственных применениях — и к техногенной катастрофе. Электростатические разряды и помехи могут быть как естественного, так и искусственного происхождения. К естественным можно отнести, например, разряды молний, сильно электризуемые стены и полы помещений, самого человека, который в соответствующей одежде и обуви может нанести ущерб электронным компонентам. Против воздействия естественных причин разработано много мер, к которым относятся введение экранов, использование токопроводящих материалов для зданий и одежды, заземляющих браслетов, специального паяльного оборудования и т.д. Электромагнитные помехи искусственного происхождения вызываются функционирующей электронной аппаратурой. К ним относятся переходные процессы в приборах, неправильная трассировка СВЧ-трактов, коммутационные процессы в реактивной нагрузке и т.п. Все эти возмущения электромагнитной среды оказывают негативное воздействие на амплитуду и форму обрабатываемых и передаваемых сигналов, вплоть до возникновения перенапряжений, перекрывающих допустимые параметры для компонентов. Как результат, микросхемы могут временно потерять работоспособность или выйти из строя. Компания STMicroelectronics выпускает широкий спектр защитных приборов, позволяющих во многом устранить проблемы электростатики. К ним относятся ограничители выбросов напряжения (transient voltage suppressors — TVS), т.е. специальные диоды — трансилы (Transil™), имеющие очень быстрое время срабатывания, и шунтирующие диоды, называемые трисилами (Trisil™). ST также производит компоненты, защищающие линии передачи информации и телекоммуникационные интегральные схемы. Основными достоинствами всех защитных приборов являются миниатюрные габариты и низкие емкости, позволяющие передавать сигналы без искажения их формы. Рассмотрим подробнее группы защитных приборов, выпускаемых компанией. Трансилы действуют подобно стабилитронам, ограничивающим выбросы напряжения в защищаемых цепях. Они могут быть как одно-, так и двунаправленными. Основным показателем, характеризующим параметры трансилов, является коммутируемая (клампируемая) мощность, которая в случае дискретных приборов делится на 5 подсемейств: 200 Вт (SM2Txxx), 400 Вт (SMAJxxx), 600 Вт (P6KExxx, SMBJxxx), 1500 Вт (1.5KExxx, SMCJxxx) и 5000 Вт (BZW50xxx). В каждом наименовании указывается также рабочее напряжение трансилов. Принцип работы трансила показан на рисунке 1. Практически мгновенное срабатывание делает их применение незаменимыми для защиты от электростатики

высокочувствительных приборов, выполненных по МОПтехнологии. По принципу работы трансила выпускаются и готовые микросхемы, предназначенные для защиты линий передачи данных и высокоскоростных интерфейсов, таких как USB, DVI, HDMI, SATA и др. Например, для защиты высокоскоростного интерфейса HDMI используется сборка HDMIULC6-4SC6, состоящая из 4-х защитных линий, выполненная в корпусе SOT23-6L и имеющая схему, которая приведена на рисунке 2. Диоды этой сборки имеют очень малое время срабатывания и минимальную емкость, что позволяет использовать сборку также для защиты следующих высокоскоростных интерфейсов: – IEEE 1394a/b/ — до 3,2 Гбайт/с; – USB2.0 — до 480 Мбайт/с; – Ethernet — 10/100/1000 Мбайт/с. Для защиты интерфейсов RS-232/422/423/485 используются диодные сборки серии ITAxxx в корпусе SO, которые, как правило, имеют подобную структуру. Сборки ITA рассчитаны на защиту от различных фиксированных напряжений, т.е. если RS-232 имеет напряжение физического уровня ±12 В, то для него используются сборки ITA18Bx или ITA25Bx c порогом срабатывания 18 и 25 В, соответственно, а для защиты RS-423 с напряжением ±6 В имеется сборка ITA10Bx, срабатывающая при напряжении выше 10 В. Последняя цифра, обозначенная как x, определяет тип корпуса SO8 или SO20 с различным количеством диодов.

69 Рис. 1. Формы напряжения и тока через трансил

Рис. 2. Структура диодной сборки HDMIULC6-4SC6

электронные компоненты №9 2009


Рис. 3. Структура диодной сборки ITAxxB1

Рис. 4. Формы напряжения и тока через трисил

Рис. 5. Структура диодной сборки TPN3021

В таблице 1 приведены основные продукты и компоненты, защищающие их от электростатических перегрузок. Использование специализированных микросхем для защиты соответствующих интерфейсов существенно повышает степень защищенности устройства, т.к. специалисты компании ST разрабатывают их оптимальным образом, учитывая все существующие тонкости и нюансы. И, хотя подобное решение может оказаться несколько дороже, чем использование аналогичных дискретных приборов, однако уменьшение времени разработки и экономия места на плате являются существенными преимуществами в пользу специализированных решений. Трисилы представляют собой диоды, которые в нормальном состоянии имеют высокое сопротивление. Таблица 1. Продукты и их защитные компоненты

70

Защищаемый продукт

Название защиты

Линии передачи информации

DAxxx, DALCxxx

Высокочувствительное оборудование

ESDAxxx, ESDALCxxx

HDMI-интерфейс

HDMIxxx, HDMIULCxxx

Power over Ethernet

PEP01xxx

Интерфейс RS232/422/423/485

ITAxxx

Интерфейс USB

USBxxx, USBULCxxx

Интерфейс LVDS

DSILCxxx

Интерфейс DVI

DVIULCxxx

Интерфейс LIN

ESDLINxxx

Интерфейс SATA

SATAULCxxx

Датчики средств автоматизации

SPT01xxx

Таблица 2. Перечень специализированных сборок Защищаемый продукт

Название защиты

Телекоммуникационные реле

THBTxxx

Схемы абонентского доступа

LCPxxx, LCDPxxx

Телефонные линии и офисные АТС

CLP30xxx

Вторичная защита для DSL-линий

DSL01xxx

ISDN-интерфейс

TPIxxx

T1/E1-интерфейс

TPN3021

Ethernet-интерфейс

ETP01xxx

Телекоммуникационные терминалы

TSIxxx

Телекоммуникационные линии

ТРР

WWW.ELCP.RU

Рис. 6. Структурная схема полевого транзистора STP11NK40Z (буква Z означает наличие стабилитронов в транзисторе)

Когда напряжение на трисиле превышает допустимое значение, диод включается и становится коротко замкнутым элементом, защищающим нагрузку от выхода из строя. Основным параметром трисила является коммутируемый ток, согласно которому выделяются 4 группы дискретных диодов: 30 А (SMP30xxx), 50 A (SMP50xxx), 80 A (SMP80MCxxx) и 100 А (SMP100LCxxx). Принцип работы трисила показан на рисунке 4. Основным применением является защита аналоговых и цифровых телефонных линий типа xDSL, T1/E1, ISDN, а также офисное и терминальное оборудование, где используются телефонные линии — телефоны, факсы, модемы. В качестве примера на рисунке 5 приведена схема защиты линии, работающей по протоколам T1/E1 или Ethernet. На основе трисил-технологии компания выпускает широкий спектр защитных приборов для телекоммуникационного оборудования, специально разработанных для конкретных применений. Следует отметить, что подобные компоненты для защиты электрических цепей созданы не столько из здравого смысла разработчиков электронных компонентов, сколько являются следствием регламентирующих международных стандартов. Эти стандарты жестко определяют условия работы оборудования. Все защитные приборы должны удовлетворять требованиям этих стандартов. В настоящем обзоре не имеет смысла описывать все стандарты — достаточно сказать, что их около десятка и в любой спецификации защитного прибора обязательно указываются названия стандартов, на основе которых разработан тот или иной тип защитного электронного компонента. Следует также заметить, что в особо чувствительные компоненты разработчики встраивают элементы защиты от статического электричества. Например, очень чувствительным в этом плане является полевой транзистор, и при его разработке в цепь затвор-сток включаются стабилитроны, защищающие от пробоя затвор транзистора, как показано на рисунке 6.


События рынка

| Окончательное соглашение об объединении NEC Electronics и Renesas Technology | 16 сентября 2009 г. японские компании NEC Electronics Corporation; Renesas Technology Corp. (Renesas); NEC Corporation; Hitachi, Ltd. и Mitsubishi Electric Corporation объявили о подписании окончательного соглашения об объединении бизнесов NEC Electronics и Renesas.     Окончательное объединение бизнесов произойдет после специального собрания акционеров и запланировано на 1 апреля 2010 г. Основными направлениями деятельности компаний NEC Electronics и Renesas является производство полупроводниковых компонентов и, в особенности, микроконтроллеров. Быстрое развитие новых сегментов полупроводникового рынка привело к усилению конкурентной борьбы. В связи с этим целью анонсированого 27 апреля 2009 г. объединения является консолидация усилий, направленных на развитие полупроводниковых технологий и повышение удовлетворенности потребителей. Новая компания предложит более конкурентоспособные продукты в области микроконтроллеров, систем на кристалле и дискретных компонентов за счет объединения инженерных ресурсов и лучших наработок обеих компаний. Кроме того, объединенная компания Renesas Electronics Corporation планирует предлагать законченные решения, удовлетворяющие самым различным требованиям заказчиков из всех отраслей промышленности. Распределение акций Renesas Electronics Corporation между основными акционерами будет следующим: NEC Corporation — 33,42%; Hitachi, Ltd. — 30,73%; Mitsubishi Electric Corporation — 25,14%; Japan Trustee Services Bank, Ltd. — 1,54%. Председателем совета директоров Renesas Electronics Corporation станет Юнши Ямагучи (Junshi Yamaguchi), ныне занимающий пост президента и исполнительного директора NEC Electronics Corporation, а пост президента займет Ясуши Акао (Yasushi Akao), являющийся в настоящее время президентом Renesas Technology Corporation.

72

www.eltech.spb.ru

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| Elpida представляет первый в мире модуль Mobile RAM с плотностью записи 2 Гбит | Японская компания Elpida заявила, что ей удалось создать первый в мире модуль оперативной памяти DDR2, имеющий самую высокую плотность записи среди аналогичных модулей, предназначенных для мобильных устройств. Новинка построена по технологии 50 нм, работает при напряжении 1,2 В и обеспечивает скорость передачи данных 800 Мбит/с. Она ориентирована на использование в мобильных телефонах и смартфонах верхнего сегмента, а также в нетбуках и MID (Mobile Internet Devices). Также устройство отмечается своей экономичностью — в режиме простоя оно требует лишь 1/16 часть потребляемой энергии. Массовое производство новых модулей памяти начнется в первой половине 2010 г. Устройство будет поставляться как бескорпусный кристалл для использования в корпусах, объединяющих один (SiP) или несколько (MCP) кристаллов в одном корпусе, а также в корпусах типа package-on-package (PoP). www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU


ОТ РЕДАКЦИИ

Однако невозможно все время заниматься только одним приложением. Разработчику, специализирующемуся, например, в силовой электронике, рано или поздно придется столкнуться с беспроводными технологиями или с выбором дисплеев и т.д. Осваивать новое направление всегда непросто — много времени занимает поиск информации, знакомство с терминологией. Именно для таких случаев мы и ввели рубрику «Теория и практика». В этой рубрике мы не стремимся повторить институтский курс, но ориентируемся на хорошо знающего основы электроники читателя, стараясь дать лишь основные сведения, которые помогут при дальнейшем более глубоком изучении проблемы.

О компании Elektor International Media Компания Elektor International Media выпускает журналы для радиолюбителей с 1960 г. В настоящее время Elektor International Media занимается не только издательской деятельностью. Ежегодно выходят в свет книги, CD и DVD с полезными материалами, выпускаются новые наборы и модули для радиолюбителей, проводятся международные мастер-классы и семинары. Издательство имеет штатную лабораторию и команду инженеров, занимающихся составлением наборов для радиолюбителей и изготовлением заказных печатных плат. Подразделение Elektor PCB Service изготавливает прототипы и небольшие партии заказных плат объемом 5–50 шт. Elektor International Media является членом International Federation of the Periodical Press — Международной федерации периодических изданий. С 2006 г. компания входит в холдинг Zhomer Media Business. Журнал Elektor предназначен для всех, кто интересуется электроникой, — от профессионалов, всецело преданных своему делу, до любителей, желающих стать настоящими специалистами. Он известен во всем мире, выпускается на разных языках в 50 странах мира и ежемесячно расходится тиражом в 125 тыс. экз. В нем публикуются различные проекты и идеи необычных устройств, а также обзор новинок и последних достижений в области электронных и информационных технологий. Головной офис Elektor International Media BV располагается в голландском замке XIII в. в 30 км от Маастрихта (Голландия). Страсть к электронике — вот что объединяет коллектив и читателей Elektor. Их девиз — «Электроника во всем мире».

Мы не хотим стоять на месте и пытаемся развивать журнал, дополняя его новыми рубриками и свежими идеями. Поэтому с интересом восприняли предложение голландской компании Elektor (www.elektor.com) о сотрудничестве. Честно говоря, поначалу нам показалось несолидно сотрудничать с журналом для радиолюбителей, но потом, памятуя, что во многих профессиональных разработчиках жив радиолюбитель, мы взглянули на эту идею совсем иначе. Ведь многие из нас после работы мастерят что-то для дома, дачи, автомобиля. Elektor — это не только журнал, но и производитель наборов и модулей для радиолюбителей. Вспомнив о том, что российская компания «МАСТЕР КИТ» (www.masterkit.ru) занимается разработкой и распространением схожей продукции, мы уже, ничуть не сомневаясь, приняли решение о создании новой рубрики «После работы». В этой рубрике, которую мы планируем помещать в каждом номере журнала, будет печататься переводная статья из журнала Elektor и материал об изделиях компании «МАСТЕР КИТ». Надеемся на отзывы и будем рады Вашим предложениям.

О компании «МАСТЕР КИТ» Компания поставляет современные, спроектированные с использованием лучших достижений, электронные модули и изделия. Они предназначены для дома, офиса, дачи, садового участка. Компания «МАСТЕР КИТ» (kit в переводе с англ. означает «набор») начала свой бизнес в 1999 г. с продажи электронных наборов и радиоконструкторов для самостоятельной сборки различных электронных устройств в учебных и практических целях. Они предназначены для тех, кто любит, хочет и умеет паять. В каждый набор входит заводская печатная плата с маркировкой, полный перечень электронных компонентов и инструкция по сборке. Все наборы после сборки не требуют настройки и сразу начинают работать. Многие из них можно приобрести в виде законченных и собранных блоков и модулей, выполненных по принципу «Купил-подключил». Все наборы и радиоконструкторы классифицированы по сложности: простые наборы для начинающих, наборы средней сложности, наборы для профессионалов; по категориям (техническому назначению): автоэлектроника, аудиотехника, бытовая электроника, охранные устройства, измерительные устройства, звуковые и световые эффекты, источники питания и др. Магазины, в которых можно приобрести изделия компании, расположены по всей России — от Ангарска до Ярославля. Офис компании находится в Москве.

электронные компоненты  №9 2009

73 П о с л е ра б о т ы

Наш журнал адресован инженерам-разработчикам высокой квалификации. Большинство публикуемых статей подразумевает хорошее знакомство читателей с теорией и наличие практических навыков в рассматриваемом приложении. Другими словами, публикуемые материалы носят прикладной характер и предназначены, прежде всего, для использования в повседневной практической деятельности.


GSM-интеллектуальное управляющее охранное устройство ВМ8039 Александр Квашин, технический консультант, «Мастер Кит» В статье описан принцип работы и функционирования охранного устройства «Гардиан», приведены рекомендации по выбору компонентов и организации охранной системы на объекте. Описываемое устройство «Гардиан» (см. рис. 1, 2) предназначено для круглосуточной непрерывной охраны объектов различного назначения: дома, квартиры, дачи, предприятия, офиса, склада и т.п. Оно передает звонки или короткие сообщения (смс) на заданные номера в случае нарушения или восстановления «охранных линий». По запросу оно высылает информацию о текущем состоянии охраняемого объекта. «Гардиан» позволяет осуществлять слежение за объектом и управлять им как по беспроводному каналу, так и в зависимости от значений температур термодатчиков (режим термостата).

Параметры работы «Гардиан» задаются через ПК в специальной программной среде. Подключение к компьютеру осуществляется через интерфейс USB. Устройство обладает исключительно большим количеством опций и настроек, что делает его универсальным в своем роде. Основные технические характеристики «Гардиан» приведены в таблице 1. Принципиальная схема устройства и основных блоков с указанием номиналов приведена в [1]. Центральной частью схемы является микроконтроллер ATMEGA GA32L-8AU. Тактирование осуществляется с помощью внешнего керамического резонатора. Питание подается с импульсного источника, построенного на LM2576. К устройству можно подключить до 2 линий проводных датчиков (стандарт 1Wire). К каждой линии подключается не более 16 датчиков. Длина линии не должна превышать 50 м. Устройство имеет два встроенных индикатора и одну кнопку управления [1]. Линии охраны

Устройство позволяет подключать датчики к 8 главным линиям (входам) охраны. Каждой линии программно Табл. 1. Основные технические характеристики

Рис. 1. Общий вид устройства

П о с л е ра б о т ы

74

Рис. 2. Схема подключения устройства

www.elcp.ru

Характеристика Значение Номинальное напряжение питания, В 9…12 Максимальное напряжение питания, В 24 Потребляемый ток, мА 50 Тип беспроводного канала GSM 900/1800 Количество каналов охраны 8 Количество выходных линий управления 6 Встроенные реле управления, шт. 2 Макс. ток коммутации реле, А 2 Макс. напряжение коммутации, В 250 Количество выходов с TTL уровнями 4 Макс. количество смс-сообщений 256 Макс. количество смс на событие 256 Количество линий 1-wire 2 Макс. количество датчиков на линию 16 Диапазон измеряемых температур при использовании датчиков DS1820 (в комплект не входят), °С

–55…125

назначается один из 8 каналов охраны. Каждый канал настраивается на контроль следующих событий. 1. Появление логического 0 на входе. 2. Появление логической 1 (сигнал уровня от 5 до 24 В). 3. Появление либо логического 0, либо логической 1 («0 SET» или «1 SET»). 4. Изменение сопротивления линии (R change). Таким образом, одну и ту же линию можно подключить к двум разным каналам, настроенным на разный режим слежения. Например, линию №2 можно настроить на отслеживание 0 по первому каналу и слежение за сопротивлением этой же линии по второму каналу. Предусмотрена реакция как на переход канала в режим тревоги, так и на обратный переход — восстановление нормального режима. Алгоритм работы

Устройство «Гардиан» может находиться в одном из 6 состояний. 1. Инициализация после включения (запуск GSM-модема, инициализация периферии). 2. Режим ожидания. 3. Режим перехода в состояние охраны. 4. Режим охраны. 5. Режим предупреждения тревоги. 6. Режим подключения к ПК. При подаче питания «Гардиан» начинает инициализацию периферии. При этом встроенные индикаторы будут поочередно мигать с частотой 2 Гц. Этот процесс может занять около 30 с. После инициализации устройство автоматически переходит либо в режим охраны, либо в режим ожидания (настраивается через программу конфигурирования). В режиме ожидания все индикаторные светодиоды погашены. Устройство производит обработку показаний термодатчиков и принимает команды по GSM-каналу. В случае срабатывания одного из датчиков устройство переходит в режим предупреждения тревоги. В этом режиме светодиод ALARM LED начинает мигать с частотой 1 Гц в течение задан-


Свои номера

Устройство обрабатывает запросы и получает команды управления только с тех номеров, которые занесены в список «Свои номера». Если команда поступает с другого номера, она не будет обработана. Пользователь может записать до 12 своих номеров. Функционирование устройства

На каждое тревожное событие может быть заготовлено смс с определенным текстом. При наступлении события устройство переходит в режим предупреждения тревоги и начинает рассылку соответствующих смс на выбранные номера. Устройство имеет аналоговый выход для подключения к внешнему

усилителю мощности звука для выдачи тревожных сигналов. Звуковой сигнал может дублировать отправку смс. Длительность звучания и тип звукового сигнала для каждой линии выбираются в программе конфигурирования. Тревожные события разделяются на два типа: главные тревоги (Main Channels) и сигналы тревоги от термодатчиков (User Channels). Главные тревожные события возникают в ответ на срабатывание датчиков на линии охраны. Сигналы тревоги от термодатчиков предупреждают пользователя о выходе температуры за определенный диапазон. Предельные значения задаются на двух уровнях, чтобы избежать «дребезг» при переходе через границу. Устройство может работать как термостат. До шести выходов могут быть настроены на работу от одного конкретного термодатчика. Режим термостатирования может работать как по программе «Ох­лаж­ дение», так и по программе «Нагрев». Термодатчики могут одновременно работать на термостат и на тревогу. Это позволит отслеживать состояние выходов на нагрузки. Если выход настроен на работу от термостата, то он не может уже управляться по GSM-каналу, однако пользователь может проверить состояние данной нагрузки через функцию «статус смс». Входящие запросы и команды

Находясь вне объекта, пользователь может подключить или отключить нагрузки либо проверить текущее состояние охраняемого объекта. Для этого он должен отправить смс с текстом команды или запроса на абонентский номер устройства. Содержание смс должно соответствовать установленному формату [1].

Рис. 3. Вид платы сверху

При необходимости установки большего числа датчиков возможно использование концевых выключателей, герконовых датчиков других типов, тонкого проволочного шлейфа или фольги, работающих на размыкание (разрыв). Для шлейфа применяется провод ПЭВ-1 (2) или ПЭЛ-1 (2) диаметром 0,1…0,25 мм. Все охранные датчики включаются таким образом, чтобы общее сопротивление линии составляло 1 кОм ±10% в случае настройки канала в режим контроля сопротивления. Резистор 1  кОм устанавливается обычно в конце линии в труднодоступном месте. Рекомендации по выбору компонентов

В качестве усилителя мощности звука можно применить усилители «Мастер Кит», например BM057 или BM2033. Для питания от сети подойдут блоки PW1215B, PW0720B или PW0920B. Для обеспечения питания системы в условиях частых отключений рекомендуется использовать источник бесперебойного напряжения на 12 В, например BM1060. Рекомендуемые датчики температуры: DS18B20, DS18S20, DS1822. Светодиод для внешней установки должен иметь ток до 20 мА и рабочее напряжение не более 2,5 В.

Пример размещения системы

Общая структура охранной системы приведена на рисунке 2. Устройство «Гардиан» желательно разместить в неочевидном месте, чтобы затруднить его поиск и вывод из строя злоумышленником. Кнопку управления следует расположить в скрытом, но доступном месте (например, под подоконником и т.п.). Внешняя кнопка и внешний светодиод не обязательны для функционирования. Датчики монтируются непосредственно на охраняемый объект (дверь, оконная рама и т.д.). Например, на дверной коробке устанавливается герконовый датчик, а на двери — магнит так, чтобы при закрытой двери расстояние между датчиком и магнитом не превышало 1…3 мм, а при открывании двери расстояние между ними было не менее 2 см.

Чтобы избавить вас от поиска электронных компонентов, изготовления печатных плат и проведения монтажа, «Мастер Кит» предлагает готовое корпусированное устройство «Интел­лек­ту­ альное управляющее охранное устройство GSM «Гар­диан» BM8039». Узнать более подробную информацию об устройстве «Гардиан» BM8039 и о магазинах, торгующих продукцией, можно на сайте компании (www.masterkit.ru), а получить техническую консультацию — по электронной почте: infomk@masterkit.ru или тел.: (495) 234-77-66. Литература 1. Интеллектуальное управляющее охранное устройство GSM «Гардиан» B M 8 0 39 // w w w. m a s t e r k i t . r u /m a i n /s e t . php?num=1255

электронные компоненты  №9 2009

75 П о с л е ра б о т ы

ного пользователем промежутка времени. Если за этот период сигнализацию не дезактивировать нажатием кнопки, то устройство возвращается в режим охраны и в фоновом режиме производит рассылку смс и совершает звонки, предназначенные для этого события. Отметим, что в режиме «Пре­ду­ преж­дение тревоги» контроль линий охраны, а также опрос термодатчиков и управление термостатом не прекращаются. В случае наступления нескольких событий, требующих оповещения пользователя, они обрабатываются в порядке очереди. Максимальное число событий достигает 20. Это существенно повышает надежность охраны объекта при возможных многочисленных срабатываниях. Если по каким-либо причинам смс не было отправлено или звонок не может быть произведен (например, проблема с GSM сетью), то данная задача возвращается назад в очередь тревожных событий и будет в ней находиться до тех пор, пока не будет отработана. Режим перехода в состояние охраны. Если нажать на кнопку, то начнется процедура перехода в режим охраны. Она длится в течение установленного пользователем времени. Это нужно для того, чтобы пользователь успел покинуть охраняемый объект до того, как включится режим охраны. Длительность перехода задается через программу на ПК. Если все датчики не придут в «нормальное» состояние до момента окончания обратного отсчета, то устройство вернется в режим ожидания (либо в режим охраны, если так задал пользователь). Если во время перехода в режим охраны нажать на кнопку еще раз, то произойдет возврат в режим ожидания. Режим связи с ПК. При подключении устройства к ПК оно автоматически переходит в режим коммуникации. В данном режиме отключается контроль линий термодатчиков и линий охраны. Все нагрузки включаются в состояние 0.


Десульфатация пластин аккумулятора Кристиан Тавернье (Christian Tavernier) В статье изложен метод электрической очистки пластин автомобильного аккумулятора от сульфата свинца. Приведены схема устройства, вид печатной платы и список используемых компонентов. Как бы автолюбитель ни заботился об аккумуляторе своего мотоцикла или автомобиля, он все равно служит не так долго, как хотелось бы. Тому есть много причин, самая распространенная из которых — сульфатация пластин. Посмотрим, как это происходит. В процессе разряда в аккумуляторе протекает следующая химическая реакция: Pb + 2H2SO4 + PbO2 → 2PbSO4 + 2H2O (1) Из уравнения (1) видно, что под воздействием серной кислоты свинец, из которого сделана пластина, вступает в реакцию с оксидом, покрывающим соседнюю пластину, образуя сульфат и воду. Во время заряда под воздействием тока протекает та же реакция (1), но в обратную сторону. В теории этот процесс полностью обратим, что позволяет перезаряжать аккумулятор много тысяч раз. К сожалению, на практике это не совсем так. Обратная реакция происходит не до конца, что приводит к отложению части сульфата на пластине. Этот процесс со време-

нем идет быстрее, приводя аккумулятор в негодность. Поскольку PbSO4 является плохим проводником, то внутреннее сопротивление окисленной пластины увеличивается, а зарядный ток и эффективность заряда, в свою очередь, уменьшаются. Решить проблему можно только с помощью очень сильных разъедающих веществ, потенциально опасных для здоровья. Кроме того, аккумуляторы выпускаются в прочных корпусах, чтобы не было возможности вскрыть их, не поломав. Однако есть метод, который позволяет провести десульфатацию пластин электрически. Оказывается, если приложить короткие импульсы напряжения с высокой амплитудой к аккумулятору, то возбужденные у поверхности электродов ионы разрушают осадок сульфата свинца. Электрическая схема

Принципиальная электрическая схема устройства приведена на рисунке 1. Это импульсный источник питания, где мультивибратор IC1 подключен в асинхронном режиме и работает на

Таблица 1. Перечень компонентов Резисторы Индуктивности Конденсаторы Диоды Прочее

R1 = 470 кОм; R2 = 22 кОм; R3 = 330 Ом; R4 = 220 Ом L1 = 220 мкГн (3,5 А); L2 = 1 мГн (1 А) С1 = 100 мкФ (25 В); С2 = 100 нФ; С3 = 2,2 нФ; С4 = 47 нФ; С5 = 100 мкФ (25 В, низкое ЭПС) D1 = 15 В, 0,4 Вт (стабилитрон); D2 – диод BYW29-100 Т1 – транзистор IRF9540; IC1 – мультивибратор NE555

П о с л е ра б о т ы

76

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема

www.elcp.ru

частоте нескольких кГц. Когда транзистор Т1 закрыт, конденсатор С5 заряжается через индуктивность L2 до напряжения аккумулятора. Импульс, генерируемый мультивибратором IC1, на короткое время открывает транзистор Т1, и конденсатор С5 мгновенно разряжается через него и индуктивность L1. Затем Т1 снова закрывается, но из-за присутствия L1 ток разряда не останавливается моментально, а некоторое время протекает через диод D2. Если конденсатор С5 качественный и обладает низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС), а провод от схемы до аккумулятора не очень длинный, то пиковый ток в импульсе может достигать 5…10 А. Но при этом потребление схемы довольно мало, порядка 40 мА. Выбор элементов и подключение

Список рекомендуемых номиналов и компонентов приведен в таблице 1. Если же приходится выбирать компонент, отличный от рекомендуемого, то это надо делать осторожно, учитывая определенные рекомендации и ограничения. Индуктивности обязательно должны иметь точно такие характеристики, какие указаны в перечне компонентов (см. табл. 1). Диод D2 в случае необходимости можно заменить на другой компонент, однако он обязательно должен иметь очень высокую скорость срабатывания. Конденсатор С5 лучше выбирать с низким ЭПС. Обычно такие конденсаторы предназначены специально для импульсных источников питания. Как видно из рисунка 2, на

Рис. 2. Печатная плата


котором показан вариант размещения элементов, предложенный инженерами Elektor, транзистор Т1 и диод D2 имеют небольшие U-образные радиаторы, поэтому желательно, чтобы они были в корпусе TO-220. Готовую схему рекомендуется установить в заземленный металлический корпус, поскольку она создает довольно сильное электромагнитное поле, которое может повлиять на работу других электронных устройств. Для подключения схемы к аккумулятору следует использовать короткие

работы. И, напоследок, важное предостережение. При подключении данного устройства к аккумулятору прямо в машине следует отключить от двигателя хотя бы один его контакт, поскольку импеданс нагрузки, подключенной параллельно, снижает эффективность работы схемы. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову, anton@elcp.ru, тел.: 741-77-01.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

77

| Литография «снимает маску» | Компания Mapper Lithography NV намерена использовать полученные от министерства экономики Нидерландов 14,7 млн долл. на создание прототипа новой технологии для литографического оборудования, не требующего применения маски и включающего 10 тыс. параллельных электронных лучей. В традиционном фотолитографическом процессе маска — это фотошаблон с рисунком из прозрачных и непрозрачных для электромагнитного излучения участков. Через нее на кремниевую подложку наносится соответствующий рисунок. В разработке нидерландской компании он наносится на пластину непосредственно. Таким образом, техпроцесс существенно упрощается и избавляется от дорогостоящей составляющей. Mapper создаст опытный образец оборудования совместно с Catena, Technolution, Multin Hittech, Demcon и Делфтским техническим университетом (Delft University of Technology). Недавно компания CEA-Leti — ведущий европейский исследовательский институт в области микроэлектроники — анонсировала поставку одной из 300-мм литографических платформ для CEA-Leti в Гренобле, Франция. Машина будет использоваться в рамках трехлетней программы Imagine, нацеленной на совершенствование прямой электронно-лучевой литографии для производства интегральных схем с применением 22-нм техпроцесса. Проект включает анализ оборудования, интеграции технологии и затрат на ее изучение. Производитель электронных компонентов Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC), являющийся сторонником устранения фотомаски, также анонсировал присоединение к международному консорциуму с CEA-Leti. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты  №9 2009

П о с л е ра б о т ы

провода сечением 2,5…3,0 мм 2. Их необходимо надежно закреплять (или припаять) на контактах аккумулятора, чтобы минимизировать паразитные эффекты. Некоторые специалисты советуют одновременно подключать слабое зарядное устройство, чтобы при длительном процессе десульфатации аккумулятор не разрядился. Но едва ли стоит это делать, поскольку импеданс зарядного устройства искажает форму импульсов нашего устройства и заметно снижает эффективность его


Новые компоненты на российском рынке ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Сверхэкономичный компьютер на базе процессора Intel Atom и чипсета US15WP от Avalue

Компания Avalue готовит к выпуску новый одноплатный компьютер ECM-US15WP. Основное достоинство ECM-US15WP — это наличие современного процессора Intel Atom Z510P или Z530P (TDP = 2 или 2,5 Вт) в паре с чипсетом US15WP (TDP = 2,5 Вт), что обеспечивает высокую производительность при сверхмалом энергопотреблении — около 5 Вт. Широкий набор интерфейсов позволяет подключить к этой плате разнообразные периферийные устройства. Также большим преимуществом является то, что ОЗУ объемом 1 или 2 Гбайт впаяно в плату, что позволяет использовать данный компьютер в условиях повышенной вибрации. В качестве опции предлагается контроллер встроенного сенсорного экрана. Кроме того, интересной особенностью является новый интерфейс SDIO, позволяющий подключать различные периферийные модули, такие как: устройства для чтения карт памяти (SD, MMC), GPS, устройство чтения штрихкода, модуль WiFi и др. Компактный компьютер ECM-US15WP имеет следующие характеристики: – процессор Intel® AtomTM Z510P/Z530P; – чипсет Intel® US15WP; – ОЗУ емкостью 1 Гбайт (опционально 2 Гбайт) впаяно в плату; – 5.1-канальный звук; – 1×Gigabit Ethernet; – 1×CF, 2×SATA, 6×USB, 2×COM, 16-битный цифровой ввод/вывод; – интерфейс периферии 1×SDIO, интерфейс графического модуля: 1×SDVO; – встроенный контроллер сенсорного экрана (опция); – безвентиляторная система охлаждения. Модуль имеет компактные размеры (146×101 мм) и работает в диапазоне температур 0…60°C. Срок выпуска массовой серии ожидается в сентябре 2009 г. Основные области применения: – экономичные мобильные устройства; – субноутбуки специального назначения; – тестовое и измерительное оборудование; – промышленная автоматизация; – устройства обработки видеоинформации. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

Одноплатный компьютер размером 10×7 см от Avalue

Компания Avalue готовит к выпуску одноплатный компьютер RSC-W910 формата 2,5“. Малые размеры модуля RSC-W910, низкое энергопотреб­ ление, широкий диапазон рабочих температур позволяют использовать его в малогабаритных и мобильных устройствах. В RSC-W910 установлен ARM 9 процессор Nuvoton W90P910CBN с тактовой частотой 200 МГц и припаяно 64 Мбайт ОЗУ (опционально до 512 Мбайт), что позволяет

использовать его в условиях повышенной вибрации. ОС может запускаться как с установленной на плате флэшпамяти (емкостью 32…512 Мбайт), так и с карты памяти Compact Flash или SD. Поддерживаются ОС Linux и Windows CE 5.0 и 6.0. Несмотря на малые размеры, RSC-W910 оснащен широким набором современных интерфейсов: – 1×10/100 Base-Tx Fast Ethernet; – 3×USB 2.0; – 1×RS-232; 1×RS-232/422.485; – поддержка вывода на 8/16/18 бит TTL-дисплей и VGA. Напряжение питания компьютера 9…24 В. Диапазон рабочих температур –20…70°С. Основные области применения: – портативное медицинское диагностическое оборудование; – портативное тестовое и измерительное оборудование; – промышленная автоматика. Выход в массовое производство планируется в ноябре 2009 г. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Анализатор сигналов для ВЧ/СВЧ-измерений высшего класса от Agilent

Компания Agilent Technologies Inc. представила новую серию анализаторов сигналов — N9030A PXA, самые высокопроизводительные анализаторы в семействе приборов Agilent X-серии. Анализаторы сигналов серии PXA имеют частотный диапазон до 26,5 ГГц, обладают широкой функциональностью, которая может быть расширена за счет разнообразных измерительных опций. Благодаря совместимости кодов новые анализаторы могут легко заменить существующие анализаторы Agilent или HP. Анализаторы серии Agilent PXA отличаются исключительными рабочими характеристиками, благодаря которым повышается точность измерений и становятся доступными для анализа мельчайшие детали сигналов: динамический диапазон 75 дБ при полосе анализа 140 МГц. Основные характеристики: – фазовый шум на частоте 1 ГГц –128 дБс/Гц при отстройке 10 кГц; – абсолютная погрешность измерения уровня 0,19 дБ; – чувствительность (средний уровень собственного шума DANL) –172 дБм на частоте 2 ГГц (с предусилителем и технологией понижения уровня шума). Анализатор серии PXA имеет возможности встроенных одноклавишных измерений, а также обладает целым рядом дополнительных измерительных приложений X-серии, которые можно использовать как на более старых анализаторах, так и на всех анализаторах сигналов, построенных на базе X-платформы: PXA, MXA, EXA и CXA. Кроме того, ПО векторного анализа Agilent 89600 (VSA) также может работать с анализатором сигналов серии PXA, обеспечивая тем самым возможность анализа сигналов более чем 70 видов модуляции. Анализаторы серии PXA будут достойной заменой широко используемых анализаторов HP 8566 и 8568; HP/Agilent 856x и Agilent PSA Е4440А (до 26,5 ГГц). Среди основных возможностей: совместимость кодов, эмуляция языка удаленного

электронные компоненты №9 2009

79


управления; стандартные настройки; внутренняя автоподстройка; второй выход ПЧ и видеовыход. ПО анализа сигналов MATLAB® можно заказать как одну из опций при приобретении анализаторов непосредственно в компании Agilent для всех анализаторов X-серии. Ана­лиза­ торы сигналов серий Agilent CXA и PXA — первые анализаторы сигналов, которые можно заказать вместе с ПО MATLAB с момента их выхода. Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc.

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

Семейство малогабаритных, низкопрофильных прецизионных малошумящих кварцевых генераторов от компании «Морион»

80

ОАО «Морион» (С.-Петербург) представляет семейство малогабаритных, низкопрофильных («плоских») прецизионных малошумящих кварцевых генераторов с широкими адаптивными возможностями для различных применений. В семейство входят модели ГК197-ТС, ГК199-ТС, ГК200-ТС, ГК201-ТС. Кварцевые генераторы обладают следующими особенностями. – Высокая стабильность частоты в интервале рабочих температур: до 2.10 –10 для ГК200-ТС и (5…10).10 –10 для других моделей. – Высокая долговременная стабильность частоты: до (2…3).10 –8 за год. – Исполнение с выходным сигналом SIN или HCMOS. – Исполнение с напряжением питания 12 или 5 В. – Возможность реализации ужесточенных требований к кратковременной нестабильности частоты (девиации Аллана) — вплоть до 7.10 –13/с, а также времени установления частоты — вплоть до 1 мин. – Низкий уровень фазовых шумов — от стандартного до малошумящего (опция LN), улучшенного малошумящего (ILN) и ультрамалошумящего (ULN). Реализованные уровни шумов генераторов на 10 МГц: не более –108 дБ/Гц для ∆f = 1 Гц и не более –157 дБ/Гц для ∆f = 100 Гц; – Низкий профиль: высота корпуса до 10 мм для ГК197-ТС и ГК200-ТС; 12,7 мм для всех моделей. – Исполнение в популярных стандартных корпусах: от миниатюрного 20×0 мм (ГК199-ТС) до малогабаритных 36×27 мм (ГК197-ТС), 51×41 мм (ГК201-ТС) и, для наиболее высокого уровня параметров, — 51×51 мм (ГК200-ТС). Генераторы освоены в серийном производстве и уже успешно применяются во многих видах современной радио­ электронной аппаратуры самого различного назначения. Диапазон частот: 10…20 МГц для ГК197-ТС и ГК199-ТС; 10...40 МГц для ГК201-ТС и 10…100 МГц для ГК200-ТС. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Новые мощные светодиоды от Philips Lumileds

Компания Philips Lumileds расширила семейство мощных светодиодов для поверхностного монтажа LUXEON Rebel, добавив в него девять новых приборов с различной цветовой температурой.

WWW.ELCP.RU

Новые светодиоды дают возможность разработчикам и производителям осветительного оборудования подбирать параметры светового потока, комбинируя светодиоды с различными цветовыми температурами.     Так, для освещения улиц достаточно применение светодиодов с более холодным светом и низким коэффициентом цветопередачи, а в тех случаях, когда цветопередача и комфорт имеют наибольшее значение, применять натуральные и теплые оттенки белого света. Комфорт важен в освещении офисных и жилых помещений; цветопередача — характеристика, подчеркивающая привлекательность товара или экспоната в торговом зале либо на выставочном стенде. Технические характеристики светодиодов приведены в таблице. Наименование

Коэффициент Мощность светового Цветовая температура CCT цветопередачи CRI потока, лм (при 350 мА) (ном.), К Мин. Тип. Мин. Тип.

LXM3-PW81

2700

80

85

65

73

LXM3-PW71

3000

80

85

66

77

LXML-PW71

3000

85

90

50

66

LXM3-PW61

3500

80

85

67

80

LXML-PW51

4000

60

70

90

105

LXM3-PW51

4000

80

85

75

85

LXML-PW31

5000

65

70

90

105

LXML-PW21

5700

65

70

90

105

LXML-PW11

6500

65

70

90

105

Примечание: 1. Параметры приведены при рабочем токе 350 мА и температуре теплоотводящего основания 25°C. 2. Допуск на световой поток ±6,5%, на CRI ±2.

Philips Lumileds www.philipslumileds.com

Дополнительная информация: см. «Светотроника», ООО

Agilent Technologies Inc.

115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр.1 Тел.: +7 (495) 797-3928 tmo_rus@agilent.com www.agilent.ru

«Морион», ОАО

199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-15-59 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru

«Светотроника», ООО

115114, Москва, ул. Дербеневская, д.1 Тел.: +7 (495) 221-61-18 Факс: +7 (495) 221-61-24 www.svetotronica.ru

«Элтех», ООО

198035, С.-Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: (812) 635-50-60 Факс: (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

Электронные компоненты №9/2009  

В номере: * Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования и тестирования * JEDEC JESD204A: передача нескольких потоков по од...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you