CC BY
301
УДК 621.396.96
ГИГАГЕРЦОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ В ПЛИС СИСТЕМЫ ФАПЧ Е.Н. Бормонтов, В.И. Клюкин, С.А. Быстрицкий
Спроектирован генератор, управляемый напряжением, встроенный в систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Моделирование показало, что генератор способен работать на частотах до 1ГГц в диапазоне температур -60..125°С. Представленная работа выполнялась по заданию «КТЦ «Электроника»
Ключевые слова: фазовая автоподстройка, генератор частоты, стабильность
Современные информационные технологии требуют непрерывного увеличения рабочих частот электронных схем. Это вызывает необходимость разводки по плате тактовых сигналов высокой частоты и стабильности, что в общем случае сопровождается усилением помех. Кроме того, при использовании в составе устройства нескольких ИС важна их синхронная работа, гарантирующая безошибочность обработки данных. Это практически невозможно сделать централизованно ввиду различной удаленности источника тактового импульса от работающих микросхем. Для решения указанных проблем в микросхемах, в частности, в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), зачастую предусматриваются системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), способные синтезировать необходимую для работы частоту, синхронизировать фазы тактовых импульсов между различными ИС на плате, а также подавлять возникающие в цепях помехи.
Рис. 1. Базовая схема ФАПЧ
Общая структура ФАПЧ (рис. 1) содержит делитель частоты опорного сигнала, фазовый детектор (ФД), выполняющий роль сумматора, фильтр нижних частот (ФНЧ) с импедансом 2(р), генератор, управляемый напряжением (ГУН) и делитель частоты на N в цепи обратной связи, являющийся умножителем частоты опорного сигнала. Ранее было показано, что повышение рабочих частот ГУН ведет не только к расширению набора синтезируемых частот, но и к увеличению стабильности синтезируемой частоты, что отражается в уменьшении кратковременной нестабильности фазы выходного сигнала (джиттера)
Бормонтов Евгений Николаевич - ВГУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8-915-581-75-22 Клюкин Владимир Иванович - ВГУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-903-656-77-88
Быстрицкий Сергей Алексеевич - ВГУ, аспирант, тел. 8-920-211-98-42
[1], в связи с чем поставлена задача максимального увеличения верхней границы рабочего диапазона ГУН.
Достижения основных производителей ПЛИС по увеличению рабочих частот встроенных ФАПЧ выгдядят следующим образом (табл. 1). В 1999м году фирма Altera начала производить ПЛИС серии APEX - EP20K, выполненные в проектной норме КМОП 180нм. Заявленная частота работы ГУН в этих микросхемах составляла 500МГЦ, при этом максимальная частота выходного тактового сигнала ФАПЧ не превышала 200-335МГц в зависимости от класса скорости схемы. Снижение выходной частоты относительно частоты ГУН обычно объясняется невозможностью сложных цифровых схем, в частности делителей частоты, работать на частотах верхнего диапазона ГУН. ФАПЧ общего назначения в микросхемах семейства APEX II (150нм) имела максимальную частоту ГУН также 500МГц. Гигагерцовый диапазон был получен в семействах Stratix и Stratix II, выполненных в проектной норме 130нм и 90нм соответственно (эти же частоты возможно было получить и на выходе ФАПЧ). Фирма Lattice «перешагнула» через гигагерцовую границу при переходе со 130нм на 90нм.
Таблица 1
Генераторы фирм Altera и Lattice [5-10]
Производитель, Длина канала Максимальная
серия транзисторов, частота ГУН,
нм МГц
Altera APEX, 180 500
APEX II 150
Altera Stratix, 130 1000
Stratix II 90
Lattice ECP/EC 130 840
Lattice ECP2/M 90 1280
Цель данной работы - показать, что создание ГУН, работающего на частотах до 1ГГц, является возможным и в технологии 180нм. Данная разработка позволяет:
- максимально увеличить стабильность выходного сигнала;
- добиться минимального шага сдвига фазы в 125пс
(Тмакс/8);
- увеличить набор возможных рабочих частот.
Существуют две наиболее часто используемые архитектуры ГУН: ЬС-генератор [2] и кольцевой генератор на инверторах [3,4], причем из-за сложности реализации ЬС-генератора и большой площади, занимаемой им, в случае ФАПЧ, интегрированных в ПЛИС, наиболее используема
архитектура кольцевого генератора. В связи с необходимостью сдвига фазы синтезированного сигнала относительно входного ГУНы, как правило, имеют 8 выходов, смещенных друг относительно друга на п/4. Это обязывает строить кольцо генератора как минимум из восьми управляемых инверторов [3], что снижает максимальную частоту ГУН. Классический инвертор, управляемый напряжением, изображен на рис. 2. Его схема аналогична схеме инвертора с третьим состоянием, но на затвор управляющих транзисторов подаются не отпирающие или запирающие напряжения, а напряжения в диапазоне от GND до УСС. В зависимости от затворного напряжения данные транзисторы имеют различное сопротивление канала, которое ограничивает токи перезарядки емкостей транзисторов собственно инвертора, тем самым регулируя частоту генератора. Управляющее напряжение формируется на ФНЧ (рис. 3) и подается на п-канальный управляющий транзистор. Напряжение для р-канального транзистора ~Ус в идеале равно УСС-Ус и формируется из Ус согласно схеме на рис. 3.
УСС
Вход
Выход
і ОШ
Рис. 2. Классический управляемый инвертор
0
УСС
V,.
ЧҐ
с
Рис. 3. Формирование обратного управляющего напряжения
Если схему на рис. 2 модифицировать, поменяв местами транзисторы, выполняющие логику
инвертора, и управляющие транзисторы, то характеристики инвертора изменятся следующим образом:
- повысится максимальная частота работы ГУН;
- амплитуда выходного сигнала уменьшится на 2ДУ, где ДУ - падение напряжения на «приоткрытом» управляющем транзисторе. Амплитуда восстанавливается в выходном буфере, но для соблюдения правильной скважности
транзисторы в такой структуре должны быть максимально сбалансированы;
- ухудшится работа ГУН в предпороговых областях. В модифицированной схеме диапазон управляющих напряжений, при котором кольцо инверторов генерирует частоту, несколько ниже, чем в исходной схеме на рис. 2.
Таким образом, генератор, построенный на инверторах с модифицированной схемой, имеет более высокую максимальную частоту, но и более требователен к сбалансированности р- и п-канальных транзисторов, а также имеет более крутую передаточную функцию (зависимость частоты от величины управляющего напряжения), что несколько ухудшает характеристики синтезируемого тактового сигнала
(кратковременную нестабильность фазы,
размытость спектра и т.п.).
Следующим шагом по увеличению рабочих частот генератора явилось уменьшение числа инверторов в кольце до четырех путем использования вместо инвертора на рис. 2 дифференциального инвертора с двумя выходами и двумя входами (рис. 4). Структура данного инвертора описана в [4], где, однако, отсутствует р-канальный управляющий транзистор, что приводило к отклонению скважности генерируемого сигнала от 1:1 при управляющих напряжениях, находящихся в предпороговых областях.
0¥СС
ВЫХ-
ВХ+
ВЫХ+
1
вх-
4 ож
Рис. 4. Инвертор с двумя входами и двумя выходами
При помощи четырех таких инверторов можно построить ГУН, объединив их так, как показано на рис. 5. Диапазон рабочих частот такого генератора уже превышает 1ГГц, однако рассматриваемый ГУН имеет и свои недостатки. При управляющем напряжении ниже порогового частота не
генерируется вовсе, и скачок частоты при
формировании канала довольно чувствителен, т.е. если генератор работает в области низких частот, то его стабильности будет недостаточно для
устойчивой работы ФАПЧ. В связи с этим были предприняты следующие меры:
- 4 управляющих р-канальных транзистора для четырех инверторов были объединены в один общий с корректировкой его размеров; точно так же были объединены 4 управляющих п-канальных транзистора;
- параллельно с управляющими транзисторам были включены резисторы с постоянным сопротивлением, благодаря чему генерация минимальной частоты происходит даже при нулевом управляющем напряжении и сглаживался частотный скачок при образовании канала в управляющем транзисторе. В то же время влияние данного сопротивления практически не сказывалось при высоких управляющих напряжениях, что могло бы привести к понижению максимальной частоты.
Окончательная структура генератора представляет из себя цепь из четырех инверторов типа рис. 4, но усеченных до четырех транзисторов, и единой схемы управления, изображенной на рис. 6, где в дополнение к вышеперечисленным модификациям на выходы схемы управления «повешены» ёмкости. Это необходимо в связи с тем, что в установившемся режиме выходы цепи управления должны содержать постоянное напряжение, однако на него накладываются паразитные колебания, вызванные, в частности, переключением инверторов генератора. Ёмкость величиной 2пФ способна уменьшить амплитуду таких колебаний в несколько раз, что находит отражение в стабильности генерируемой частоты.
1
а
вых 1
л
Я
вых 2
табл. . Моделирование проводилось в трех режимах: низкоскоростная модель работы транзистора и 1=125°С, нормальные условия и нормальная модель транзистора, высокоскоростная модель транзистора и 1=-60°С. Напряжение питания Упит = 1.8В. Видно, что даже при худших условиях работы максимальная частота работы ГУН превышает 1 ГГц. При этом минимальная частота работы ГУН должна превышать 500МГц для того, чтобы с помощью делителей частоты возможно было бы получить любую частоту из диапазона 0Гц - 1ГГц. Благодаря резистору в цепи управления это условие достигается и при моделировании с высокоскоростной моделью транзистора.
Таблица 2
Зависимость частоты ГУН от управляющего напряжения в различных моделях
Управляющее напряжение, В Частота, МГц худшие условия Частота, МГц нормальные условия Частота, МГц лучшие условия
0 174,22 203,25 225,23
0,1 175,13 204,5 225,73
0,2 175,44 204,92 226,24
0,3 181,82 206,61 226,76
0,4 217,39 222,72 226,76
0,5 341,3 322,58 276,24
0,6 588,24 649,35 588,24
0,7 826,45 1083,42 1287
0,8 934,58 1298,7 1677,85
0,9 980,39 1369,86 1677,85
1 1006,04 1408,45 1818,18
1,1 1029,87 1428,57 1838,24
1,2 1041,67 1443 1851,85
1,3 1052,63 1451,38 1865,67
1,4 1058,2 1457,73 1872,66
1,5 1061,57 1461,99 1879,7
1,6 1066,1 1466,28 1883,24
1,7 1068,38 1468,43 1883,24
1,8 1070,66 1470,59 1886,79
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,1
Рис. 7. Зависимость частоты ГУН от управляющего напряжения в различных моделях
Рис. 6. Схема управления частотой ГУН
Результаты моделирования данного ГУН при различных управляющих напряжениях показаны в
Из табл. 2 и рис. 7 видно, что генератор имеет нелинейную функцию передачи, которая имеет максимум крутизны при 0.5В<Ус<0.7В, где даже в случае нормальных условий коэффициент передачи
превышает 4ГГц/В. Это отрицательно сказывается на стабильности выходной частоты в соответствующем диапазоне.
Для линеаризации передаточной функции ГУН параметры транзисторов цепи формирования обратного управляющего напряжения таким образом, чтобы п- и р-канальные транзисторы в инверторах открывались при несколько различных управляющих напряжениях. При этом
осуществлялась коррекция размеров транзисторов самих инверторов для того, чтобы скважность выходного сигнала была как можно ближе к 0,5 на большем диапазоне управляющих напряжений. После проведения подобных преобразований при нормальных условиях была получена характеристика генератора, отраженная в табл. 3 и на рис. 8.
Таблица 3
Зависимость частоты ГУН от управляющего напряжения в
окончательной модификации ГУН
Управляющее напряжение, В Частота, МГц
0 203,25
0,1 204,08
0,2 204,92
0,3 206,19
0,4 219,78
0,5 294,12
0,6 526,32
0,7 765,11
0,8 990,10
0,9 1154,73
1 1270,65
1,1 1324,50
1,2 1351,35
1,3 1388,89
1,4 1418,44
1,5 1449,28
1,6 1455,60
1,7 1461,99
1,8 1468,43
В окончательной конфигурации максимальный коэффициент передачи ГУН в нормальных условиях равнялся 2,4ГГц/В, превышая в 3 раза
максимальный коэффициент передачи ГУН рассмотренного в [3], что требует для формирования управляющего напряжения на ФНЧ использования стабильных источников тока малой мощности. Эта задача будет решаться в ближайшем будущем.
Воронежский государственный университет
Рис. 8. Сравнение частотной характеристики ГУН при нормальных условиях до (сплошная) и после (пунктирная) изменения цепи управления
Литература
1. Бормонтов Е.Н. Стабилизация параметров выходного сигнала в системе ФАПЧ для ПЛИС / Е.Н. Бормонтов, В.И. Клюкин, С.А. Быстрицкий. - Труды XVI междунар. научн.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь», т. 1, с. 396-401. - Воронеж: ВГУ, 2010.
2. Keliu Shu. Cmos Pll Synthesizers - Analysis and Design / S. Keliu. - Springer, 2005. - 215c.
3. Бормонтов Е.Н. Система фазовой
автоподстройки частоты для ПЛИС / Е.Н. Бормонтов, В.И. Клюкин, С.А. Быстрицкий. - Вестник Воронежского государственного технического университета, т.4, №12, 2008, с. 51-55.
4. Рабаи Жан М. Цифровые интегральные схемы / Ж.М. Рабаи, А. Чандракасан, Николич Б. - Prentice Hall, 2007г. - 911с.
5. Altera Corporation. APEX 20K Programmable Logic Device Family Data Sheet ver. 5.1 2004г - 117с.
6. Altera Corporation. APEX II Programmable Logic Device Family Data Sheet ver. 3.0 2002г - 99с.
7. Altera Corporation. Stratix Device Handbook -2006г. - 864с.
8. Altera Corporation. Stratix II Device Family Data Sheet - 2007г. - 238с.
9. Lattice Semiconductor Corporation. LatticeECP/EC
Fami
10. ly Data Sheet version 02.7 - 2008г. - 163с.
11. Lattice Semiconductor Corporation. LatticeECP2/M Family Data Sheet version 03.16 - 2010г. - 393с.
GIGAHERTZ VCO FOR FPGA INTERGATED PLL E.N. Bormontov, V.I. Klyukin, S.A. Bystritsky
Voltage-controlled oscillator integrated in phase-locked loop is designed. Simulation revealed that oscillator works at frequencies up to 1GGz at the -60..125°C temperature range. Presented work is fulfilled by «CEC «Electronics» task
Key words: phase locking, oscillator, stability
