Гигагерцовый генератор для интегрированной в ПЛИС системы ФАПЧ

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

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