Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №9

Пикосекундные цифровые монолитные микросхемы корпорации Hittite Microwave

Дьяконов Владимир


Цифровые и логические микросхемы — основа множества современных вычислительных устройств, средств связи и приборов научного приборостроения.

Американская компания Hittite Microwave [1] выпускает обширную номенклатуру сверхскоростных цифровых и логических (High Speed Digital Logic) монолитных микросхем пикосекундного диапазона. К ним фирма относит следующие устройства:

  • Clock Dividers — делители частоты тактовых импульсов;
  • Fanout Buffers — быстродействующие буферы;
  • Flip-Flops — высокоскоростные триггеры;
  • Logic Gates — высокоскоростные логические устройства;
  • NRZ-to-RZ Converters — конверторы NRZ в RZ;
  • Seleсtors — селекторные устройства.

Микросхемы Clock Dividers — это делители частоты тактовых импульсов, задающих временную последовательность логических и цифровых устройств. Основные характеристики делителей частоты для логических устройств приведены в таблице 1. Микросхемы выпускаются с коэффициентом деления 2, 4 и 8 и способны работать с очень высокими частотами в 26 и 28 ГГц.

Таблица 1. Делители частоты тактовых импульсов

Тип микросхемы Скорость, Гбит/
частота, ГГц
Делитель Время роста/спада,
пс
VOUT,
Вп-п
Pпотр,
мВт
Vdc,
В
HMC791LC4B 28/28 2/4 12/14 0,6 660 –3,3
HMC859LC3 –/26 8 9/17 0,8–1,8 320
HMC959LC3 4 19/19 281

Микросхемы выполнены в сверхминиатюрных керамических корпусах (рис. 1), рассчитанных на поверхностный монтаж, дающий минимальную паразитную индуктивность выводов. Тип корпуса указан в конце наименования микросхемы. Подробные данные о его размерах и конструкции приведены в фирменном описании (datasheet) микросхемы (это относится и к другим, описанным далее микросхемам).

Корпус LC4B микросхемы HMC791LC4B

Рис. 1. Корпус LC4B микросхемы HMC791LC4B

Типовая схема включения HMC791LC4B — делителя частоты в 4 раза — изображена на рис. 2. Внутри корпуса показана функциональная диаграмма этой микросхемы. На схеме видно, что наряду с делителями (на основе триггера со счетным запуском) в состав микросхемы входят входной и выходной сверхширокополосные усилители с дифференциальными входом и выходом. Именно они обеспечивают очень малое время нарастания и спада выходных импульсов. Дифференциальный вход и выход обеспечивают возможность работы как с однопроводными линиями передачи, так и с 2-проводными линиями — типа «витая пара». Волновое сопротивление таких трактов 50 Ом.

Схема включения микросхемы HMC791LC4B

Рис. 2. Типовая схема включения микросхемы HMC791LC4B

Временные диаграммы работы микросхемы представлены на рис. 3. Они характерны для делителей частоты.

Диаграммы работы микросхемы HMC791LC4B

Рис. 3. Временные диаграммы работы микросхемы HMC791LC4B

Реальные осциллограммы импульсов при работе микросхем на близкой к предельной частоте входных импульсов показаны на рис. 4. Судя по данным (табл. 1), микросхема обеспечивает на стандартной нагрузке 50 Ом очень малое время нарастания (12 пс) и спада (14 пс) выходных импульсов. Форма выходных импульсов близка к технически прямоугольной.

Осциллограммы выходных сигналов HMC791LC4B

Рис. 4. Осциллограммы выходных сигналов HMC791LC4B

Монтаж микросхемы HMC791LC4B на печатной плате (рис. 5) — вполне обычный для скоростных микросхем: дифференциальные входы и выходы подключаются через 50-омные линии, работающие в режиме согласования. Образцовый отрезок такой полосковой линии создан в верхней части платы. Его можно использовать для тестирования полосковых линий платы.

Монтаж микросхемы HMC791LC4B

Рис. 5. Монтаж микросхемы HMC791LC4B на печатной плате

В сложных логических и цифровых устройствах наряду с логическими микросхемами широко применяются буферные каскады. Корпорация Hittite Microwave выпускает ряд таких высокоскоростных микросхем (табл. 2). Те из них, что дают быстрое время нарастания (Fast Rise), отмечены сокращением FR.

Таблица 2. Высокоскоростные буферные каскады

Тип микросхемы Скорость, Гбит/
частота, ГГц
Вход/выход Время роста/спада,
пс
VOUT,
Вп-п
Pпотр,
мВт
VП,
В
HMC670LC3C 13/13 1:2 24/22 1,1 250 –3,3
HMC720LC3C 1:2 FR 19/18 0,6–1,1 300
HMC720LP3E
HMC724LC3C 1:2 FE 1,1
HMC744LC3C 1:2 FR 22/20 0,6–1,2 290 +3,3
HMC842LC4B 45/28 1:2 11/11 0,4–1,2 465 –3,3
HMC850LC3C 28/20 16/15 0,6–1,1 315
HMC940LC4B 13/13 1:4 26/25 0,6–1,4 440

Типичная схема включения буферной микросхемы HMC842LC4B приведена на рис. 6. Там же (в корпусе) показана функциональная диаграмма микросхемы. Она состоит из ряда сверхширокополосных усилителей с дифференциальными входами и выходами, согласованными с 50-омными резисторами.

Схема включения микросхемы HMC842LC4B

Рис. 6. Схема включения буферной микросхемы HMC842LC4B

Временные диаграммы работы микросхемы представлены на рис. 7, а на рис. 8 показан чертеж печатной платы с микросхемой HMC842LC4B. Микросхема способна работать с частотой до 28 ГГц и передавать данные, следующие с рекордной скоростью передачи — до 45 Гбит/с.

Диаграммы работы микросхемы HMC842LC4B

Рис. 7. Временные диаграммы работы микросхемы HMC842LC4B


Печатная плата с микросхемой HMC842LC4B

Рис. 8. Печатная плата с микросхемой HMC842LC4B

Hittite Microwave выпускает ряд триггерных микросхем сверхвысокого быстродействия — с рабочей частотой от 13 до 46 ГГц. Реализованы различные типы триггеров: типа D и T, с цепью сброса на нуль Reset и др. Основные характеристики триггерных микросхем представлены в таблице 3. Часть микросхем имеет программируемое выходное напряжение: у них указывается интервал значений VOUT (от пика до пика).

Таблица 3. Микросхемы сверхскоростных триггерных устройств

Тип микросхемы Скорость, Гбит/
частота, ГГц
Тип триггера Время роста/спада,
пс
VOUT,
Вп-п
Pпотр,
мВт
VП,
В
HMC673LC3C 13/13 D 24/22 1,1 210 –3,3
HMC679LC3C 26/26 T Reset 18/17 0,4 270
HMC723LC3C 13/13 D Adj. Vout 19/17 0,7 264
HMC723LP3E D RF Adj. Vout 19/17 0,7 260
HMC727LC3C FR D 19/17 1,1 260
HMC729LC3C 26/26 T Reset 18/17 270
HMC747LC3C 13/13 FR D 22/20 0,7–1,3 264 +3,3
HMC749LC3C 26/26 T Reset 18/17 0,6–1,2 270
HMC841LC4B 43/43 D Adj. Vout 12/12 0,2–0,85 630 –3,3
HMC853LC3C 28/28 D 15/14 0,7–1,3 260
HMC953LC4B 14/14 2×D Com. Clock 22/20 0,6–1,3 442

На рис. 9 показано подключение к источникам питания микросхемы D-триггера HMC673LC3C. В корпусе микросхемы приведена ее функциональная диаграмма. Помимо триггера, микросхема содержит выходной усилитель с дифференциальным выходом.

Подключение D-триггера

Рис. 9. Подключение D-триггера (микросхема HMC673LC3C) к источникам питания

Временные диаграммы работы микросхемы HMC673LC3C представлены на рис. 10.

Диаграммы работы микросхемы HMC673LC3C

Рис. 10. Временные диаграммы работы микросхемы HMC673LC3C

Для оценки скорости работы быстродействующих интегральных схем с учетом шума и дрожания фронтов импульсов (джиттера) применяются глазковые диаграммы [2]. На рис. 11 показана такая диаграмма для микросхемы D-триггера HMC673LC3C. При скорости работы 10 Гбит/с «глаза» открыты, что указывает на четкую работу микросхемы.

Диаграмма работы микросхемы HMC673LC3C

Рис. 11. Глазковая диаграмма работы микросхемы HMC673LC3C при скорости работы 10 Гбит/c (масштаб по вертикали 100 мВ/дел., по горизонтали — 16,7 пс/дел.)

Самой скоростной микросхемой D-триггера является HMC841LC4B. Ее подключение к источникам питания и функциональная диаграмма показаны на рис. 12.

Подключение микросхемы HMC841LC4B к источникам питания

Рис. 12. Подключение микросхемы HMC841LC4B к источникам питания

Эта микросхема имеет уникально малое время нарастания и спада выходных импульсов — около 10 пс (рис. 13). Это обеспечивает работу микросхемы с самой высокой скоростью передачи данных — до 43 Гбайт/с. Глазковая диаграмма, подтверждающая возможность работы со столь высокой скоростью передачи данных, представлена на рис. 14.

Зависимость времени выходных импульсов микросхемы HMC841LC4B

Рис. 13. Зависимость времени нарастания и спада выходных импульсов микросхемы HMC841LC4B от напряжения VAC


Диаграмма микросхемы HMC841LC4B

Рис. 14. Глазковая диаграмма микросхемы HMC841LC4B при скорости передачи входных импульсов 40 Гбайт/с

Схема подключения T-триггера HMC679LC3C к источникам питания и его функциональная диаграмма показаны на рис. 15. На рис. 16 приведены идеализированные диаграммы работы этой микросхемы.

Схема подключения микросхемы T-триггера HMC679LC3C

Рис. 15. Схема подключения микросхемы T-триггера HMC679LC3C к источникам питания


Диаграмма работы микросхемы T-триггера

Рис. 16. Диаграмма работы микросхемы T-триггера

Осциллограммы выходного сигнала HMC679LC3C (рис. 17) дают представление о скорости работы микросхемы при частоте входных импульсов, близкой к предельной. Выходной сигнал при этом приобретает почти треугольную форму.

Осциллограмма выходного сигнала микросхемы HMC679LC3C

Рис. 17. Осциллограмма выходного сигнала микросхемы HMC679LC3C

Hittite Microwave выпускает также ряд стандартных по назначению, но уникальных по скорости работы логических микросхем. Их данные приведены в таблице 4. На их основе возможно построение сверхскоростных арифметико-логических устройств (АЛУ).

Таблица 4. Сверхскоростные логические микросхемы

Тип микросхемы Скорость, Гбит/
частота, ГГц
Тип логики Время роста/спада,
пс
VOUT,
Вп-п
Pпотр,
мВт
HMC671LC3C 13/13 XOR/XNOR 24/22 1,1 180
HMC672LC3C AND/NAND/OR/NOR
HMC721LC3C FR XOR/XNOR 19/18 0,6–1,2 230
HMC721LP3E 0,6–1,1
HMC722LC3C FR AND/NAND/OR/NOR
HMC722LP3E FR AND/NAND/OR/NOR
HMC725LC3C FR XOR/XNOR 1,1
HMC726LC3C FR AND/NAND/OR/NOR
HMC745LC3C FR XOR/XNOR 21/19 0,6–1,2 240
HMC746LC3C FR AND/NAND/OR/NOR 22/21   230
HMC843LC4B 45/25 AND/NAND/OR/NOR 10/10 0,2–0,9 530
HMC844LC4B XOR/XNOR 11/10 0,2–0,85
HMC851LC3C 28/28 15/14 0,5–1,3 241
HMC852LC3C AND/NAND/OR/NOR
HMC706LC3C 13/13 NRZ-to-RZ Converter 15/13 0,3–1,2 594

Следует отметить, что микросхема HMC672LC3C может выполнять логические функции AND, NAND, OR и NOR.

Схема подключения микросхемы HMC843LC4B к источникам питания и ее функциональная диаграмма показаны на рис. 18. А на рис. 19 даны временные диаграммы работы этой микросхемы.

Схема подключения микросхемы HMC843LC4B

Рис. 18. Схема подключения микросхемы HMC843LC4B к источникам питания


Временные диаграммы работы микросхемы HMC843LC4B

Рис. 19. Временные диаграммы работы микросхемы HMC843LC4B

Глазковая диаграмма работы микросхемы HMC843LC4B, снятая при скорости передачи входных данных 40 Гбайт/c (рис. 20), характеризует ее высокое быстродействие. Используется дифференциальный выход, обеспечивающий наибольшую скорость передачи данных. Зависимость времени нарастания и спада выходных импульсов от напряжения VAC, показанная на рис. 21, демонстрирует рекордно малое время нарастания (Rise) и спада (Fail) выходных импульсов — порядка 10 пс.

Lиаграмма работы микросхемы HMC843LC4B

Рис. 20. Глазковая диаграмма работы микросхемы HMC843LC4B при скорости передачи входных данных 40 Гбайт/c


Зависимость времени нарастания и спада выходных импульсов от напряжения VAC

Рис. 21. Зависимость времени нарастания и спада выходных импульсов от напряжения VAC

Выпускается также несколько микросхем-селекторов, предназначенных для коммутации логических сигналов. Данные этих микросхем сведены в таблицу 5.

Таблица 5. Параметры микросхем-селекторов

Тип микросхемы Скорость, Гбит/
частота, ГГц
Тип устройства Время роста/спада,
пс
VOUT,
Вп-п
Pпотр,
мВт
HMC678LC3C 13/13 2:1 Selector 17/15 0,6–1,2 250
HMC728LC3C 1,1
HMC748LC3C 22/22 0,6–1,2
HMC858LC4B 14/14 2:1 Dif. Selector 19/20 0,5–1,3 221
HMC958LC5 4:1 Selector 17/17 294

Схема подключения HMC678LC3C, микросхемы-селектора на два направления, к источникам питания и ее функциональная диаграмма представлены на рис. 22.

Схема подключения микросхемы HMC678LC3C

Рис. 22. Схема подключения микросхемы HMC678LC3C к источникам питания

Глазковые диаграммы для обоих направлений микросхемы HMC678LC3C показаны на рис. 23. Каждому направлению соответствует своя диаграмма. Обе диаграммы практически равноценны.

Глазковые диаграммы работы микросхемы HMC678LC3C

Рис. 23. Глазковые диаграммы работы микросхемы HMC678LC3C по обоим направлениям

Выпускаются и микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E с программируемым от 1 до 17 коэффициентом деления частоты (рис. 24 и 25).

Корпус микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E

Рис. 24. Корпус микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E с программируемым от 1 до 17 коэффициентом деления частоты


Функциональная диаграмма микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E

Рис. 25. Функциональная диаграмма микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E

Для получения полного ряда коэффициентов деления (от 1 до 17) используются специальные схемные решения, например импульсные обратные связи в цепочке триггеров, комбинации умножителей и делителей частоты. Признаком применения импульсных обратных связей является отличие скважности выходных импульсов от 2 (рис. 26).

Осциллограммы выходных импульсов микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E

Рис. 26. Осциллограммы выходных импульсов микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E при различных коэффициентах деления

Микросхемы умножителей частоты служат для преобразования входного сигнала в определенном диапазоне частот в выходной сигнал с кратной частотой. Простейшими умножителями частоты являются пассивные умножители. Фирма выпускает 14 типов микросхем пассивных умножителей частоты. Для получения СВЧ выходных сигналов в умножителях применяются, например, сверхскоростные GaAs-диоды с барьером Шоттки. Коэффициент умножения обычно равен 2. Лишь одна микросхема из этого класса — HMC-XTB110 — имеет коэффициент умножения, равный 3.

Значительно больше номенклатура выпускаемых Hittite Microwave активных умножителей частоты. Они имеют входной и выходной усилители, что позволяет скомпенсировать потери преобразования и в ряде случаев повысить коэффициент умножения. Параметры ряда активных умножителей частоты приведены в таблице 6. Название типа корпуса указано в конце наименования микросхемы. Если его нет, значит, использован бескорпусный вариант оформления микросхемы (Chip).

Таблица 6. Типовые параметры ряда активных умножителей частоты корпорации Hittite Microwave

Тип микросхемы FIN,
ГГц
Коэффициент умножения FOUT,
ГГц
PIN,
дБм
POUT,
дБм
Фазовый шум,
дБс/Гц
HMC368LP 4,5–8 ×2 9–16 2 15 –140
HMC369LP3 4,95–6,35 9,9–12,7 0 4 –142
HMC370LP4 3,6–4,1 ×4 14,4–16,4 –15 0 –140
HMC443LP4 2,45–2,8 9,8–11,2 3 –142
HMC444LP4 1,2375–1,4 ×8 9,9–11,2 6 –136
HMC445LP4 0,62–0,69 ×16 9,9–11 7 –130
HMC449 13,5–16,5 ×2 27–33 0 10 –132
HMC573LC3B 4–11 8–22 5 12 –134
HMC576 9–14,5 18–29 3 17 –132
HMC578 12–16,5 24–33
HMC579 16–23 32–46   13 –127
HMC598 11–23 22–46 5 15
HMC814 6,5–12,3 13–24,6 4 17 –136
HMC916LP3E 2,66–5,33 ×3 8–16 5 2 –152
HMC917LP3E 1,5–2,5 ×4 8–10 –148

Микросхема HMC445LP4 (рис. 27) имеет самый большой коэффициент умножения, равный 16, и самую низкую частоту входного сигнала в узком диапазоне частот — от 0,62 до 0,69 ГГц. Это отражает общую закономерность построения умножителей частоты: диапазон частот умножителей получается тем шире, чем меньше коэффициент умножения. Это фундаментальное свойство спектров сигналов. Спектр выходного сигнала микросхемы HMC445LP4 показан на рис. 28.

Функциональная диаграмма микросхемы HMC445LP4

Рис. 27. Функциональная диаграмма микросхемы HMC445LP4


Спектр выходного сигнала микросхемы HMC445LP4

Рис. 28. Спектр выходного сигнала микросхемы HMC445LP4

В ряде современных устройств связи, радиолокации и измерительной техники применяются линии с регулируемой временной задержкой. Они есть в частотных синтезаторах, точных таймерах, современных высокоскоростных последовательных логических устройствах и др. Hittite Microwave — одна из немногих компаний в мире, выпускающих интегральные твердотельные микросхемы линий задержки (ICs — Broadband Time Delay) пикосекундного диапазона с цифровой и аналоговой регулировкой задержки.

Микросхема HMC856LC5 предназначена для создания устройств временной задержки с длительностью от 0 до 100 пс. Она выполнена в миниатюрном 32-выводном керамическом корпусе SMT с размером кристалла 5×5 мм. Корпус предназначен для поверхностного монтажа и обеспечивает предельно малую длину выводов.

Функциональная диаграмма микросхемы представлена на рис. 29. Помимо собственно линии задержки DELAY, микросхема содержит согласующие дифференциальные каскады с 50-омными резисторами на входе и выходе, а также усилители для 5 разрядов блока цифрового управления. Эти усилители также имеют дифференциальные входы и могут работать от дифференциальных линий передачи управляющих сигналов.

Функциональная диаграмма микросхемы HMC856LC5

Рис. 29. Функциональная диаграмма микросхемы HMC856LC5

Типовая временная диаграмма работы микросхемы HMC856LC5 представлена на рис. 30. Выходное напряжение микросхемы можно программировать и задавать в интервале от 500 до 1360 мВ с помощью управляющего напряжения VR. Типовое напряжение питания микросхемы — –3,3 В (диапазон значений от –3,7 до 2,9 В), потребляемый ток — 185 мА.

Диаграмма работы микросхемы HMC856LC5

Рис. 30. Временная диаграмма работы микросхемы HMC856LC5

На рис. 31 показана зависимость задержки микросхемы от управляющего напряжения, представленного в десятичном коде. Она практически линейная и дана для трех значений температуры окружающей среды. Видно, что температурная нестабильность времени задержки достаточно мала. Разрешающая способность по времени задержки равна 3 пс.

Зависимость задержки от управляющего напряжения

Рис. 31. Зависимость задержки от управляющего напряжения, представленного в десятичном коде для микросхемы HMC856LC5

Микросхема имеет довольно малое время нарастания и спада выходных импульсов. На рис. 32 приведена зависимость времени нарастания и спада от напряжения питания. Типичное время нарастания — 20 пс, спада — 18 пс (измеряется при уровнях отсчета 20% и 80% от перепада выходного напряжения).

Зависимость времени выходных импульсов от напряжения питания

Рис. 32. Зависимость времени нарастания и спада выходных импульсов от напряжения питания микросхемы HMC856LC5

Малое время нарастания и спада позволяет использовать микросхему задержки в линиях связи с высокой пропускной способностью, а в перспективе — в генераторах импульсов с субнаносекундными фронтами. На рис. 33 показана глазковая диаграмма микросхемы при скорости передачи данных 28 Гбит/с. Даже при такой высокой скорости передачи «глаза» диаграммы остаются открытыми, что говорит о наличии достаточного запаса по динамическим параметрам микросхемы. Принципы построения глазковых диаграмм и осциллографы для их построения описаны в [2]. Для построения глазковой диаграммы на рис. 33 был использован осциллограф CSA8000 фирмы Tektronix.

Диаграмма работы микросхемы HMC856LC5

Рис. 33. Глазковая диаграмма работы микросхемы HMC856LC5

Hittite Microwave выпускает также микросхему HMC910LC4B с временем задержки, управляемым аналоговым напряжением. Это упрощает микросхему и обеспечивает плавную регулировку времени задержки. Микросхема выполнена в сверхминиатюрном 24-выводном керамическом корпусе типа SMT с размерами 4×4 мм.

Функциональная диаграмма микросхемы временной задержки с аналоговым управлением HMC910LC4B представлена на рис. 34. В состав микросхемы входят собственно линии задержки и согласующие усилители с дифференциальными входами и выходами.

Диаграмма микросхемы временной задержки с управлением HMC910LC4B

Рис. 34. Функциональная диаграмма микросхемы временной задержки с аналоговым управлением HMC910LC4B

На рис. 35а показана зависимость времени задержки микросхемы HMC910LC4B от управляющего напряжения VDC при разных значениях частоты. Аналогичные зависимости при разных значениях напряжения питания и температуры показаны на рис. 35б, в.

Зависимость времени задержки микросхемы HMC910LC4B от напряжения

Рис. 35. Зависимость времени задержки микросхемы HMC910LC4B от управляющего напряжения VDC:
а) при разных значениях частоты; б) при разных значениях напряжения питания; в) при разных значениях температуры окружающей среды

Глазковая диаграмма работы микросхемы HMC910LC4B дана на рис. 36. Она снята при скорости передачи данных 10 Гбит/c. При такой скорости «глаза» диаграммы открыты. Максимальная скорость передачи данных (при закрытии «глаз») может достигать 32 Гбит/c.

Глазковая диаграмма работы микросхемы

Рис. 36. Глазковая диаграмма работы микросхемы при скорости передачи данных 10 Гбит/с

Заключение

Набор сверхскоростных логических микросхем фирмы Hittite Microwave вполне соответствует потребностям современной высокоскоростной электроники сверхвысокого (пикосекундного) быстродействия. Микросхемы выполнены на основе GaAs биполярных транзисторов, имеют дифференциальные входы и выходы и нередко допускают программирование уровня выходных сигналов.

Литература

  1. http://www.hittite.com
  2. Афонский В. П., Дьяконов В. П. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике. М.: ДМК-Пресс, 2011.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке