Пикосекундные цифровые монолитные микросхемы корпорации Hittite Microwave
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).
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.
Временные диаграммы работы микросхемы представлены на рис. 3. Они характерны для делителей частоты.
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.
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.
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.
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.
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.
Временные диаграммы работы микросхемы HMC673LC3C представлены на рис. 10.
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.

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.
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.

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

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.
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.
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.
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.

Рис. 20. Глазковая диаграмма работы микросхемы HMC843LC4B при скорости передачи входных данных 40 Гбайт/c
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.
Глазковые диаграммы для обоих направлений микросхемы HMC678LC3C показаны на рис. 23. Каждому направлению соответствует своя диаграмма. Обе диаграммы практически равноценны.
Выпускаются и микросхемы HMC705LP4/HMC705LP4E с программируемым от 1 до 17 коэффициентом деления частоты (рис. 24 и 25).

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

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.
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.
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.
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.

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).

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.
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.
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.

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