SPI-интерфейс на основе токовой логики
Характеристика последовательного периферийного интерфейса SPI (serial-to-parallel interface) на основе токовой логики. Реализация регулировки тока потребления с помощью резистора источника опорного тока. Подбор необходимой амплитуды выходного сигнала.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.01.2018 |
| Размер файла | 916,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
11
Размещено на http://www.allbest.ru/
Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
SPI-интерфейс на основе токовой логики
П.С. Будяков
Аннотация
Рассматривается последовательный периферийный интерфейс SPI (serial-to-parallel interface) на основе токовой логики, в котором за счет токовых зеркал стабильных к напряжению питания и работе транзисторов в активном режиме реализуется повышенная надежность и стойкость к дестабилизирующим факторам. Приводится схемотехника D-триггеров и результаты моделирования на 0,25 мкм КМОП техпроцессе. В разработанном устройстве реализуется регулировка тока потребления с помощью резистора источника опорного тока, а внешние резисторы нагрузки позволяют подобрать необходимую амплитуду выходного сигнала.
Ключевые слова: токовая логика, SPI интерфейс, последовательный периферийный интерфейс, линейная алгебра.
Введение
В виду повышающейся сложности современных аналоговых и аналого-цифровых монолитных интегральных схем (МИС) количество выводов управления существенно увеличивается. Так в сложно-функциональных приемниках и передатчиках необходимо управлять такими составными блоками как цифровые аттенюаторы, фазовращатели и коммутаторы [1 - 2]. Для управления питанием МИС используют выводы отключения всего устройства или снижение потребления одного или нескольких блоков, управляют встроенными блоками калибровки и коррекции ошибок, а при встроенном синтезаторе частот управляют коэффициентами деления опорной частоты [3]. Для уменьшения количества выводов таких МИС используется последовательный периферийный интерфейс (SPI), который конвертирует последовательный код управления в параллельный и наоборот. Такие блоки строятся на основе D-триггеров (D-Flip-Flop) включенных последовательно в количестве, зависящим от числа требуемых выводов [4]. На рис.1 показана схема SPI на 6 бит, а на рис.2 входные и выходные сигналы. Входными сигналами таких устройств является сигнал с последовательными данными (DATA), сигнал синхронизации (CLK) и сигнал разрешения записи (LE). Выходным являются выводы с параллельным кодом (B0 - B5).
Рис.1 - Схема SPI интерфейса на основе D-триггеров
интерфейс токовая логика выходной сигнал
Рис.2 - Входные и выходные сигналы SPI
Обычно такие устройства строятся на основе стандартной низковольтной КМОП логики. Такие схемы имеют сверхмалоеэнергопотребление и малые размеры, однако для обеспечения стабильности параметров при воздействии радиационного излучения применяют специальные технологические техпроцессы [5], топологические приемы [6] и троирование устройств. В БиКМОП техпроцессах используют логику на npn транзисторах, что позволяет удовлетворить требования по радиационной стойкости и быстродействию, однако такие схемы имеют довольно высокое энергопотребление и работают с фиксированным напряжением питания. Повышение надежности цифровых устройств при воздействии дестабилизирующих факторов, таких как радиационное воздействие, температура, напряжение питания является актуальной темой, особенно для космической отрасли, где отсутствует возможность замены электронно-компонентной базы.
В данной работе рассматривается реализация SPI интерфейса на основе токовой логики, где синтез схем производится по правилам линейной алгебры, а сигнал представляется не в виде напряжения, а в виде тока [7 - 10]. Преимуществом таких схем является, работа транзисторов вне зоны насыщения, стабильность к внешним воздействующим факторам за счет вычитания ошибок внутри устройства, работа при различных напряжениях питания за счет использования симметричных токовых зеркал, возможность динамически регулировать энергопотребление, а так же возможность реализации многозначной логики [11 - 12], что может существенно повысить скорость обработки сигналов при наличии аппаратных средств с многозначным представлением сигналов.
Логический синтез на основе токовой логики
Линейная алгебра является одной из алгебраических систем, используемых в современной математике.
Алгебраической системой называют любую формальную систему А А: ЩF; ЩR, которая состоит из множества элементов (носителя) А = {a1, …, an} и набора операций ЩF =f1, …, fs и (или) отношений ЩR = r1, …, rp над ними.
Пусть Р Р; +, •, 0,1 - поле, А; +, •, и - алгебра с двумя бинарными и одной нульарной операциями. Система Л А; +, •, и, Р называется линейной алгеброй, если выполняются условия:
система Л А; +, •, и, Р - линейное (векторное) пространство над полем Р;
дистрибутивности операций + и •
(a, b, c A) (a + b) c = ac + bcc (a + b) = ca +cb;
ассоциативности умножения векторов на элементы поля Р
(a, b A) (k P) k (ab) = (ka) b = a (kb).
Для формирования базисов из логических переменных можно построить различные конструкции линейно независимых векторов с заданными свойствами. Выбор операций для формирования базисов производится независимо от операций линейного пространства и может определяться различными (математическими, схемотехническими, технологическими и другими) требованиями. В прикладном плане это позволяет получать идеологически единые (на основе операций линейного пространства) схемотехнические решения из различных реализаций (на основе операций поля) функциональных элементов.
Интерпретируя эту алгебраическую систему определенным образом, можно получать алгебры с различными свойствами. Например, интерпретируя А как множество термов булевых функций f (x1,…, xn), операции + и ? как max (x1,…, xn), min (x1,…, xn), получаем алгебру А А; max, min, и; P. Точно также, оставив семантику операций в первоначальном виде (т.е. определив их как обычные арифметические операции), можно рассматривать приведенную систему как линейную алгебру на множестве А векторов линейного пространства. Именно в этом виде приведенная алгебраическая система и используется далее.
Удобство такой структуры состоит в независимости процессов формирования базисов линейного пространства А и представления векторов в этом линейном пространстве. Сигналы в таких структурах удобно представлять в виде токов и коммутировать с помощью распространенных в аналоговой схемотехнике токовых зеркал.
Так реализация логической функции "НЕ" ("инверсия"), рис.3, производится с помощью токового зеркала на транзисторах M1 и M2, источника опорного тока I1 и цепью коммутации токов на транзисторах M3 и М4 [13]. Входной сигнал Iвх в тока подается на вход токового зеркала, где вычитается из тока I1, равному по току входному сигналу Iвх со значением логической "1" и далее поступает на вход цепи коммутации токов. Таким образом, если на входе элемента присутствует логическая "1", то на выходе Iвых устанавливается логический "0", то есть отсутствие тока.
Синтез логической функции "И" ("конъюнкция"), рис.4, производится на основе представления её в линейной алгебре. Это представление имеет следующий вид:
где , - входные логические сигналы.
Рис.3 - Схемотехническая реализация элемента "НЕ"
б)
Рис.4 - Схемотехническая реализация элемента "2И"
Схемотехническая реализация
Упрощенная схема D-триггера на основе токовой логики приведена на рис.5.
Рис.5 - Упрощенная схема D-триггера
Для сопряжения входов и выходов с потенциальными сигналами используется преобразователи напряжение ток на дифференциальных каскадах, рис.6.
Рис.6 - Преобразователь напряжение-ток для входных сигналов.
Выходные сигналы могут быть как нагружены на номинальную нагрузку так и работать в режиме открытого стока, что позволяет регулировать выходную амплитуду сигнала. Так как ток в схеме задается источниками тока (ИОТ), то токопотребление можно регулировать с помощью внешнего резистора в зависимости от требуемых параметров по быстродействию.
Конфигурация SPI зависит от требуемого значения управляемых выводов. На рис.7 приведена схема для 4-х битного SPI, включающего четыре D-триггера.
Рис.7 - Схема 4-бит SPI c преобразователями напряжение-ток
Результаты моделирования
D-триггер является основным элементом SPI, характеризующий его свойства. Ниже приведены результаты моделирования работы D-триггера на основе 0,25 мкм КМОП техпроцесса. На рис.7 приведены временные диаграммы, а параметры сведены в табл.1. Как видно при подаче разрешающего запись сигнала LE выходной дифференциальный сигнал синхронизируется по переднему фронту сигнала CLK.
Таблица № 1. Параметры одноступенчатого D-триггера при различном токе источника опорного тока I0
|
I0 = 50 мкА |
I0 = 100 мкА |
I0 = 200 мкА |
I0 = 300 мкА |
||
|
Ток потребления, мА |
2,7 |
3,4 |
4,9 |
6,1 |
|
|
Задержка, нс |
18 |
11,5 |
8,5 |
7,7 |
|
|
Пороговый уровень, В |
1,9 |
1,9 |
2,0 |
2,2 |
|
|
Примечания: T = 25 C, Uп = 3,3 В, Rн = 1 кОм |
Рис.8 - Входные и выходные сигналы SPI на частоте синхронизации (CLK) 10 МГц
Рис.9 - Время нарастания фронта импульса при настройке тока ИОТ равным 50 мкА, 100 мкА, 200 мкА, 300 мкА
Рис.10 - Выходной импульс при различном питающем напряжении и установке тока ИОТ равным 200 мкА.
Заключение
Разработана схемотехника SPI интефейса на основе логического синтеза токовой логики. Результаты моделирования показывают работоспособность устройства на частотах более 10 МГц. Разработанное устройство может применяться в составе сложнофункциональных блоков для управления различными блоками: аттенюаторы, фазовращатели, системы управления питанием, коррекции ошибок и автокалибровка.
Основными преимуществами разработанного устройства благодаря своей архитектуре является стабильность параметров от внешних дестабилизирующих факторов, таких как температура, изменение напряжения питания и радиационное воздействие.
Благодарность за финансовую поддержку работы
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-60054 мол_а_дк.
Литература
1. De Boer A., Mouthaan K. GaAs mixed signal multi-function X-band MMIC with 7 bit phase and amplitude control and integrated serial to parallel converter // 30th European Microwave Conference. IEEE, 2010. pp.1-4.
2. Пустовалов А.И. Двухканальное приемное устройство СВЧ диапазона // Инженерный вестник Дона, 2010, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2010/195.
3. Ergintav A., Sun Ya., Herzel F. A 61 GHz frequency synthesizer in SiGe BiCMOS for 122 GHz FMCW radar // 11th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC). IEEE, 2016. pp.325-328.
4. Nilsson T., Samuelsson C. Design of a MMIC serial to parallel converter in Gallium Arsenide. Linkцping: Linkцping University, 2001.68 p.
5. Мироненко Л., Юдинцев В. Повышение радиационной стойкости интегральных схем. Конструктивные методы на базе промышленной технологии // Электроника НТБ. 2012. №8. С.74-87.
6. Шумилин С., Леонов П. Радиационно-стойкие микросхемы от компании Миландр // Компоненты и технологии. 2015. №168. С.70-73.
7. Будяков П.С., Чернов И.И., Югай В.Я., Прокопенко Н.Н. Математический аппарат синтеза k-значных цифровых логических схем на основе линейной алгебры // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3824.
8. Chernov, N.I., Yugai V. Ya., Prokopenko N. N., Butyrlagin N. V. Вasic concept of linear synthesis of multi-valued digital structures in linear spaces // Proceedings of IEEE East-Wesr Design & Test Simposium (EWDTS'2013). Kharkov: Kharkov National University of Radioelectronics, 2013. pp.146-149.
9. Chernov N.I. The effectiveness of the use of tool of linear spaces in logical synthesis of digital structures // Proceedings of International Scientific and Technical conferences Intelligence Systems (IEEE AIS'05) and Intelligent CAD Systems (CAD-2005). 2005. pp.420-424.
10. Budyakov P.S., Chernov, N.I., Yugai, V.Y., Prokopenko, N. N. Logic functions representation and synthesis of k-valued digital circuits in linear algebra // 24th Telecommunications Forum (TELFOR 2016). Belgrad: IEEE, 2016. pp.1-4.
11. Пат. РФ 2513717 Логический элемент "2-И" с многозначным внутренним представлением сигналов // Чернов Н.И., Югай В.Я., Прокопенко Н.Н., Будяков П.С.: заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "ЮРГУЭС". - № 2012138671/08; заявл.10.09.2012; опубл. 20.04.2014, Бюл. № 11.
12. Пат. РФ 2624581 Многозначный триггер // Прокопенко Н.Н., Чернов Н.И., Югай В.Я., Бутырлагин Н.В., Будяков П.С.: заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Донской государственный технический университет" (ДГТУ). - № 2016106454; заявл.24.02.2016; опубл.04.07.2017, Бюл. № 19.
13. Пат. РФ 2547231 Дешифратор 2 в 4 // Будяков П.С., Югай В.Я., Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., Савченко Е. М.: заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Донской государственный технический университет" (ДГТУ). - № 2014112901/08; заявл.02.04.2014; опубл.10.04.2015, Бюл. № 10.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Характеристика, параметры и принципы построения генераторов пилообразного напряжения с зарядным транзистором и стабилизатором тока. Исследование зависимости амплитуды выходного сигнала от напряжения питания для схем с биполярным и полевым транзисторами.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 27.02.2012Изучение работы усилителей постоянного тока на транзисторах и интегральных микросхемах. Определение коэффициента усиления по напряжению. Амплитудная характеристика усилителя. Зависимость выходного напряжения от напряжения питания сети для усилителя тока.
лабораторная работа [3,3 M], добавлен 31.08.2013Системы, основанные на принципах. Базовые понятия нечеткой логики. Общая структура устройств нечеткой логики. Микроконтроллер и процессор нечеткой логики. Определение входных и выходных переменных системы. Преимущества применения нечеткой логики.
контрольная работа [596,8 K], добавлен 01.10.2016Разработка усилителя тока с помощью средств систем автоматизированного проектирования. Моделирование усилителя тока в Multisim. Расчет размеров, размещение радиоэлектронных компонентов на печатной плате, ее трассировка с помощью волнового алгоритма.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 21.10.2015Функциональная схема измеряемого канала. Выбор первичного преобразователя. Операционный усилитель, фильтр верхних частот, реле и источник питания. Принципиальная схема измерительного канала. Уровень выходного сигнала. Конструкция датчиков тока.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.04.2014Расчет параметров усилителя, на вход которого подается напряжение сигнала с заданной амплитудой от источника с известным внутренним сопротивлением. Определение КПД усилителя с общей параллельной отрицательной обратной связью по току и полного тока.
задача [236,7 K], добавлен 04.01.2011Разработка и проектирование принципиальной схемы вторичного источника питания. Расчет вторичного источника питания, питающегося от сети переменного тока, для получения напряжений постоянного и переменного тока. Анализ спроектированного устройства на ЭВМ.
курсовая работа [137,3 K], добавлен 27.08.2010Проект блока электронной регулировки тока сварочного трансформатора. Выбор элементной базы, компоновка конструкции электронного устройства; тепловой расчет; определение надежности печатного узла и устойчивости к механическим и климатическим воздействиям.
курсовая работа [710,4 K], добавлен 21.08.2012Исследование влияния параметров проводной линии на характеристики ее выходного сигнала. Методика измерения параметров выходного импульса. Искажение сигнала вследствие частотной дисперсии. Описание интерфейса взаимодействия с пользователем модели.
лабораторная работа [398,0 K], добавлен 06.07.2009Определение основных параметров и построение характеристик демультиплексора с помощью САПР MicroCap 9. Разработка принципиальной и функциональной микросхем основного вентиля на основе эмиттерно-связанной логики. Анализ динамического режима работы схемы.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 20.10.2012Проектирование и рассчет вторичного источника питания (выпрямителя, трансформатора, сглаживающего фильтра, стабилизатора выходного напряжения) с заданными параметрами. Обоснование выбора электрических схем устройства. Питание от сети переменного тока.
курсовая работа [131,8 K], добавлен 27.08.2010Анализ современного состояния работ, посвященных исследованию неустойчивостей тока в полупроводниковых структурах. Исследование влияния формы контактных площадок на параметры токовых колебаний в мезапланарных структурах на основе высокоомного GaAs.
дипломная работа [3,2 M], добавлен 18.07.2014Знакомство с задачей отслеживания нестационарного гармонического сигнала на основе нейронной сети. Анализ компьютерной модели нейронной сети на основе математических алгоритмов Мак-Каллока и Питтса. Характеристика способов создания линейной сети.
контрольная работа [418,2 K], добавлен 17.05.2013Описание принципиальной схемы устройства. Расчёт зависимости величины входного тока от величины двоично—десятичного кода. Технология изготовления печатной платы электрохимическим способом. Достоинства фоторезиста на основе поливинилового спирта.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 09.07.2015Определение токов и мощности индуктора, неизвестных токов и напряжений и построение векторных диаграмм параллельного, последовательно-параллельного и параллельно-последовательного автономных инверторов тока. Расчет тиристора, анодного дросселя, ёмкостей.
курсовая работа [98,6 K], добавлен 16.04.2016Уравнения ВАХ нелинейного элемента, полевого транзистора. Спектр выходного тока вплоть до десятой гармоники. Временные диаграммы входного напряжения, тока. Индуктивность и полоса пропускания контура. Амплитудный детектор вещательного приёмника.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 30.11.2007Эскизный расчёт напряжения, токи каналов на выходе источника. Выбор номинала токоограничивающего резистора, выбор ёмкости выходного конденсатора и выпрямительного диода основного канала. Расчет элементов частотозадающей и обратной связи напряжения.
курсовая работа [367,4 K], добавлен 25.03.2012Порядок определения выходных параметров каскада. Расчет значения постоянной составляющей тока коллектора и амплитуды выходного напряжения. Определение величины емкости разделительного конденсатора и коэффициента усиления по мощности усилительного каскада.
курсовая работа [850,8 K], добавлен 15.05.2013Принцип эффекта Фарадея в работе волоконно-оптических датчиков тока. Разработка и исследование микроструктурных оптических волокон. Сравнение оптоволоконного датчика и трансформатора тока. Потенциальные сферы применения оптоволоконных датчиков тока.
реферат [934,2 K], добавлен 12.11.2015Разработка электронного линейного усилителя, усиливающего заданную мощность. Рассчет выходного, промежуточного и входного каскада. Конструкторский расчет: разделительных конденсаторов; мощности, рассеиваемой на резисторах; общего тока потребления.
курсовая работа [211,3 K], добавлен 27.04.2010
