Разработка системы проектирования высокоскоростных оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Современные высокоскоростные преобразователи относятся к параллельным типам. Так большинство ЦАП построены на основе использования стабильных источников тока. При таком принципе суммирующиеся весовые токи, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, формируются транзисторными источниками тока. Недостатками данного принципа являются: сложность технологического изготовления высокоразрядных устройств; большие искажения преобразуемого сигнала, выраженные в выбросах при переходе от одной комбинации к другой. Большинство современных параллельных АЦП построены на основе набора компараторов, соединенных параллельно с источником входного сигнала. Недостатками данного принципа являются: сложности реализации многоразрядного АЦП; высокое энергопотребление[1].

Переход от схем электрических к оптоэлектронным, в которых цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование выполняется в оптическом виде, а потом декодируется в электрические сигналы, позволяет реализовать быстродействующее преобразование высокой точности, подробнее принципы работы изложены в работах [2, 3].

Главными достоинствами, преобразователей основанных на данном принципе является:

- высокое быстродействие, скорость будет ограничиваться только частотой преобразования из электрической в оптическую форму, и наоборот. Современные светотранзисторы могут работать на частотах 7 ГГц;

- большая точность преобразования, разрядность в оптоэлектронных ЦАП и АЦП напрямую зависят от расстояния между светодиодом и фотопринимающими сенсорами, что на современном этапе развития технологии производства при нормах 16 нм и ниже, могут быть достаточно высокими;

- высокая помехозащищенность, так как преобразование осуществляется через промежуточный оптический сигнал, данные устройства имеют гальваническую развязку.

При проектировании оптоэлектронных ЦАП и АЦП необходимо учитывать большое число свойств элементов системы, различные ограничения, а так же выполнять, а так же выполнять большое количество циклических расчетовдля нахождения минимальных значений расстояний между элементами конструкции или другими элементами конструкции. Иметь возможность частичного использования повторных решений и наработок. Данная система вообще может не иметь решений при заданных значениях, для поиска же решения нужно итерационно изменять входные значения и оптимизировать конструкцию. В этом случае проектирование такой подсистемы связано с большим количеством операций. Проектирования таких систем самостоятельно, без использования подсистемы расчета конструкции оптоэлектронных ЦАП и АЦП у разработчика займет значительно больше времени, чем расчет с применением специализированной программы. Поэтому для сокращения трудоёмкости, сроков и себестоимости проектирования, повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования целесообразно разработать подсистему автоматизированного проектирования, результатом работы которой должны быть оптимизированные значения размеров размещения конструкции, объединенные в структурированном файле, используемом для дальнейшего использования в САПР разработки ИС, например Synopsys, CadenceDesignSystems, MentorGraphics. На рис. 1 представлена структура подсистемы автоматизированного проектирования оптоэлектронных АЦП и ЦАП.

Рис.1 - Структура подсистемы автоматизированного проектирования оптоэлектронных ЦАП и АЦП.

высокоскоростной оптоэлектронный цифровой преобразователь

Основным блоком структуры подсистемы автоматизированного проектирования оптоэлектронных ЦАП и АЦП является модуль расчета, построенный на основе математических библиотек и скомпилированной динамической библиотеки расчета геометрического расположения основных элементов (светодиодов и фотодиодов) полученных во второй главе. Эта библиотека написана на высокоуровневом интерпретируемом языке программированияMATLAB. Такое решение выбрано потому, что математически аппарат математических моделей (ММ) очень сложен и требует больших повторных вычислений. Ожидаемый результат от использования matlab: значительное повышение быстродействие, из-за оптимизированных алгоритмов, векторного и матричного вычисления и уменьшение времени разработки.

Подсистема в целом будет написана на языке высокого уровня C++, в среде быстрой разработкиCodeGear RAD Studio, как было выбрано в главе 1, что позволит максимально задействовать визуализацию графического интерфейса, и сократит сроки разработки ПО.

Для работы модуля расчета необходимо задание начальных параметров, а так же иметь базу данных материалов и компонентов, содержащих физические и геометрические характеристики элементов, входящих в состав ММ. Большинство физических параметров элементов, таких как светодиоды и фотодиоды, задаются в табличном виде или представляются в графическом виде с последующим преобразованием в табличный вид, поэтому необходимо обеспечить максимальное удобство работы с базой, то есть необходимо использовать графический интерфейс, через который осуществлять пополнение базы данных новыми элементами и редактирование существующих. Это решение сделает возможным повторного использования проектных решений, данных и наработок, что свою очередь сократит трудоёмкость и сроков проектирования. База данных выбрана в формате MicrosoftAccess.Это решение выбрано потому, что доступ к базе данных однопользовательский, БД находится в одном файле. Для просмотра и редактирования БД существует приложение MicrosoftAccessвходящее в состав пакета MicrosoftOffice, что упрощает работу с базой без разрабатываемой подсистемы.

Подсистемы автоматизированного проектирования оптоэлектронных ЦАП и АЦП обязательно должна быть совместима со сторонними САПР, разработки интегральных схем, реализующие в себе полный маршрут проектирования для производства ИС. Для этого в структуре есть модуль генерации данных для САПР, представляющий собой один из следующих векторных файлов с расширением: *.dwg, *.dxf, *.plt, *.hgl, *.hg, *.hpg,*.plo, *.hpgl, *.prn, *.spl и другие. Эти форматы импортируются практически всеми CADсистемами на платформе PC. Так же формируется фал отчета с подробным описанием расчета с промежуточными вычислениями, этот файл необходим для анализа работы подсистемы проектирования.

Модуль расчета состоит из двух разных моделей проектирования устройств, но имеющие одинаковые физические основы оптического преобразования. Так как оптоэлектронные ЦАП и АЦП, используют одинаковую базу данных материалов и компонентов, модуль генерации данных для САПР, поэтому они были объединены в единой подсистеме. Для упрощения алгоритма, увеличение его быстродействия, модуль расчета логически разбит на два отдельных блока, выбор которых осуществляет пользователь.

Разрабатываемая подсистема подразумевает работу совместно со сторонними САПР разработки и производства ИС. Методика проектирования будет следующая:

1. На первом этапе в разрабатываемой подсистеме создаются библиотеки оптоэлектронных компонентов. Они включают в себя: геометрические размеры оптоэлектронных компонентов, оптоэлектрические характеристики, описывающиеся различными зависимостями.

2. Выбирается проектируемое устройство ОЭАЦП и ОЭЦАП. Согласно заданию на проектирования вводятся основные данные преобразования: количество разрядов, максимальное выходное напряжение или шаг квантования, максимальное входное напряжение. Выбираются элементы преобразователя из библиотек компоненты, на которых будет построено оптоэлектронное преобразование.

3. На данном этапе происходит синтез модели конструкции ОЭЦАП или ОЭАЦП. Синтез включает в себя автоматизацию анализа нахождения минимальных расстояний удовлетворяющих заданным параметрам, формы конструкции и расчетов геометрических размеров топологии кристалла ИС по математическим моделям изложенных в работе [4].

4. Результатом выполнения третьего этапа является геометрическое расположение основных элементов, таких как фотодиоды и светодиоды. На этом этапе формируется файлы для передачи в САПР ICв выбранном векторном формате для дальнейшей трассировки, а так же отчеты в формате PDFи XSLс подробными входными, выходными данными и данными синтеза устройства для анализа пользователем.

5. Для обеспечения правильной работы ОЭАЦП и ОЭЦАП, необходимы дополнительные компоненты, такие как стабилизаторы тока, операционные усилители, транзисторные ключи, приоритетный шифратор. На этом этапе формируется полная схема устройства, в том числе блоков написанных на языках Verilog/VHDL.

6. Осуществляется программно-аппаратная проверка реализации на соответствие технологическим нормам и правилам, и проводится генерация различных тестов.

7. На основании топологии созданной в подсистеме проектирования ЦАП и АЦП, совместно с расстановленными компонентами обеспечивающим правильную работу преобразователей происходит планирование шин питания, оценка потребляемой мощности и трассировка кристалла.

8. Проверяется соответствие полученной топологии с правилами проектирования, определение паразитных параметров с учетом размещения компонентов и проводников.

9. Заключительным этапом является генерация и передача конструкторской документации и файлов формата GDSIIв производство для изготовления ИС.

Литература

1. Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств / Г. И. Волович.; 2-е -- М.: Додека, 2007. -- 587 c.

2. Цифро-аналоговый преобразователь: пат. 2459352 Рос. Федерация: МПК H 03M 1/66 / Золотов А.Н., Руфицкий М.В.; заявитель и патентообладатель Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых. -- № 2011124564/08; заявл. 16.06.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.:. -- 8 c.

3. Аналого-цифровой преобразователь: заявка на выдачу пат. 2011140359/ Российская Федерация: МПКH 03M 1/36, / Золотов А.Н., Руфицкий М.В.; патентообладатель Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых; заявл. 04.10.2011; полож. решение 28.06.2012

4. Золотов, А.Н. Моделирование высокоскоростных оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей / А.Н. Золотов, М.В Руфицкий // Интеграл. -- №5. -- 2012. -- c. 10-12.

Размещено на Allbest.ru