12. Analoq və analoq-rəqəm mürəkkəb funksional blokların mikrosxematexnikası

12. Analoq və analoq-rəqəm mürəkkəb funksional blokların mikrosxematexnikası

KüS tipli İBİS-in inkişafını ləngidən faktor analoq mikrosxemotexnikasının mükəmməl olmamağıdır. Nəticədə kristalın aktiv və passiv elementlərə ayrılan oblastının artırılması və, kiçik sinallı parametrlərin zəruri keyfiyyətini təmin edən əhəmiyyətli işçi cərəyan tələb olunur. Bununla əlaqədar olaraq mikroelektronikada əsas istiqamətlərdən biri əvvəlki kimi predmet oblastlarında sistem tədqiqatlarıdır. Bu tədqiqatlar kontroller və mikrokontrollerlərin, radioelektron avadanlığının uyğun sinfinin yaradılmasına istiqamətlənmiş yeni arxitekturalarının sintezini, sistemin İBİS, datçiklər və icra mexanizmləri arasında "ağırlıq mərkəzinin" paylanmasının iqtisadi və texnoloji məqsədəuyğunluğunun əsaslandırılmasını və s. hədəfləyir. Lakin aydındır ki, İBİS-in müzakirə olunan sinfinin tərkibinə həmişə kifayət qədər mürəkkəb analoq və, daha çox proqramlaşdırılan özək vasitəsi ilə instalizasiya olunan bloklar daxil olur, hansılar ki "intellektual məmulatın" bazasını təşkil edirlər. Burada praktiki nöqteyi nəzərdən əhəmiyyət kəsb edən daha bir vəziyyəti nəzərə almaq lazımdır: sistem tədqiqatların nəticələrinə uyğun analoq İP bloklar komplektinin yaradılması mikroelektron texnika məmulatlarının istehsalının təşkilinin yeni prinsipinə çıxmağa imkan verəcək, nə vaxt ki, funksional tam qurğunun kristaldaxili mənsubiyyətindən asılı olmayaraq mini-sistemlərin yeni sinfinin daha tam aparat-proqram birgələşməsi təmin olunur. Bütün bunlar mikroelektronika məmulatlarının nomenklaturasını azaldır, onların parametr və xarakteristikalarını razılaşdırmağa imkan verir və, ən əsası onların konkret aparaturada tətbiqini sadələşdirir [5].

Deyilənləri nəzərə almaqla müasir dövrdə ənənəvi funksional tabeliyə malik analoq mikrosxemotexnikanın 4 qarşılıqlı əlaqəli məsələsini ayırmaq olar.

1. Aktiv elementlərin hazırlanmasının texnoloji xətalarının az təsirə malik olduğu element bazisinin mikrorejimli hissələrinin sxemotexnikasının işlənməsi.

2. Daxiletmə-çıxarılma analoq portları üçün aktiv elementlərin prinsipial sxemlər komplektinin

yaradılması.

3. İqtisadi cəhətdən əlverişli genişzolaqlı analoq multipleksorların, komparatorların, dayaq gərginlik və qida mənbələrinin, əməliyyat gücləndiricilərinin, impedans çevricilərinin və s. sxemotexnikası.

4. Analoq interfeysinin funksional tamamlanmış dəqiq qurğularının - instrumental gücləndiricilərin, süzgəclərin, fazaya qədər dəqiqliklə TAT bloklarının, ARÇ, RAÇ, balans qarışdırıcıları və vurucuları, kvadratur modulyator və demodulyatorlar, idarə olunan harmonik rəqs generatorları və multivibratorlar və s. sxemotexnikası.

Birinci problem sinfində geometriya və aktiv komponentlərin iş rejimlərinin və texnoloji normaların əlaqəsini və onların, sadə hissələrin - pillələrin və müxtəlif funksional məqsədli blokların genişzolaqlılığını və gücləndirmə xassələrini xarakterizə edən parametrlərinin kombinasiyalarını qərarlaşdıran nəzəri əsaslandırılmış hədd məhdudiyyətləri zəruridir. Aparılmış tədqiqatlar göstərir ki, tranzistorun parazit keçid tutumunun buraxma zolağının sərhəd tezliyinə təsirini, əlavə tranzistorlar vasitəsi ilə yaradılmış kompensasiyaedici əks əlaqə dövrəsi vasitəsi ilə əhəmiyyətli dərəcədə azaltmaq olar. Bu halda reallaşan genişzolaqlılıq sərf olunan gücün azaldılması (yalnız sərf olunan gücün deyil, həm də minimal qida gərginliyinin) üçün istifadə oluna bilər. Mövcud submikron bipolyar tranzistorlar üçün pillənin göstərilən gücünün bir tərtib azaldılması kifayət qədər sadə təmin olunur. Əməliyyat gücləndiricilərinin, impedans çeviricilərinin, komparatorların, stabilizatorların və dayaq gərginliyi mənbələrinin sxemotexnikasında gücləndirici kaskadların miqdarının ikidən çox, aktiv komponentlərin miqdarının isə bir neçə on vahid olduğunu nəzərə alsaq ümumi məsələnin həllində tranzistorların ümumi sayının artması əhəmiyyətsiz az, reallaşdırılan effekt isə əhəmiyyətli olur. Qeyd etmək lazımdır ki, buraxma zolağının sərhəd tezliyinin artırılması həmçinin çıxış gərginliyinin böyümə sürətini artırmağa da imkan verir. Lakin sərf olunan gücün azalması halında statik rejimdə sərf olunan cərəyanı əlavə artırmadan çıxış gərginliyinin böyümə sürətinin artırılmağı qeyri-xətti korreksiya dövrələrinin tətbiqi hesabına təmin olunur. Bu zaman birinci halda olduğu kimi tranzistorların sayının aktiv elementə (məsələn əməliyyat gücləndiricisinə) hesablanmış artımı 10% -dən çox olmur. Nəzəri olaraq göstərilmişdir ki, geniş zolaqlı kaskad və gücləndiricilərin yaradılması üçün yuxarıda göstərilən prinsiplər yeganədir. Həmin səbəbdən onlar analoq daxiletmə-çıxarılma portları üçün aktiv elementlərin prinsipial sxemləri komplektinin qurulmasının əsası ola bilər və onların istehsalının müxtəlif bazis və texnologiyalarına istiqamətlənər. Müzakirə olunan problemdə göstərilən məsələ ən çox əmək tələb edən və əhəmiyyətlidir. Belə nəticə mikroelektronika üçün təbii fakta, yalnız hissə və ya məmulatın topologiyası alındıqdan, onun qatlar üzrə birgələşdirilməsindən, həmçinin nəzarət imkanından sonra qərarın qəbul edilməsinə əsaslanır. Yalnız belə elementlər kitabxanası kristal üzərində sistemin layihələndirmə və bu və ya digər arxitekturanın inkişafı haqqında qərarın qəbuledilməsi prosedurasının avtomatlaşdırılmasına imkan verər.

Məsələnin həll edilməsinin növbəti mühüm mərhələsi iqtisadi cəhətdən əlverişli genişzolaqlı, konkret texnologiyaya adaptasiya olunmuş, portların və analoq mürəkkəb blokların əhəmiyyətli tərkib hissələri olan funksional tamamlanmış hissələrin sxemotexnikasının işlənməsidir. Müxtəlif əməliyyat gücləndiriciləri, komparatorlar və dayaq gərginliyi mənbələri komplektləri funksional tamamlanmış qurğuların yeni konfiqurasiyaları (məsələn, struktur sintez yolu ilə alınmış) ilə birgə həll edilən məsələ üçün analoq portlarının müxtəlif strukturlarının reallaşdırılma imkanlarının həddini, multipleksə olunmamış arxitekturaların və ya, ən azı, mini-sistemin yaradılmasının məqsədəuyğunluğunun əsaslandırılmasını kifayət qədər dəqiqliklə təyin etməyə imkan verir. Analoq interfeysinin müxtəlif funksional qeyri-həmcins hissələrinin birgələşdirmə imkanı praktiki nöqteyi-nəzərdən az olmayan əhəmiyyət kəsb edir. Belə yaxınlaşma müxtəlif mürəkkəb vəziyyətlərdə bir sıra əhəmiyyətli məsələlərin həllini təmin edə bilər. Məsələn, multidiferensial əməliyyat gücləndiricilərinin sxemotexnikasının, onların əsasında xətti analoq qurğularının qurulması üçün nəzəri bazisin yaradılması bir aktiv element üzərində iqtisadi cəhətdən əlverişli olan və instrumental gücləndirici ilə süzgəcin funksiyalarını birgələşdirən analoq daxiletmə portunun yaradılmasına imkan verdi.

KüS tipli İBİS-ə istiqamətlənmiş analoq elektronikasının ümumi probleminin dördüncü məsələsi funksional tamamlanmış həm fiksə edilmiş, həm də idarəolunan parametrlərə malik presizion qurğuların sxemotexnikasının inkişafı ilə əlaqədardır. Onların struktur sintez metodları geniş tezlik və dinamiki diapazonlara malik prinsipial sxem yaratmağa imkan verir. Bu aktiv elementlərin vahid güclənmə tezliyinin onların əsas xarakteristika və parametrlərinə təsirinin struktur və parametrik optimizasiyası ilə əldə edilir. Aparılan tədqiqatlar çərçivəsində, müstəsna hal kimi göstərilmişdir ki, ikilik kod ilə inisializasiya olunan qurğuların qurulması zamanı aktiv elementlərin (gücləndiricilərin) sayını artırmaq lazımdır. Onlar rəqəm idarə olunan keçiriciliklər ilə birgə özünü kompensasiya prinsipi¹ əsasında vahid güclənmə tezliyinə və əməliyyat gücləndiricilərinin digər parametrlərinə cəm həssaslığı aşağı olan qurğular yaratmağa imkan verir. Göstərilən vəziyyət fiksə edilmiş və idarə olunan parametrlərə malik analoq portlarının rəqabət qabiliyyəti məsələsini praktiki müstəviyə keçirməyə imkan verir. Sonuncuların nisbi mürəkkəbliyinə baxmayaraq onların İBİS-də effektivliyi qərar qəbuletmə prosedurasında həlledici faktor ola bilər. Ən azı, siqnalların mövcud rəqəmsal işlənmə alqoritmləri göstərir ki, dərəcə torunun tam istifadə olunması və tezlik süzgəclənməsi mərhələsinin aradan çıxarılması hesabına yalnız sistemin cəldliyini deyil, həm də son nəticələrin döğruluğunu artırmaq olar.

Nəhayət, apparat reallaşdırılması mürəkkəb olan inisiallaşdırılan, lakin effektiv analoq interfeysləri mini-sistemlərin qurulma strategiyasını dəyişə bilər. KüS-ə problem-istiqamətli inkişafın başlanğıc mərhələsində bu daha əhəmiyyətlidir. İki - və üçkristallı mini-sistemlər prinsipial asimmetrik qərarlardan ibarət olacaq - birinci İBİS verilənləri mürəkkəb daxiletmə portları əsasında analoq-rəqəm çevirməsi məsələsini, onların, törəmələrin qiymətləndirilməsi, giriş massivlərinin növlərə bölünməsi, fasilələrin² arbitrajı və s. daxil olmaqla ilkin işlənməsi məsələsini həll edir. Öz funksional təyinatına görə ikinci İBİS sistemin mərkəzi prosessor elementi ola bilər. Digər, onların qarşılıqlı təsirinin daha mürəkkəb variantları da mümkündür. Lakin istənilən halda sinxronizasiya prosedurunun əhəmiyyətli sadələşdirilməsi bütövlükdə sistemin məhsuldarlığının artırılması ilə bərabər onların mürəkkəblik həddinin yüksəldilməsi istiqamətində də bir sıra problemləri aradan qaldırır.

Lakin əvvəl olduğu kimi belə yaxınlaşmanın texnoloji reallaşdırma imkanı inisializasiya olunan analoq qurğularının sxemotexniki reallaşdırılmasının işlənmə dərinliyindən və uyğun İP modullar kitabxanasının yaradılmasından bir başa asılı olacaq.

İBİS rabitə avadanlığına istiqamətlənmiş analoq mikrosxemotexnikasını da ayırmaq lazımdır. Burada verilənlərin (siqnalların) SoC-kontrollerə daxil edilməsi nisbətən sadə aparat resursları ilə həll edilir. Nisbətən kiçik dinamiki diapazon, yavaş dəyişən (sabit cərəyana yaxın) analoq siqnallarının gücləndirilməsi zəruriyyətinin olmamağı uyğun hissə və modulların sxemotexniki həllərini əhəmiyyətli dərəcədə sadələşdirir. Lakin bununla birlikdə işlənən verilənlərinin böyük ötürülmə sürətinin təmin edilməsi daxiletmə portlarının sxemotexnikasını əhəmiyyətli dərəcədə mürəkkəbləşdirə bilər. Bu, radiotrakt daxil olmaqla rabitə xəttinə yüksək tezlikli diapazonda nisbətən böyük güclərin ötürülməsi ilə əlaqədardır. Məhz burada tranzistorların keçid tutumlarının təsirinin özünükompensasiyası prinsipinin istifadə olunması yaxşı nəticə verə bilər.

Mövcud mini- və mikrokontroller sistemlərinin müqayisəsi göstərir ki, bu keçid analoq hissələrin yerinə yetirdiyi funksional və riyazi əməliyyatların sayını əhəmiyyətli dərəcədə azaltmışdır. Şübhəsiz ki, bu "ağırlıq mərkəzini" sürüşdürmüş və radioelektron avadanlıqda İBİS-in reallaşdırma imkanları həddinə neqativ təsir etmişdir. Bununla əlaqədar olaraq müəyyən inamla demək olar ki, müasir İP blokların funksional bazisini təşkil edən iqtisadi cəhətdən əlverişli geniş diapazonlu element və qurğuların yaradılması SoC kontrollerlərdə, müəyyən qədər də olsa, analoq siqnallarının işlənməsi üçün hibrid mini-sistemlərin üstünlüklərini saxlamağa imkan verir. Yuxarıda baxılan məsələlər şək. 1-də verilən cədvələ daxil edilmişdir.

Analoq mikrosxemotexnikasının yuxarıda verilən anlayışları əlavə kommentari tələb edir. "Kristal üzərində sistem" İBİS-lərin layihələndirilməsi və hazırlanması ilə məşğul olan xarici firmaların məlumatlarına görə hazırda bu məmulatların bazara çıxmasını ləngidən faktor İP blokların və uyğun çiplərin işlənməsi üçün tələb olunan vaxtdır. Əgər göstərilən problemlərin həlli üçün Texas Instruments и Burr-Brown öz güclərini vahid korporasiyada birləşdirmişsə, başqa firmalar açıq assosiasiyalar yaratmışdır. Burada intellektual məhsulun dəyişdirilməsi, İBİS-in həm hazırlanmasına, həm də müşayiətinə sifarişlər portfelinin formalaşdırılması həyata keçirilir. Belə asosiasiyaların əsasını, müəyyən istehsal üçün sistem, sxemotexniki və konstruktor-texnoloji səviyyələrdə layihələndirilmə ilə məşğul olan layihələndirmə mərkəzləri - silisium emalatxanalar təşkil edir.

Göstərilən və əsasən formalaşmış yaxınlaşmalar analoq hissələrin, blokların, port və altsistemlərin işlənmə dərinliyinə bir sıra tələblər qoyur. Əsasda son məhsulun tamamlanma prinsipi durur - prinsipial sxem "kristal üzərində sistem" üçün zəruri funksiyaları yerinə yetirməli, texnoloji xarakterli məhdudiyyətlər qammasına cavab verməli və, ən əhəmiyyətlisi, uyğun topologiya ilə müşaiyət olunmalıdır. Yalnız son qərarın qəbul edilməsi yox, həm də istənilən funksional blokun sxemotexnik modernizasiyasına konkret məsələnin formalaşdırılması həm alternativ variantların keyfiyyət göstəricilərinin, həm də onların İBİS-in konkret qatında yerləşmə xüsusiyyətlərinin, portların digər hissələrinin və ya mikrosistemin digər köməkçi qurğularının birgələşdirilmə imkanlarının müqayisəli analizi şəraitində mümkündür.

Deyilən analoq mikrosxematexnikanın inkişafının aşağıdakı daxili mərhələlərini müəyyən­ləş­dirir. Birinci, iqtisadi cəhətdən əlverişli genişdiapazonlu kaskad və blokların qurulma nəzəriy­yəsi mövcud texnologiyalar (КМОП, БиМОП, Si/Ge ….) üçün istənilən konfiqurasiyanın hədd imkanlarının və keyfiyyət üstünlüklərinin qiymətləndirilməsi ilə müşayiət olunmalıdır. Burada dominant kriteriyə kimi kristalın sahəsi və onun, ənənəvi sxem həllərinə faiz nisbəti istifadə olunmalıdır.

İkinci, mövcud kompensasiya prinsipləri əsasında rəqəm elektronikasında keyfiyyətli güc­ləndirici kaskadların qurulması üçün müxtəlif kombinasiyalarda tətbiq olunan sahə tranzistorları­nın istifadə imkanlarına cavab verilməlidir. Yalnız əsasların sahəsinin və sərf olunan gücün müqa­yisəsi həm hissələrin, həm də mürəkkəb funksional blokların sxemotexnikasını düzgün istiqamət­ləndirməyə imkan verər. Lakin REA-nın tətbiq praktikası güclü destabilizasiyaedici faktorların təsiri şəraitində işləyən İS və BİS yaratmağı tələb edir. Bu məsələnin həlli daha çox mikron texnologiyalar çərçivəsində məqsədəuyğundur. Məhz burada xüsusi və qarşılıqlı kompensasiya prinsipləri daha parlaq özünü büruzə verir. Bu zaman həmin yaxınlaşmaların komponent səviyyədə və funksional qurğu səviyyəsində birgələşməsi keyfiyyət göstəriciləri submikron analoqlara uyğun gəlməyən analoq və analoq-rəqəm İS reallaşdırmağa imkan verir.

Üçüncü, bütün alternativ variantları, texniki və texnoloji parametrlərin müəyyən birliyi ilə son məsələnin həlli üçün sərbəst əhəmiyyət kəsb edən baza aktiv elementlərin prinsipial sxemləri üzərində aprobasiya etmək zəruridir.

Nəhayət, mikrosxemotexnikanın funksional səviyyədə inkişafı həm aktiv elementlərin parametrlərinə əvvəl aşkarlanmış məhdudiyyətləri, həm də passiv elementlərin və ya onların hissələrinin nominallarına və dəqiqlik sinfinə məhdudiyyətləri tam şəkildə nəzərə almalıdır. Burada aşağıdakını qeyd etmək zəruridir. Analoq portların aktiv süzgəclərinin qurulması zamanı həm aktiv, həm də passiv komponentlərin effektiv istifadəsi üçün kifayət qədər dəqiq kristaldan kənar kondensatorlardan istifadə etmək lazım gəlir. Ona görə də onların qoşulması üçün xarici düyünlər az daxili müqavimətlə xarakterizə olunmalı və onların cəm tutumu tam müəyyən qeyri-bərabərliyi ödəməlidir. Lakin həmişə buraxma zolağının aşağı effektiv istifadəsinin və belə qurğunun tərtibinin alternativ variantının analizini aparmaq zəruridir. Analoq mikrosxemotexni­kasının funksional səviyyəsinin inkişafı sinfində aktiv elementlərin, mürəkkəb funksional blokların funksional məqsədinə uyğun olan və dövrənin aktiv və passiv komponentlərinin sayını azaltmağa imkan verən yeni tiplərinin axtarışını davam etdirmək zəruridir. Deyilənlərə misal olaraq multidiferensial əməliyyat gücləndiricilərini və onlara uyğun qurğuları göstərmək olar.

Əlbəttə, KüS tipli İBİS-in yaradılması məsələsində analoq mikrosxemotexnikasının yeri haqqında verilən bu düşüncələri tam hesab etmək olmaz. Lakin mikroelektronikanın bu əhəmiyyətli istiqamətinin inkişaf dinamikası göstərir ki, onların dəqiq analizi və alternativ istiqamətlərin axtarışı olmadan submikron texnologiyanın nailiyyətlərinin effektiv istifadəsinə ümid etmək olmaz.

1 Принцип собственной компенсации

2 Прерывание; breaking, interruption