Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012

•высокую помехоустойчивость;

•готовность к работе по включению питания;

•невозможность несанкционированного копирования конфигурации;

•рекордно высокий процент утилизации кристалла(> 98%);

•устойчивость к радиации и облучению высокоэнергетическими частицами;

•отсутствие внешней и внутренней загрузочной памяти;

•высокую производительность.

Из современных семейств ПЛИС, выпускаемых по Antifuseтехнологии следует отметить следующие семейства.

1.Семейство ПЛИС RTAX S:

•радиационно-стойкие ПЛИС – альтернатива радиационностойким заказным микросхемам (RH ASIC);

•большой объем — до 4 млн логических элементов (приблизительно 500 000 ASIC ключей);

•разработана для космоса - улучшенные показатели одиночных сбоев;

•0,15мкм, с 7 слоями металлизации КМОП технология с восстановлением перемычек (Antifuse);

•интегрированные блоки ОЗУ;

•поддержка многих стандартов портов ввода/вывода;

•работа сразу же по включению питания;

•однокристальное решение;

•низкое потребление мощности.

2.RTAX SL Семейство с малым потреблением

Параметры сходны с RTAX-S, статическое энергопотребление уменьшено на 70 % по сравнению с RTAX-S.

Сводные данные об этих двух семействах приведены в табл. 5.2.

211

Характеристики RTSX SU:

•разработано специально для космических применений

•до 2 012 троированных триггеров;

•отсутствует эффект защелкивания;

•поддержка режима “горячего” включения;

•конфигурируемые порты ввода/вывода с поддержкой

CMOS, TTL, LVTTL и 3,3В/5,0В PCI-стандартов;

•защита от считывания проекта из ПЛИС;

•совместимы по выводам с коммерческими ПЛИС семейства SX-A для прототипирования;

•сертифицированы по стандартам QML для военной и космической продукции.

Семейство RTAX DSP с математическими блоками для DSP применений

Семейство разработано на основе структуры и решений семейства RTAX S. Главным отличием является введение дополнительных математических блоков (DSP). Математические блоки представляют собой 18 бит x 18 бит умножители с накоплением и могут работать на частоте до 125 МГц во всем температурном диапазоне

(от -55 дo 125°C).

Особенности семейства:

•радиационная стойкость – отсутствуют сбои конфигурации;

•DSP блоки не восприимчивы к воздействию тяжелых ионов;

•низкое энергопотребление;

•доказанная надежность – при производстве RTAX-DSP используется 0,15 мкм технология, что и для RTAX-S/SL. Идентичная базовая архитектура;

•характеристики надежности и радиационной стойкости идентичны;

•не увеличивает стоимость и время разработки;

•не требуются приобретать дополнительные средства разработки;

•гибкость, возможность каскадирования, высокоэффективная структура18 бит х 18 бит умножителя, который может быть разделен на два по 9 бит х 9 бит;

212

•функция сложения/вычитания результата с результатом предыдущего вычисления, константой или результатом с другого блока умножения;

•адаптированы для создания цифровых фильтров и быстрых функциональных преобразователей;

•до 120 математических блоков;

•до 125 МГц, при температуре до 125 °C;

•максимальная скорость – до 15·109 умножений/накоплений в секунду (15GMACS);

•радиационная стойкость математических блоков - триггера

и логические модули выполнены с защитой от сбоев (SET и SEU).

Сводные данные об этом семействе приведены в табл. 5.3.

Семейство ПЛИС ProASIC3, использующее Flash-технологии

Actel выпускает большое количество семейств цифровых ПЛИС, использующих Flash-технологии. Из последних разработок выделим семейство ПЛИС ProASIC3 с низкой стоимостью и малой потребляемой мощностью. Это семейство ПЛИС, включающее в себя ProASIC3/E, ProASIC3nano и ProASIC3L, которое обеспечива-

ет прорыв в энергопотреблении, цене, производительности, плотности, а также в характеристиках для современных наиболее требовательных приложений высокого уровня. Устройства ProASIC3 поддерживают процессор ARM Cortex-M1, предлагая преимущества программируемости и недорогого периода от начала разработки изделия до выхода его на рынок. Устройства ProASIC3 основаны на энергонезависимой флэш-технологии и поддерживают от 10 тыс. до

213

3 млн вентилей и до 620 высокопроизводительных вводов/выводов.

Втабл. 5.4 приведены основные характеристики семейства.

Отличительные черты семейства:

•низкая стоимость;

•малая потребляемая мощность;

•один кристалл, одно напряжение;

•работа ядра при напряжении от 1,2 до 1,5 В;

•перепрограммируемая флэш–технология;

•невосприимчивость к ошибкам программно-аппаратного обеспечения;

•максимальная безопасность при разработке;

•расширенные стандарты ввода/вывода;

•пользовательское энергонезависимое флэш-ПЗУ;

•поддержка процессора ARM Cortex-M1.

Для использования в авиационно-космических применениях фирма Actel выпускает специальный аналог семейства ProASIC3, ПЛИС RT ProASIC3 это семейство радиационно-стойких перепрограммируемых ПЛИС, выполненных по FLASH технологии. Эти микросхемы предназначены для применения в малопотребляющей космической аппаратуре с требуемой системной частотой

214

до 350 МГц и содержат до 3 млн системных вентилей. ПЛИС RT ProASIC3 представлены двумя микросхемами, отличающимися по количеству системных вентилей.

Их основные параметры представлены в табл. 5.5.

Эти ПЛИС обеспечивают следующие свойства по радиационной стойкости:

•при тестировании на ускорителе ядер до LETTH > 68 (МэВ·см2)/мг эффектов SEL (катастрофических отказов, “защелкивания” регистров) не наблюдалось;

•отсутствуют сбои конфигурации при LET > 96 (МэВ·см2)/мг;

•для триггеров пороговая величина LETTH для появления “сбоев” (SEU) составила более 1,5 (МэВ·см2)/мг, при использовании мажоритарной схемы 2 из 3 сбои отсутствовали;

•максимальная накопленная доза радиации при которой увеличивается внутренняя задержка элементов на 10 %, со-

ставляет 20 –25 кРад(Si) при VCCA = 1,5 В.

Таким образом, RT ProASIC3 даже с ее относительно низкой радиационной стойкостью (30 кРад) – представляет собой отличный инструмент для низких орбит или миссий, где отсутствуют такие мощные факторы, как радиационные пояса Земли (РПЗ).

Сверхмалопотребляющее семейство IGLOO Основные характеристики:

•от 15000 до 3000000 системных вентилей;

•1,2 или 1,5 В напряжение питания ядра;

•до 504 кбит двухпортовое интегрированное СОЗУ;

•до 616 пользовательских портов ввода/вывода;

215

•до 6 умножителей частоты;

•сверхнизкое потребление – Flash&Freeze технология (потребление мощности от 2 мкВт);

•переход в режим Flash*Freeze и выход из него менее 1мкс;

•СОЗУ и регистры сохраняют свое состояние;

•малое потребление в активном режиме – от 25 мкВт.

На самом деле семейство IGLOO — это группа семейств ПЛИС, в которую, кроме собственно IGLOO, входят семейства IGLOOe, IGLOO PLUS и IGLOOnano, последнее имеет подсемейство IGLOOnano-Z. Все эти семейства выполнены по малопотребляющей Flash технологии и отличаются друг от друга внутренним объемом, количеством доступных пользователю выводов и наличием расширенных возможностей ввода/вывода (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Структура кристалла серии IGLOO

Микросхемы IGLOO выполнены по 130 нм технологии с 7 слоями металлизации и соответствуют требованиям Live-at-Power-Up (LAPU) Level 0, поскольку конфигурация хранится внутри элементарных ячеек, и в загрузке прошивки после включения питания нет необходимости. Микросхемы этого семейства выпускаются в двух модификациях: с питанием ядра 1,5 В или с возможностью выбора

216

питания ядра 1,2 или 1,5 В. Максимальная тактовая частота микросхем при питании 1,5 В составляет 250 МГц, а при питании 1,2 В — 160 МГц. Напряжение питания периферии может изменяться в пределах от 1,2 до 3,3 В. Во всех микросхемах IGLOO есть встроенное Flash ПЗУ объемом 1 кбайт, которое позволяет, например, хранить серийный номер или настроечные коэффициенты проекта.

Все семейства IGLOO поддерживают режим низкого потребления Flash&Freeze, мощность питания в котором исчисляется микроваттами. Переход в этот режим и выход из него происходят менее чем за 1 мкс, причем значения всех регистров микросхемы в этом режиме сохраняются. Командой перехода является активный уровень на выделенном выводе микросхемы.

Отличия между семействами состоят в следующем: IGLOOe – микросхемы большого объема для сложных задач. IGLOO PLUS – это семейство с повышенным количеством внешних выводов при том же объеме матрицы. Кроме того, это семейство обладает расширенными возможностями ввода/вывода: режим удержания выходов (bus-hold) в режиме Flash&Freeze, триггеры Шмидта на входах, возможность горячей замены и холодного резервирования. Режим bus-hold позволяет выбирать, в каком состоянии остается вывод микросхемы в режиме низкого потребления: это может быть нуль, единица, третье состояние или то состояние, которое было на момент перехода в режим.

IGLOO nano – семейство небольших по объему логической матрицы микросхем в очень маленьких корпусах, начиная с 36выводного корпуса UC36 размером 3х3 мм. ПЛИС этого семейства являются лидерами по низкому потреблению мощности.

Как и для других семейств, для IGLOO Actel создала огромное количество готовых файлов описания электронных блоков (так называемых IP-ядер). IP-ядра вставляются в проект как готовые конфигурируемые модули. Существует бесплатный доступ к IP-ядрам процессоров ARM, Intel i8051, SPARC V8 и других, кроме того, есть модули периферийных устройств I2C, UART, Ethernet 10/100 и т. д. Имеются и IP-ядра для цифровой обработки сигналов без участия микропроцессора.

217

5.4. Аналоговые программируемые интегральные схемы

Традиционно схемы аналоговой обработки сигналов выполняются на дискретных компонентах – операционных усилителях, компараторах, мультиплексорах и т. п. При этом в ряде случаев аналоговая часть занимает большую часть площади печатной платы и имеет высокую стоимость. Решить проблему создания разнообразных аналоговых устройств, снизив стоимость и габариты, позволяет использование программируемых аналоговых интегральных схем – ПАИС (FPAA). В отличие от цифровых систем, где сигнал дискретен по времени и квантован по уровню, в дискретноаналоговых системах сигнал дискретен только по времени (рис. 5.9), в силу этого выходной аналоговый сигнал можно восстановить без искажений по его выборкам.

Рис. 5.9. Представление сигналов в цифровом и аналоговом виде

В настоящее время аналоговые эквиваленты цифровых ПЛИС распространены меньше, чем их цифровые “собратья”. Компания Anadigm, США, является лидером в производстве программируемых аналоговых интегральных схем (ПАИС) – аналоговых эквивалентов ПЛИС. Аналоговые схемы ПАИС, которые производит компания, делятся на два типа ПАИС – динамически и статически конфигурируемые. Отличает аналоговые схемы разных типов то, что динамически конфигурируемая схема позволяет изменять пол-

218

ностью или частично функциональную структуру в реальном времени в работающем устройстве, что дает возможность создавать уникальные схемы аналоговой обработки сигналов. Средство разработки и необходимые библиотеки, предоставляемые компанией Anadigm бесплатно, позволяют проектировать аналоговые схемы без дополнительных знаний в области цифровых схем или языков программирования.

Основные характеристики аналоговых схем на базе ПАИС

Anadigm:

•динамическое переконфигурирование;

•полностью дифференциальная архитектура;

•конфигурируемые ячейки ввода/вывода;

•низкое напряжение смещения в режиме прецизионного входа — менее 50 мкВ;

•буферные преобразователи несимметричных сигналов в дифференциальные;

•функции линеаризации;

•полоса частот 0 – 2 МГц;

•отношение сигнал/шум 120 дБ;

•коэффициент гармоник -100 дБ.

Рассмотрим структуру динамически переконфигурируемых ПАИС фирмы Anadigm на примере микросхемы AN221E04.

Структурная схема FPAA показана на рис. 5.10. Ее основу составляют конфигурируемые аналоговые блоки (CAB), которые содержат наборы элементов для реализации стандартных устройств – операционных усилителей, компараторов, источников образцового напряжения, АЦП, а также конфигурационную память (Look-Up Table) и специальный интерфейс. Входные аналоговые сигналы подаются в CAB через конфигурируемые двунаправленные I/O (ввода/вывода) ячейки. Ячейки I/O_Cell_1,. .3 осуществляют передачу сигнала напрямую в один из блоков. Ячейка I/O_Cell_4 содержит специальный мультиплексор, который позволяет подключать до 4 дифференциальных (или 8 несимметричных) входных сигналов или нагрузок (в режиме выходов).

219