Международная телекоммуникатсионная конферентсия Молодеж и наука Ч.1 2015

Радиационно-стойкая электроника

Н.М. ЖИДКОВ Научный руководитель – Н.А. УСАЧЕВ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ СВЧ-ДИАПАЗОНА, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО КМОП КНИ ТЕХНОЛОГИИ

Представлены результаты сравнительного анализа типовых схем построения монолитных усилителей мощности с диапазоном рабочих частот до 5 ГГц, спроектированных по КМОП технологии «кремний-на-изоляторе» (КНИ) с проектной нормой 0,18 мкм.

Усилители мощности (УМ) являются базовыми функциональными блоками передающих трактов, в том числе интегральных [1]. Преимуществами КМОП КНИ технологии в сравнении с объемной КМОП технологией являются более высокие граничные частоты МОП-транзисторов, меньшая потребляемая мощность, отсутствие тиристорного эффекта [2-3]. Основными параметрами УМ в диапазоне рабочих частот (ΔF) являются коэффициент усиления (Ку), выходная мощность (Рвых), определяемая на согласованной нагрузке (50 Ом), потребляемая мощность (Рпотр) [1].

Целью сравнительного анализа являлся обоснованный выбор схемы построения УМ класса «А» с ΔF до 5 ГГц, Ку более 10 дБ и Рвых более 10 дБм для реализации по КМОП КНИ технологии. Для исследований выбраны две наиболее распространенные схемы: двухкаскадная и четырехкаскадная распределенная [1-4], показанные на рис. 1.

Схемотехническое моделирование проводилось в САПР Keysight

Advanced Design System.

а) б)

Рис. 1. Электрические схемы двухкаскадного сосредоточенного (а) и четырехкаскадного распределенного (б) УМ

Расчетные зависимости Ку от частоты и Рвых от уровня входной мощности на частоте 3 ГГц показаны на рис 2, основные параметры приведены в таблице.

_______________________________________________________________________

Радиационно-стойкая электроника

* - представлены результаты схемотехнического моделирования; ** - при компрессии амплитудной характеристики 1 дБ; *** - объемная КМОП технология.

Установлено, что четырехкаскадный распределенный УМ позволяет обеспечить большую F (в 1,2 раза) при существенно лучшей неравномерности Ку (не более 2 дБ) и меньшем абсолютном значении Ку по сравнению с двухкаскадной схемой.

К существенным недостаткам распределенного УМ следует отнести прогнозируемые более высокую чувствительность параметров к влиянию паразитных элементов топологии и большую площадь, занимаемую на кристалле из-за необходимости применения значительного количества согласующих индуктивностей и конденсаторов. Таким образом, для дальнейших исследований и разработки топологии была выбрана двухкаскадная схема УМ, лишенная вышеперечисленных недостатков.

Список литературы

1.M. M. Hella, M. Ismail RF CMOS power amplifiers. Theory, design and implementation / Kluwer, -2002, -111 p.

2.D. Ngo, W.M. Huang, J. M. Ford, D. Spooner Power amplifiers on thin-film-silicon-on- insulator (TFSOI) technology / 1999 IEEE Int. SOI conf., -1999, -pp.133-134.

3.A Low-Power DC-7-GHZ SOI CMOS Distributed Amplifier / Zencir E. et al. / ISCAS2004, -2004, -pp. 605-608.

4.A 3.0-7.5 GHz CMOS UWB PA for group 1~3 MB OFDM application using current-reused and shunt-shunt feedback / S.A. Z. Murad et al. / WCSP-2009, -2009, -pp. 1-4.

_______________________________________________________________________

132 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Радиационно-стойкая электроника

И.О. ЛОСКУТОВ, А.Б. КАРАКОЗОВ Научный руководитель – П.В. НЕКРАСОВ, к.т.н., доцент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ТЕСТИРОВАНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

СО ВСТРОЕННЫМ АЦП

Рассматривается автоматизированный аппаратно-программный комплекс (АПК) для тестирования 8-битных микроконтроллеров. Отличительной особенностью данной системы является возможность снимать характеристики преобразования встроенных АЦП. Аппаратно-программный комплекс создан на основе приборов PXI фирмы National Instruments и ПО LabVIEW. Приведена структурная схема АПК, описаны методы испытаний и организация прикладного ПО.

Микроконтроллеры (МК) представляют собой микросхемы, предназначенные для управления другими электронными устройствами. При тестировании МК важно контролировать как электрические параметры (токи потребления, выходные логические уровни, токи утечки), так и функционирование внутренних блоков микросхемы [1]. Важным аспектом является автоматизация тестирования МК. Это позволяет ускорить процесс измерения, уменьшить вероятность ошибки, непрерывно сохранять и обрабатывать результаты эксперимента в течение длительного времени

[2].

Одной из наиболее трудоемких задач при испытаниях является тестирование аналоговых блоков МК, в частности аналого-цифровых преобразователей. Это связанно с помехами на аналоговой линии, а также низкой скоростью получения характеристики преобразования (ХП) АЦП.

Данная работа посвящена созданию автоматизированной системы для тестирования МК со встроенным АЦП на основе применения оборудования «PXI» фирмы National Instruments и ПО LabVIEW. В состав комплекса входили: управляемый источник питания PXI-4110 (обеспечение питания, и, измерение тока потребления схемы встроенным амперметром) и плата цифро-аналогового ввода-вывода PXI-7841R для управления МК (задание режимов работы, контроль функционирования, снятие ХП и вычисление параметров АЦП).

Объектом для испытания был 8-битный КМОП МК с архитектурой MCS-51, тактовой частотой до 24 МГц и встроенным АЦП.

_______________________________________________________________________

134 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Радиационно-стойкая электроника

Представленный АПК является модификацией [2]. Структурная схема аппаратно-программного комплекса представлена на рисунке 1.

Процесс тестирования включал в себя контроль следующих функциональных блоков: ОЗУ, арифметикологическое устройство (АЛУ), последовательный порт UART, порты ввода-вывода, контроллер прерываний, таймеры/счетчики и контроль точностных параметров встроенного АЦП (INL, DNL, OE).

Подробное описание процедуры тестирования цифровой части МК написано в [2].

Отличительной особенностью данного комплекса является блок тестирования АЦП. Программа, написанная в среде LabVIEW, выставляла на аналоговый выход платы PXI-7841R необходимое напряжение (от 0 В до 5 В), которое выводилось на соответствующий канал АЦП МК. Затем по интерфейсу UART отсылалась команда о начале преобразования. Завершив преобразование, МК по UART передавал результат работы обратно в FPGA. Процедура повторяется до тех пор, пока не будут получены результаты на всем диапазоне напряжений от 0 В до 5 В.

В программе было предусмотрено получение одиночного преобразования или получение ХП в определенном диапазоне напряжений.

На основе ХП, программа вычисляла точностные характеристики АЦП, такие как интегральная и дифференциальная нелинейность, смещение нуля и сохраняла результат в файл лога.

Данный модифицированный комплекс успешно применяется для тестирования МК. В дальнейшем планируется создание универсальных подприборов для контроля других аналоговых блоков.

Список литературы

1.Nekrasov P.V., Demidov A.A., Kalashnikov O.A. Functional checks of microprocessors during radiation tests, Instruments and Experimental Techniques, vol. 52, no. 2, pp. 196-199. 2009.

2.Loskutov, I.O., Karakozov, A.B., Nekrasov, P.V., Nikiforov, A.Yu. Automated radiation test setup for functional and parametrical control of 8-bit microcontrollers - 2015 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015

3.http://www.ni.com/pxi/ – раздел на сайте National Instruments

_______________________________________________________________________

Радиационно-стойкая электроника

К.М. ОМАР, К.А. МОСКАЛЕНКО Научные руководители – П.В. НЕКРАСОВ, к.т.н., доцент

А.Б. КАРАКОЗОВ, ассистент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

СПОМОЩЬЮ МОДУЛЯ NI MyRIO

Встатье рассматривается система автоматизированного функционального и параметрического контроля датчика температуры DS1624S+, основанная на модуле NI MyRIO и программном обеспечении LabVIEW. Приведен алгоритм проведения функционального и параметрического контроля.

Вданной работе описана система функционального контроля датчика температуры DS1624S+.

Разрабатываемая система должна обеспечивать подключение до 4 датчиков температуры, обеспечивать подачу питания от 2,7В до 5,5В с измерением тока потребления с точностью не хуже 0,1 мкА, должна проводить измерения выходных уровней напряжения VOL, VOH, обеспечивать программирование и чтение данных по последовательному интерфейсу.

Аппаратная часть реализованной системы состоит из модуля NI MyRIO и мультиметра SANWA PC5000. Подача питания, обмен данными

иизмерение выходных логических уровней реализованы на основе устройства реконфигурируемого ввода/вывода NI MyRIO [1]. Мультиметр используется для измерения микроамперных токов в цепи питания микросхемы и управляется по интерфейсу RS-232 с компьютера. Пользовательское программное обеспечение разработано в среде LabVIEW.

Для организации функционального контроля необходимо реализовать последовательный интерфейс обмена данными. Чтобы исключить взаимовлияние датчиков при испытаниях, каждый датчик должен быть подключен по отдельной шине.

Было реализовано 2 способа обмена данными с датчиком :

1) с помощью встроенного аппаратного интерфейса I2C устройства MyRIO; достоинством решения является аппаратно реализованный интерфейс, но в то же время данное решение позволяет одновременно подключить лишь 2 датчика, при необходимых не менее четырех.

2) Для решения этой проблемы интерфейса I2C был реализован в составе ПЛИС FPGA.

_______________________________________________________________________

136 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Радиационно-стойкая электроника

Реализованное программное обеспечение состоит из двух частей – HOST.vi (рис.1) и FPGA.vi. Модуль FPGA реализует на низком уровне обмен данными по последовательному интерфейсу согласно документации [5]. Алгоритм передачи посылки реализуется с использованием разработанных подприборов чтения и записи байта. С помощью модуля HOST происходит управление датчиком, реализуются протоколы обмена на высоком уровне, таким образом управление ведется за счет посылки команд. В процессе работы можно выбрать один из 4 режимов: ожидание, измерение температуры, считывание и запись в память EEPROM. Полученная информация выводится на индикаторы.

Измеренное значение температуры выводится в двух байтах: MSB – целая часть, LSB – дробная часть (младшие 4 бита LSB – нули).

Питание датчиков обеспечивается с линий аналогового питания устройства NI MyRIO, способного выдавать 3 мА, этого достаточно для обеспечения тока потребления датчика, предельное значение которого не должно превышать 1,2 мА.

Рис.1 Блок-диаграмма HOST.vi

Полученная система позволяет одновременно обрабатывать данные до 6 датчиков температуры, измерять токи потребления и выходные напряжения микросхем. Количество датчиков ограничено количеством каналов аналогового вывода обеспечивающих питание микросхемы. Система апробирована при подготовке исследований датчиков температуры в АО "ЭНПО СПЭЛС" и ИЭПЭ НИЯУ МИФИ.

Список литературы

1.NI myRIO-1900 user guide and specifications http://www.ni.com/pdf/manuals/376047a.pdf.

2.DS1624 Digital Thermometer and Memory Data Sheet http://www.mouser.com/ds/2/256/DS1624-27266.pdf.

_______________________________________________________________________

Радиационно-стойкая электроника

Н.С. ДЯТЛОВ Научные руководители – П.К. СКОРОБОГАТОВ, профессор

К.А. ЕПИФАНЦЕВ, инженер

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИС НА ПОДПОРОГОВЫЙ ЭФФЕКТ

Представлен автоматизированный испытательный стенд, позволяющий проводить исследования ИС на подпороговые эффекты при минимальном участии оператора.

В работе [1] было проведено исследование ИС на подпороговые эффекты, которые возникают при многократном воздействии на выводы ИС одиночных импульсов напряжения (ОИН) амплитудой ниже порога отказа при однократном воздействии. Данное исследование проводилось на установке для однократных испытаний на импульсную электрическую прочность, которая управляется оператором вручную. Однако, для проведения более тщательного исследования подпороговых эффектов требовалось непрерывно подавать на каждый образец до 1500 импульсов, проводя после каждого импульса контроль образца на работоспособность. Такое исследование, проводимое вручную, требует значительное количество времени. Поэтому появилась необходимость автоматизации исследования.

Был разработан и изготовлен автоматизированный стенд, позволяющий проводить исследование и запись собранных данных в автоматическом режиме. От оператора требовалось только проводить замену образцов и выставлять режим работы стенда. На рис. 1 приведена структурная схема стенда.

Исследуемый образец в контактирующем устройстве (9) включается через блок коммутаций и согласований (3) в схему воздействия ОИН (10). В схеме воздействия ОИН питание образца осуществляется с помощью источника питания (2) через кабель (б). После подтверждения корректной коммутации через канал связи (д) между ПК(5) и блоком коммутаций по команде ПК (а) происходит с выхода генератора ОИН (1) подается импульс на образец по высоковольтному кабелю (в). В момент подачи импульса блок измерительных и коммуникационных устройств NI Virtual Bench фиксирует импульс напряжения генератора (н) (через делитель 1:50) и импульс тока (м), прошедший через образец. После подачи им-

_______________________________________________________________________

138 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Радиационно-стойкая электроника

М.Е. КОРОТЕЕВ Научный руководитель – А.В. ДЕМИДОВА, инженер

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

НЕЛИНЕЙНОСТЬ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ TMP36FSZ ОТ ДОЗОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Проведено исследование радиационного поведения датчиков температуры TMP36FSZ. Обнаружены качественные различия деградации выходного напряжения при дозовом воздействии в зависимости от температуры окружающей среды.

В ходе работы исследовалось радиационное поведение датчиков TMP36FSZ. Проводился полный функциональный контроль микросхем, снималась передаточная характеристика (зависимость выходного напряжения от температуры), измерялась интегральная нелинейность выходной характеристики (максимальное отклонение экспериментальной передаточной характеристики от паспортной). На рис. 1 приведена схема включения микросхем TMP36FSZ.

ретает линейный характер, а при понижении температуры - нелинейный характер с двумя точками перегиба.

_______________________________________________________________________

140 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»