eng
Выпуск #8/2016
В.Коновалов, В.Коняхин, С.Бражников
Современные микросхемы малой степени интеграции для аппаратуры космического назначения
Современные микросхемы малой степени интеграции для аппаратуры космического назначения
Просмотры: 5377
Представлены серия многофункциональных микросхем стандартной логики и серия цифро-аналоговых микросхем для организации дифференциальной линии связи LVDS и LVDM, разработанные на основе базового кристалла 5529ТР015.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.32.38
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.32.38
Микросхемы малой степени интеграции более 30 лет широко использовались в качестве основных компонентов при проектировании цифровых устройств. Однако в настоящее время их применение в цифровых устройствах существенно сократилось. На смену микросхемам малой степени интеграции пришли ПЛИС, микроконтроллеры, сигнальные процессоры и другие специализированные микросхемы, позволяющие создавать гораздо более совершенные и технически более сложные изделия.
При проектировании аппаратуры довольно часто возникают проблемы согласования сигналов между микросхемами. В подобных случаях применение больших интегральных схем, таких как ПЛИС, может быть не целесообразным. Для этих задач в настоящее время широко используются микросхемы согласующей логики в микроминиатюрных корпусах. В большинстве своем это микросхемы инверторов или логических элементов с малым количеством входов. Серии таких микросхем малой степени интеграции занимают свою нишу на рынке микроэлектроники, имеют широкую номенклатуру и в больших количествах выпускаются для коммерческого и промышленного применений.
Для создания особо надежной аппаратуры специального и космического назначения с длительным сроком эксплуатации без возможности ремонта требуются микросхемы военного или космического уровня качества. При ее разработке и производстве вся применяемая электронная компонентная база подвергается дополнительным отбраковочным испытаниям (ДОИ). ДОИ – это длительные и дорогостоящие испытания, которые проводятся для каждой партии и каждого типа микросхем. Соответственно, чем шире номенклатура применяемых в аппаратуре микросхем, тем существеннее затраты на ДОИ. При этом, потребность в микросхемах малой степени интеграции, как правило, мала (единицы, десятки штук), однако их номенклатура может быть значительной.
Перечисленные выше факторы говорят о необходимости создания функционально гибких, универсальных микросхем, способных выполнять функции схем малой степени интеграции и имеющих высокую надежность для применения в аппаратуре космического назначения.
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ МАЛОЙ СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ
В НПК "Технологический центр" на основе младшего типа базового кристалла серии 5529 были разработаны две многофункциональные цифровые микросхемы 5529ТР015-674 и 5529ТР015-675 для аппаратуры космического назначения, позволяющие заменить большинство типов микросхем малой степени интеграции.
При проектировании многофункциональных микросхем необходимо было достигнуть компромисса между функциональной гибкостью и простотой реализации. Был применен способ выбора функции с помощью дешифрации ее адреса, задаваемого подключением к "питанию" или "земле" специальных внешних выводов микросхемы. Структурная схема БИС серии многофункциональных микросхем представлена на рис.1. Адрес сконфигурированной функции поступает на дешифратор выбора функции. Выходы дешифратора мультиплексируют входы и выходы микросхемы к блоку, реализующему соответствующую адресу функцию. Такой способ является достаточно простым и надежным, так как не использует ячейки памяти для конфигурирования микросхемы. Количество возможных реализуемых функций при таком способе конфигурирования равно 2N, где N – количество адресных выводов, что обеспечивает достаточную функциональную гибкость. Также важными характеристиками микросхем серии являются небольшие габариты, надежность работы и устойчивость к воздействию специальных факторов.
Для определения набора функций, планируемых для реализации в микросхеме 5529ТР015-674, был проведен анализ серий 54 (74), 4000 и отечественных микросхем малой степени интеграции. На основании результатов анализа были выбраны наиболее востребованные функции. Многофункциональная цифровая микросхема последовательностной логики 5529ТР015-674 имеет восемь информационных выходов, десять информационных и семь адресных входов и реализует 124 функции следующих типов:
• логические элементы и разветвители;
• цифровые компараторы;
• шифраторы;
• дешифраторы;
• мультиплексоры;
• сумматоры;
• формирователи;
• RS, D и JK триггеры;
• регистры с записью по фронту и по уровню синхросигнала;
• сдвиговые регистры;
• счетчики Джонсона;
• двоичные и двоично-десятичные счетчики.
Некоторые микросхемы 74-й серии, функционально аналогичные реализованным в микросхеме 5529ТР015-674 функциям, представлены в таблице.
Многофункциональная цифровая микросхема 5529ТР015-675 реализует 511 различных комбинационных логических функций, имеет восемь информационных выходов, а также восемь информационных и девять адресных входов. В микросхеме представлены все возможные логические функции при двух и трех входных переменных, а также потенциально наиболее используемые варианты функций с большим числом переменных [1]. Для большей гибкости применения микросхемы в одной функции определено сразу восемь различных комбинационных функций. В качестве примера ниже представлены логические функции, выполняемые микросхемой и соответствующие конфигурационному адресу "054" (их графическое изображение показано на рис.2):
МИКРОСХЕМЫ
LVDS / LVDM-ПРИЕМНИКОВ И ПЕРЕДАТЧИКОВ
Помимо многофункциональных микросхем, в НПК "Технологический центр" также была разработана серия микросхем приемников и передатчиков стандартов низковольтной дифференциальной линии связи LVDS и LVDМ [2].
Микросхемы 5529ТР015-688 и 5529ТР015-698 представляют собой восемь передатчиков дифференциальной линии LVDS и восемь передатчиков дифференциальной линии LVDM соответственно. Их функциональная схема представлена на рис.3.
Микросхема 5529ТР015-689 содержит по четыре передатчика дифференциальной линии LVDS и приемника дифференциальной линии LVDS / LVDM, а микросхема 5529ТР015-699 – по четыре передатчика дифференциальной линии LVDM и приемника дифференциальной линии LVDS / LVDM. Функциональная схема 5529ТР015-689 и 5529ТР015-699 приведена на рис.4.
Микросхема 5529ТР015-697 содержит восемь приемников дифференциальной линии LVDS / LVDM. Ее функциональная схема представлена на рис.5.
Микросхема 5529ТР015-695 включает четыре полудуплексных приемопередатчика многоточечной дифференциальной линии M-LVDS. Функциональная схема 5529ТР015-695 приведена на рис.6.
Микросхема 5529ТР015-696 представляет собой коммутатор двух двухразрядных шин дифференциальных линий LVDS / LVDM. Данная микросхема имеет специальный вход управления мощностью дифференциальных выходов, который позволяет выбирать режим, соответствующий стандартам LVDS или LVDM. Функциональная схема 5529ТР015-696 показана на рис.7.
Полное подробное описание базовых кристаллов серии 5529 и микросхем, представленных в данной статье, приведено в книге [3].
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57815X0104.
ЛИТЕРАТУРА
1. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработки НПК "Технологический центр" для применения в аппаратуре космического назначения // Международная конференция "Микроэлектроника 2015". Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение : Сб.тезисов. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 74–77.
2. ANSI/TIA/EIA-644, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits, March 1996.
3. Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А. и др. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пособ. / Под общ. ред. А.Н.Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
При проектировании аппаратуры довольно часто возникают проблемы согласования сигналов между микросхемами. В подобных случаях применение больших интегральных схем, таких как ПЛИС, может быть не целесообразным. Для этих задач в настоящее время широко используются микросхемы согласующей логики в микроминиатюрных корпусах. В большинстве своем это микросхемы инверторов или логических элементов с малым количеством входов. Серии таких микросхем малой степени интеграции занимают свою нишу на рынке микроэлектроники, имеют широкую номенклатуру и в больших количествах выпускаются для коммерческого и промышленного применений.
Для создания особо надежной аппаратуры специального и космического назначения с длительным сроком эксплуатации без возможности ремонта требуются микросхемы военного или космического уровня качества. При ее разработке и производстве вся применяемая электронная компонентная база подвергается дополнительным отбраковочным испытаниям (ДОИ). ДОИ – это длительные и дорогостоящие испытания, которые проводятся для каждой партии и каждого типа микросхем. Соответственно, чем шире номенклатура применяемых в аппаратуре микросхем, тем существеннее затраты на ДОИ. При этом, потребность в микросхемах малой степени интеграции, как правило, мала (единицы, десятки штук), однако их номенклатура может быть значительной.
Перечисленные выше факторы говорят о необходимости создания функционально гибких, универсальных микросхем, способных выполнять функции схем малой степени интеграции и имеющих высокую надежность для применения в аппаратуре космического назначения.
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ МАЛОЙ СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ
В НПК "Технологический центр" на основе младшего типа базового кристалла серии 5529 были разработаны две многофункциональные цифровые микросхемы 5529ТР015-674 и 5529ТР015-675 для аппаратуры космического назначения, позволяющие заменить большинство типов микросхем малой степени интеграции.
При проектировании многофункциональных микросхем необходимо было достигнуть компромисса между функциональной гибкостью и простотой реализации. Был применен способ выбора функции с помощью дешифрации ее адреса, задаваемого подключением к "питанию" или "земле" специальных внешних выводов микросхемы. Структурная схема БИС серии многофункциональных микросхем представлена на рис.1. Адрес сконфигурированной функции поступает на дешифратор выбора функции. Выходы дешифратора мультиплексируют входы и выходы микросхемы к блоку, реализующему соответствующую адресу функцию. Такой способ является достаточно простым и надежным, так как не использует ячейки памяти для конфигурирования микросхемы. Количество возможных реализуемых функций при таком способе конфигурирования равно 2N, где N – количество адресных выводов, что обеспечивает достаточную функциональную гибкость. Также важными характеристиками микросхем серии являются небольшие габариты, надежность работы и устойчивость к воздействию специальных факторов.
Для определения набора функций, планируемых для реализации в микросхеме 5529ТР015-674, был проведен анализ серий 54 (74), 4000 и отечественных микросхем малой степени интеграции. На основании результатов анализа были выбраны наиболее востребованные функции. Многофункциональная цифровая микросхема последовательностной логики 5529ТР015-674 имеет восемь информационных выходов, десять информационных и семь адресных входов и реализует 124 функции следующих типов:
• логические элементы и разветвители;
• цифровые компараторы;
• шифраторы;
• дешифраторы;
• мультиплексоры;
• сумматоры;
• формирователи;
• RS, D и JK триггеры;
• регистры с записью по фронту и по уровню синхросигнала;
• сдвиговые регистры;
• счетчики Джонсона;
• двоичные и двоично-десятичные счетчики.
Некоторые микросхемы 74-й серии, функционально аналогичные реализованным в микросхеме 5529ТР015-674 функциям, представлены в таблице.
Многофункциональная цифровая микросхема 5529ТР015-675 реализует 511 различных комбинационных логических функций, имеет восемь информационных выходов, а также восемь информационных и девять адресных входов. В микросхеме представлены все возможные логические функции при двух и трех входных переменных, а также потенциально наиболее используемые варианты функций с большим числом переменных [1]. Для большей гибкости применения микросхемы в одной функции определено сразу восемь различных комбинационных функций. В качестве примера ниже представлены логические функции, выполняемые микросхемой и соответствующие конфигурационному адресу "054" (их графическое изображение показано на рис.2):
МИКРОСХЕМЫ
LVDS / LVDM-ПРИЕМНИКОВ И ПЕРЕДАТЧИКОВ
Помимо многофункциональных микросхем, в НПК "Технологический центр" также была разработана серия микросхем приемников и передатчиков стандартов низковольтной дифференциальной линии связи LVDS и LVDМ [2].
Микросхемы 5529ТР015-688 и 5529ТР015-698 представляют собой восемь передатчиков дифференциальной линии LVDS и восемь передатчиков дифференциальной линии LVDM соответственно. Их функциональная схема представлена на рис.3.
Микросхема 5529ТР015-689 содержит по четыре передатчика дифференциальной линии LVDS и приемника дифференциальной линии LVDS / LVDM, а микросхема 5529ТР015-699 – по четыре передатчика дифференциальной линии LVDM и приемника дифференциальной линии LVDS / LVDM. Функциональная схема 5529ТР015-689 и 5529ТР015-699 приведена на рис.4.
Микросхема 5529ТР015-697 содержит восемь приемников дифференциальной линии LVDS / LVDM. Ее функциональная схема представлена на рис.5.
Микросхема 5529ТР015-695 включает четыре полудуплексных приемопередатчика многоточечной дифференциальной линии M-LVDS. Функциональная схема 5529ТР015-695 приведена на рис.6.
Микросхема 5529ТР015-696 представляет собой коммутатор двух двухразрядных шин дифференциальных линий LVDS / LVDM. Данная микросхема имеет специальный вход управления мощностью дифференциальных выходов, который позволяет выбирать режим, соответствующий стандартам LVDS или LVDM. Функциональная схема 5529ТР015-696 показана на рис.7.
Полное подробное описание базовых кристаллов серии 5529 и микросхем, представленных в данной статье, приведено в книге [3].
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57815X0104.
ЛИТЕРАТУРА
1. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработки НПК "Технологический центр" для применения в аппаратуре космического назначения // Международная конференция "Микроэлектроника 2015". Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение : Сб.тезисов. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. С. 74–77.
2. ANSI/TIA/EIA-644, Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits, March 1996.
3. Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А. и др. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пособ. / Под общ. ред. А.Н.Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Отзывы читателей
