Области применения и особенности проектирования программируемой аналоговой интегральной схемы КомПАС-1 (5400ТР035)

1.

Основные характеристики,
области применения и особенности
проектирования программируемой
аналоговой интегральной схемы
КомПАС-1 (5400ТР035)
Зеленоград
2016 г.

2. Описание микросхемы

• многофункциональная программируемая пользователем
аналоговая интегральная схема (ПАИС)
• развитие серии конфигурируемых аналого-цифровых
микросхем 5400
• конфигурирование путем программирования электрических
связей между встроенными блоками на стороне пользователя
• выполнена по КМОП КНИ технологическому процессу
• размещается в 48-выводном компактном металлокерамическом
корпусе 5142.48-А
2

3. Характеристики стойкости микросхемы

• температурный диапазон работы микросхемы от –60 до 85°C
• наработка на отказ составляет не менее 160 тыс. ч.
• отличается
высокой
стойкостью
к
специальным
воздействующим факторам
Оценка стойкости к воздействию специальных факторов
7.И1
5Ус
ВПР (7.И8)
1,5 мс
7.К1
5×1К
7.И6
5Ус
7.И12
-
7.К4
0,25×1К
7.И7
4Ус
7.И13
-
7. К (совм.)
0,5 × 1К
7.К9(7.К10)
60
МэВ*см2/
мг
7.К11(7.К12)
60
МэВ*см2/
мг
7.С1
7.И8
5Ус
0,5 × 1Ус
7.С4
0,5 × 5Ус
3

4. Программирование микросхемы

• 2 способа программирования:
многократное без записи в энергонезависимую память
(«SOFT»)
однократное с записью энергонезависимую память
(«HARD»)
• содержит
модули,
предназначенные
для
программирования узлов с произвольной электрической
схемой на уровне отдельных транзисторов, резисторов и
конденсаторов
4

5. Структурная схема разработанной микросхемы ПАИС

17
16
С1
1,7,
18,24, PR1-PR7
30, 36,
43
A4
20
DIN
21
A5
БВВ 1
CB
БУБ 1
БПК 1
БУБ 2
БПК 2
CB
БВВ 2
БУБ 3
БПК 3
БУБ 4
БПК 4
БУБ 5
БУБ 6
БВВ 4
БПК 6
БУБ 7
БПК 7
БУБ 8
БПК 8
БВВ 5
БУБ 9
БПК 9
БУБ 10
БПК 10
12,28,
34,45
VDDA
13,26, VDD18
39,47
БВВ 6
БУБ 11
БПК 11
БУО 8
БПК 19
БУО 9
БПК 20
БУО 10
БПК 21
БУО 11
БПК 22
БПК 29
БУО 19
БПК 30
БУО 20
БПК 31
БУО 21
БПК 32
БУО 22
БПК 33
CB
БСК 7
CB
CB
CB
ИОН 2
Ref1.8В
БУБ 16
БПК 38
6
БВВ 17
A2
4
БВВ 16
A1
2
CB
CB
БПК 39
CB
БУБ 18
БПК 40
БУБ 19
БПК 41
БУБ 20
БПК 42
БУБ 21
БПК 43
БУБ 22
БПК 44
БВВ 15
A18 48
CB
CB
БВВ 14
CB
CB
ИОН 1
БПК 37
CB
CB
БСК 9
БУБ 15
CB
CB
БСК 8
БПК 36
CB
БУО 18
A3
CB
БУБ 17
БПК 28
БВВ 18
CB
CB
БУО 17
CB
CB
БПК 27
CB
БСК 6
CB
CB
A9
БСК 5
CB
CB
29
БПК 18
БПК 26
10
9
8
5
БУО – блок усилительный
общего применения (блок ОУ и
компараторов
общего
применения)
CB
CB
БУО 16
CB
БПК 35
БУБ 14
CB
БПК 17
БУБ 13
CB
БУО 15
CB
БПК 34
CB
БПК 25
MUX0
MUX1
MUX2
MUXIO
CB
БУБ 12
CB
CB
БСК 4
CB
CB
A8
БСК 3
БПК 16
БУО 7
БПК 24
БУО 14
CB
БУО 6
БУО 13
CB
БПК 15
CB
CB
27
БСК 2
БПК 14
CB
БПК 23
CB
CB
БУО 5
CB
БУО 12
CB
БСК 1
CB
БУО 4
БПК 5
CB
CB
CB
CB
A7
БПК 13
БУО 3
CB
25
БУО 2
CB
CB
БВВ 3
БПК 12
CB
CB
A6
SFT
АМ
CB
БУО 1
CB
CB
23
14
HRD
ФТС
CB
19
15
С2
БВВ 13
CB
CB
CB
CB
CB
БВВ 7
БВВ 8
БВВ 9
БВВ 10
БВВ 11
БВВ 12
A10
A11
A12
A13
A14
A15
31
33
35
38
40
42
пассивных
БСК
–
блок
конфигурации.
свободной
БВВ – блок ввода/вывода.
CB
CB
БПК
–
блок
компонентов.
A17 46
CB
CB
БУБ
–
быстродействующий
усилительный
блок
(блок
быстродействующих
ОУ
и
быстродействующих
компараторов).
A16 44
VSSA 3,11,22,
32,37,41
АМ
–
мультиплексор.
аналоговый
ФТС – формирователь тактовых
сигналов.
5

6. Конструктивные особенности

• Программируемое ядро микросхемы (9 блоков свободной
конфигурации, 22 усилительных блока, 22 прецизионных
усилительных блока и 44 блока пассивных компонентов)
размещено в регулярной структуре
• Между блоками расположены шины программируемой
межблочной трассировки
• программируемые
блоки
ввода/вывода
(18
шт.)
расположены по периферии кристалла
• встроенный 8-канальный мультиплексор
• программируемый ИОН
6

7. Область применения

• схемы первичной обработки аналоговых сигналов
(усилительные каскады, буферы-повторители и т.д.);
• прием, усиление и обработка сигналов с различных
датчиков;
• построение схем управления (мониторы питания и т.д.);
• прочие схемы (формирователь опорных уровней,
генератор и т.д.)
7

8. Усилительный блок (УБ) прецизионный (PAU)

INP – неинвертирующий вход ОУ
INM – инвертирующий вход ОУ
OUTP – неинвертирующий выход ОУ
OUTM – инвертирующий выход ОУ
OUTC – выход компаратора
IB – вывод для подключения токозадающих
резисторов
A и B – выбор режима работы блока PAU
Общий вид блока
8

9.

Усилительный блок (УБ) прецизионный (PAU)
A
B
Режим работы
0
0
Компаратор, выход OUTC
0
1
ОУ общего применения, выход OUTP
1
0
Полностью дифференциальный ОУ, выход OUTP и OUTM
1
1
Комбинация не допустима
Вес ключа
64
32
16
8
4
2
1
Ключ
потенциометра
7 (старший разряд)
6
5
4
3
2
1 (младший разряд)
Y
X
INM
OUTP
INP
OUTM
A
B
9

10.

Усилительный блок (УБ) прецизионный (PAU)
Типовые характеристики блока:
Коэффициент усиления – 100 дБ
Напряжение смещения – 4,2 мВ
Задержка переключения компаратора – 0,3 мкс
Входной ток ОУ <1 нА
Скорость нарастания выходного напряжения – 5 В/мкс
Температурный дрейф смещения нуля – 10 мкВ/°С
Частота единичного усиления – 1 МГц
Возможна реализация следующих схем:
Прецизионный компаратор
Прецизионный компаратор с гистерезисом
Дифференциальный ОУ
Полностью дифференциальный ОУ
Усилитель с программируемым коэффициентом усиления
Полностью дифференциальный усилитель с программируемым
коэффициентом усиления
Программируемые делители напряжения с буфером и без него
10

11. Усилительный блок (УБ) общего применения (CAU)

INP – неинвертирующий вход ОУ
INM – инвертирующий вход ОУ
OUT – выход ОУ
IB – вывод для подключения
токозадающих резисторов
B2
0
0
0
0
1
1
1
1
B1
0
0
1
1
0
0
1
1
B0
0
1
0
1
0
1
0
1
C, пФ
0
125
250
375
500
625
750
875
Общий вид блока
11

12. Усилительный блок (УБ) общего применения (CAU)

Типовые характеристики блока:
Коэффициент усиление – 90 дБ
Напряжение смещения – 5 мВ
Задержка переключения компаратора – 0,2 мкс
Входной ток ОУ <1 нА
Скорость нарастания выходного напряжения – 5 В/мкс
Температурный дрейф смещения нуля – 10 мкВ/°С
Частота единичного усиления – 13 МГц
Возможна реализация следующих схем:
Буферный единичный повторитель;
Компаратор;
Компаратор с гистерезисом;
Операционный усилитель с различной частотной коррекцией;
Усилитель с заданным программируемым коэффициентом усиления;
Делитель напряжения с буфером и без него.
12

13. Блок пассивных компонентов (PPC)

Общий вид блока
2 программируемых резистора (максимальное сопротивление 500 кОм),
2 конденсатора (8,34 пФ)
набор коммутационных ключей
13

14. Блок ввода/вывода PADDR

Общий вид блока
Выходные сигналы могут быть выведены на площадки напрямую либо через
аналоговый или цифровой буфер:
• аналоговый буфер построен на основе операционного усилителя с
нагрузочной способностью 30 мА
• цифровой буфер используется для вывода сигналов с выходов
компараторов
14

15. Коммутационный блок CB

Сопротивление разомкнутого ключа
>1ГОм
Сопротивление замкнутого ключа:
600 Ом (при напр. питания 5 В)
900 Ом (при напр. питания 3,3 В).
Общий вид блока
15

16. Блок свободной конфигурации SPM

Общий вид блока
На основе блока свободной конфигурации SPM можно строить произвольные схемы,
состоящие из n-МОП (w = 20u, l = 1u) и p-МОП (w = 20u, l = 1u) транзисторов числом до
32 каждого, резисторов (100 кОм, 20 кОм) и конденсаторов (1 пФ).
16

17. Вспомогательные блоки

Источник опорного напряжения:
Подстройка путем программирования
Номинальное напряжение – 1 В
Допускаемое отклонение напряжения – 5%
Мультиплексор 8-канальный:
Сопротивление открытого ключа – 30 Ом
Сопротивление закрытого ключа >1 ГОм
Ток утечки <1 нА
Период переключения каналов <1 мкс
MUX2
0
0
0
0
VDDA
VDDA
VDDA
VDDA
MUX1
0
0
VDDA
VDDA
0
0
VDDA
VDDA
MUX0
0
VDDA
0
VDDA
0
VDDA
0
VDDA
MUXIO
i0 (ИОН)
i1 (конф. код)
i2
i3
i4
i5
i6
i7
17

18. Характеристики микросхемы

Типовая зависимость выходного напряжения источника опорного
напряжения при напряжении питания UCC = 5 В
Типовая зависимость выходного напряжения источника опорного
напряжения от напряжения питания при температуре T = 25°C
Типовая зависимость сопротивления коммутационной матрицы
от температуры при напряжении питания UCC = 5 В
Типовая зависимость сопротивления коммутационной матрицы от
напряжения питания при температуре T = 25°C
18

19. Характеристики микросхемы

Типовая зависимость сопротивления блока пассивных
компонентов от температуры при напряжении питания UCC = 5 В
Типовая зависимость сопротивления блока пассивных
компонентов от напряжения питания при температуре T = 25°C
Типовая зависимость напряжения питания триггеров ОЗУ от
температуры при напряжении питания UCC = 5 В
Типовая зависимость напряжения питания триггеров ОЗУ от
напряжения питания при температуре T = 25°C
19

20. Характеристики микросхемы

Типовая зависимости задержки переключения компараторов
общего применения от температуры при UCC = 5 В
Типовая зависимость задержки переключения
быстродействующего компаратора от температуры при
напряжении питания UCC = 5 В
Типовая зависимости задержки переключения компараторов общего
применения от напряжения питания при температуре T = 25°C
Типовая зависимость задержки переключения
быстродействующего компаратора от напряжения питания при
температуре T = 25°C
20

21. Характеристики микросхемы

Типовая зависимость напряжения смещения ОУ общего
применения от температуры при UCC = 5 В
Типовая зависимость напряжения смещения ОУ общего применения
от напряжения питания при температуре T = 25°C
Типовая зависимость напряжения смещения
быстродействующего ОУ от температуры при UCC = 5 В
Типовая зависимость напряжения смещения быстродействующего
ОУ от напряжения питания при температуре T = 25°C
21

22. Характеристики микросхемы

Типовая зависимость коэффициента усиления ОУ общего
применения от температуры при UCC = 5 В
Типовая зависимость коэффициента усиления ОУ общего применения
от напряжения питания при температуре T = 25°C
Типовая зависимость коэффициента усиления
быстродействующего ОУ от температуры при UCC = 5 В
Типовая зависимость коэффициента усиления быстродействующего
ОУ от напряжения питания при температуре T = 25°C
22

23. Д-триггер на основе блока свободной конфигурации

VDD
Q
nQ
D
CLK
Структурная схема
23

24. Пиковый детектор на основе блока свободной конфигурации

VDD
IN
OUT
Структурная схема
24

25. Исследования микросхемы

Усилительный блок (УБ) общего
применения (CAU)
Усилительный блок (УБ) прецизионный
(PAU)
25

26. Тестовая прошивка микросхемы

INP_OA
19
21
23
OUT_OA
33
INP_С
INM_OA
INM_FOA
ОУ общего
применения
Быстродействующий
ОУ
INP_FOA
OUT_FOA
INM_FC
INM_С
35
38
OUT_С
16
С2
17
С1
Компаратор
общего
применения
Компаратор
быстродействующий
Формирователь
тактовых
сигналов
Цифровой
блок
SFT
HRD
3,11,22,32,37,41
VSSA
DIN
PR1-PR7
VDDA
VDD18
27
29
31
OUT_FC
40
42
44
IND
46
OUTD
48
INP_FC
14
15
20
1,7,18,24,30,36,43
12,28,34,45
13,26,39,47
Схема электрическая структурная тестовой прошивки микросхемы 5400ТР035
26

27. Комплект для проектирования (программирования)

27

28. Примеры реализации маршрута проектирования с помощью САПР Electric

а) соединение точки A с точкой B
в) повторитель на блоке CAU
1 – замкнутый ключ; 2 – разомкнутый ключ
б) инвертор, построенный в блоке SPM
1 – отрицательная обратная связь
OUT
INP
Эквивалентная схема повторителя
28

29. Работа с программатором

Внешний вид программы
Меню «Обновление»
Меню «Микросхема»
Меню «Помощь»
29

30. Работа с программатором

Меню «Программатор»
«Поиск»
поиск программатора. Рекомендуется
проводить проверку при включении
программатора.
«Установка
MUX»
выбор канала мультиплексора. По
умолчанию выбирается «Канал 0».
«Напряжение»
установка напряжения питания
микросхемы. По умолчанию после
программирования устанавливается
напряжение VDDU.
VDD3 – 3,3 В
VDD5 – 5 В
VDDU – пользовательское
напряжение.
30

31. Комплект отладочных плат

31