ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА

Transcript

1 ЕЛЕКТРОНСКИ ФАКУЛТЕТ У НИШУ ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА У складу са одредбама Правилника о поступку и начину вредновања, и квантативном исказивању научноистраживачких резултата истраживача, који је донео Национални савет за научни и технолошки развој Републике Србије («Службени гласник РС», бр. 38/008) достављам следеће податке. Обавезни подаци: Аутор/аутори решења: Срђан Ђорђевић, Дејан Мирковић, Миона Андрејевић Стошовић, Драгиша Миловановић Назив техничког решења: Конвертор једноструког у диференцијални аналогни сигнал у АMS CMOS 180nm технологији Категорија техничког решења (навести према одредбама Правилника садржаним у НАПОМЕНИ* ): прототип, нове методе, софтвер, инструмент, нове генске пробе, микроорганизми и сл. развој софтвера - M85 За кога је решење рађено и у оквиру ког пројекта МНТР: Ово техничко решење проистекло је из рада на пројекту под називом НАПРЕДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКОГ МЕРЕЊА, УПРАВЉАЊА И КОМУНИКАЦИЈЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОЈ ДИСТРИБУТИВНОЈ МРЕЖИ, које је финансирало Министарство просвете, науке и технолошког развоја Републике Србије под шифром ТР3004. Конвертор је пројектован у LEDA Лабораторији Електронског факултета Универзитета у Нишу, према спецификацијама корисника резултата EWG огранак Ниш. Ко решење користи тј. ко је прихватио-примењује решење: Коло конвертора једноструког у диференцијални аналогни сигнал пројектовано је по спецификацији корисника резултата истраживања а то је фирма EWG огранак Ниш. Ова фирма развија прототип трофазног вишефункциалног бројила и систем за даљинско очитавање и управљање потрошњом електричне енергије. Година када је решење урађено: 015. година

2 Како су резултати верификовани (од стране кога тела): Решење је верификовао корисник истраживања EWG огранак Ниш, из Ниша а затим је прихваћено од стране ресорног Министарства за просвету, науку и технолошки развој Републике Србије усвајањем завршног извештаја са пројекта под називом НАПРЕДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ ЕЛЕКТРОНСКОГ МЕРЕЊА, УПРАВЉАЊА И КОМУНИКАЦИЈЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОЈ ДИСТРИБУТИВНОЈ МРЕЖИ, под шифром ТР3004. На који начин се резултати користе Остварено техничко решење доступно је у виду нетлисте на транзисторском нивоу у оквиру библиотеке за CMOS технологију ams 0.18μ CMOS C18 6M/1P/MIM/1.8V/5V. Димензије компоненти у нетлисти се даље могу користити за физичку реализацију. Област на коју се техничко решење односи Описани конвертор сигнала намењен је примени у технологији мерења, контроле и управљања електричном енергијом. Ово коло може може наћи ширу примену као претпројектована структура у другим апликацијама где постоји потреба за конвертовањем једноструког у диференцијални сигнал. Проблем који се техничким решењем решава Познато је чињеница да је у великом броју аналогних електронских кола потребно да улазни сигнал буде диференцијалан ради постизања задовољавајућих карактеристика. Предности примене диференцијалног сигнала у односу на асиметричан сигнал су бројне и огледају се у смањењу хармонијских изобличења, повећању динамичког опсега, повећању односа сигнал-шум, потискивању сметњи које потичу од средње вредности сигнала итд. С обзиром да је врло често сигнал који се доводи на улаз електронског кола несиметричан намеће се потреба за применом конвертора једноструког сигнала у диференцијални. Коло конвертора које је описано у техничком решењу намењено је примени у интегрисаном мерачу потрошње електричне енергије и представља саставни део аналогно-дигиталног конвертора (ADC). Захтеви које треба да реализује коло условљени су карактеристикама сигнала који се доводи на улаз АDC. Конкретно, овим техничким решењем решава се проблем конверзије једноструког у диференцијални сигнал за потребе интегрисаног мерача потрошње ИМПЕГ3 које се реализује у технологији ams 0.18μ CMOS C18 6M/1P/MIM/1.8V/5V. Зато је оно саставни део аналогног дела овог чипа са мешовитим сигналима (Analog Front End AFE). Улазни сигнал садржи једносмерну компоненту од 0,75V и наизменичну амплитуде 50mV.

3 Стање решености овог проблема у свету Постоји више до сада публикованих реализација конвертора асиметричног сигнала у симетрични сигнала чије спецификације у великој мери зависе од примене. Једна од најчешћих и најједноставнијих реализација овог кола је дифренцијални појачавач са несиметричним улазом. С обзиром да реализација овог решења у интегрисаној техници није довољно ефикасна ми смо се определили за једно друго често примењивано решење према којем се конвертор реализује применом два операциона појачавача. Одабрана топологија кола је веома једноставна на блоковском нивоу и састоји се од инвертујућег појачавача и јединичног напонског појачавача. Ауторима није познато да је публикована реализација комплетног кола конвертора у технологији ams 0.18μ CMOS C18 6M/1P/MIM/1.8V/5V. Приликом пројектовања узете су обзир карактеристике несиметричног сигнала на улазу као и пожењне вредности сигнала на излазу. Објашњење суштине техничког решења и детаљан опис са карактеристикама, укључујући и пратеће илустрације и техничке цртеже Електрична шема основне конфигурације конвертора једноструког у симетрични диференцијални аналогни сигнал приказана је на слици 1. Симетричан излазни сигнал се добија као разлика два несиметрична сигнала, једног на излазу јединичног напонског појачавача V out+ (неинвертујући излаз), и другог на излазу инвертујућег појачавача V out- (инвертујући излаз). Напон на улазу кола V in садржи наизменичну компоненту напона амплитуде 50 mv као и једносмерну компоненту од 0,75V која је неопходна ради поларизације операционих појачавача. Аналитички израз за диференцијални излазни напон је: Vdiff R R 4 R V in 1 Vref 1 R1 R3 R4 R1 Вредности отпорника R 3 i R 4 морају да буду подешене тако да једносмерна компонента напона на излазу буде једнака нули. С обзиром да је V ref 1, 8V следи да је потребан однос отпорника R3 1, 4 R4. (1) Слика 1. Конвертор једноструког у диференцијални аналогни сигнал Приликом одређивања вредности отпорности потребно је направити баланс између вредности струје која протиче кроз ове компоненте и вредности шума који се у њима генерише. Што су мање вредност отпорности веће су струје и већа је потрошња док са друге стране повећање отпорности није пожељно у интегрисаној техници и доводи до

4 повећања термичког шума. Одабрано су следеће вредности отпорности R1 R R4 5 k и R3 7 k. Толеранција ових отпорности значајно утиче на преформансе кола. Операциони појачавач Први корак у структурном пројектовању кола је дефинисање топологије кола. На слици приказана је топологија стандардног тростепеног CMOS операционог појачавача који је коришћена за реализацију конвертора. Уобичајени поступак пројектовања операционог појачавча је да се најпре дефинише милерова капацитивност у повратној спрези другог степена C 0. Одабрана је вредност од 1pF. Након тога се задаје струја кроз дифернцијални пар транзистора из услова да се постигне задовољавајућа вредност брзине одзива на велике сигнале. За задату вредност производа појачање-пропусни опсег (gain-bandwidth GBW) из једначине () одређују се транскондуктансе транзистора М1 и М g f m1, gbwcl () На овај начин су дефинисане димензије транзистора у диференцијалном пару. Слика. Операциони појачавач са колом за поларизацију С обзиром да други пол преносне функције зависи од транскондуктансе транзистора М6 и од капацитивности C 0 док први пол зависи од g m6 и C 0, једноставно се долази до изразаз за маргину фазе. Транскондуктанса транзистора М6, g m6 одређује се на основу задате вредности маргине фазе. Једносмерно напонско појачање дефинисано је са: gm gm6 g A 9 0 m gds gds4 gds6 gds7 gm9 gds8 gds9 Приликом димензионисања компонената операционог појачавача неопходно је водити рачуна и о чињници да се вредност улазног и излазног напона за оба операциона појачавача конвертора крећу у опегу од 0,5 V до 1 V. То практично значи да овај (3)

5 напонски опсег мора бити унутар напонског опсега средње вредности сигнала на улазу и на излазу операционог појачавача. Уколико се усвоји вредност једносмерне струје кроз диференцијални пар транзистора (М1 и М) следи да је максимални улазни напон, при којем је М3 на граници засићења, одређен димензијама овог транзистора М3. Такође, минимална вредност улазног напона за усвојену струју дрејна зависи искључиво од димензија транзистора М5. Вредности максималног и мининалног напона на излазу операционог појачавача могу се подсесити димензијама транзистора М9 и М8, респективно. Табела 1: Димензије транзистора Неке значајније карактеристике испројектованог операционог појачавача дате су табели. Табела : Карактеристике операционог појачавача Bias коло Поларизација транзистора M5 i M7 се реализује коришћењем constant-gm извора константног напона. Bias коло се састоји од транзистора означених са MB0-MB6 на Слици. Примењени извор референтног напона заснива се на успостављању стабилне вредности стрмине која не зависи од напона напајања, технологије или варијација температуре. Димензије транзистора MB0 и MB1 су једнаке одакле следи да ће сви транзситори у колу за поларизацију имати исту вредност струје. Из једначине контуре која обухвата отпорник R B, напоне између гејта и сорса транзистора MB0 и MB1 добија се израз за транскодуктансу транзистора MB5 из којег се види да ова величина зависи само од димензија транзистора и отпорности R B. W L15 W L13 R W L 15 gm5 (4) B Уколико се занемари модулација дужине канала добија се следећи израз за струје дрејна транзистора: I D C n 0x R B L W 1 1 L W (5)

6 На основу претходног израза и релације између струје дрејна и напона гејт-сорс прорачунате су димензије транзистора и отпорност R B за које се добија напон од 1,3 V на гејту транзистора MB0. Верификација Коначно функционалност пројектованог кола је проверена коришћењем virtuoso симулатора. Апсолутно одступање диференцијалног излазног напона пројектованог кола у односу на иделани конвертор асиметричног у симетрични напон приказана је на слици 3. На основу добијених резултата може се закључити да је релативно одступање излазног напона не премашује вредност од 1,5 промил. Слика 3. Апсолутно одступање диференцијалног излазног напона пројектованог кола у односу на иделани конвертор једноструког у диференцијални аналогни сигнал На слици 4 приказана је амплитудска карактеристика напонског појачања реализованог кола. Гранична фреквенција износи око 00 MHz што је за намену конвертора задовољавајућа вредност. A [db] f [Hz] Слика 4. Амплитудска карактеристика конвертора једноструког у диференцијални аналогни сигнал

7