Radioelektronik Audio-HiFi-Video 10/2001

Uk³ady, oznaczone

symbolem AVC

charakteryzuj¹ siê bardzo

krótkim czasem

propagacji przy niskim

napiêciu zasilaj¹cym.

N

iedawno firma Texas Instruments

dostarczy³a na rynek seriê uk³a-

dów logicznych oznaczonych

symbolem AVC (Advanced Very-

low-voltage CMOS), który mo¿na rozszyfro-

waæ jako zaawansowane techniczne uk³ady

CMOS przeznaczone do pracy z bardzo ni-

skimi napiêciami zasilania. Uk³ady charakte-

ryzuj¹ siê rekordowo krótkim czasem propa-

gacji, mniejszym ni¿ 2 nanosekundy, przy

napiêciu zasilaj¹cym 2,5 V. Oczekuje siê, ¿e

takie uk³ady przyczyni¹ siê w przysz³oœci do

powstania nowoczesnych systemów elek-

troniki cyfrowej, odznaczaj¹cych siê niespo-

tykan¹ dotychczas szybkoœci¹. Uk³ady serii

AVC zosta³y zaprojektowane dla optymal-

nego dla nich napiêcia zasilania 2,5 V, jednak-

¿e mog¹ byæ równie¿ stosowane w syste-

mach wykorzystuj¹cych wiele ró¿nych pozio-

mów zasilania (mixed-voltage systems).

W rzeczywistoœci uk³ady serii AVC mog¹ po-

prawnie pracowaæ w szerokim zakresie na-

piêæ zasilaj¹cych, rozci¹gaj¹cym siê od

1,2 V do 3,3 V.

UK£ADY LOGICZNE CMOS

O BARDZO NISKICH

NAPIÊCIACH ZASILANIA

Ponadto w uk³adach AVC firma Texas

Instruments zastosowa³a po raz pierwszy swo-

je nowatorskie rozwi¹zanie polegaj¹ce na dy-

namicznej kontroli wyjœcia uk³adów

DOC

TM

(Dynamic Output Control). Rozwi¹za-

nie to polega na automatycznym sterowaniu

wartoœci¹ impedancji wyjœcia uk³adu, podczas

transmisji sygna³u, w celu redukcji szumów.

Panuj¹ce obecnie w elektronice cyfrowej

trendy preferuj¹ rozwi¹zania, które odznacza-

j¹ siê niskim poborem mocy, niskimi pozioma-

mi napiêæ zasilaj¹cych, du¿¹ szybkoœci¹

dzia³ania i mo¿liwoœci¹ pracy w warunkach

du¿ego obci¹¿enia. Zatem wielu projektantów

systemów elektroniki cyfrowej przechodzi

z poziomu napiêcia 3,3 V na 2,5 V. Zwiêksza-

j¹ siê tak¿e stosowane czêstotliwoœci takto-

wania magistrali przesy³u danych, które czê-

sto przekraczaj¹ ju¿ w chwili obecnej 100

MHz. Jednak¿e przy d¹¿eniu do osi¹gniêcia

jak najlepszych wartoœci parametrów nie

mo¿na doprowadziæ do sytuacji utraty przez

sygna³ jego integralnoœci. Przez integralnoœæ

sygna³u (signal integrity) nale¿y rozumieæ

zachowanie przez sygna³ podstawowych

cech decyduj¹cych o jego to¿samoœci. Cho-

dzi o to, aby sygna³ nie zosta³ zniekszta³co-

ny w stopniu uniemo¿liwiaj¹cym wy³owienie

zawartej w nim informacji. W zwi¹zku z po-

wy¿szym rodzina uk³adów AVC zosta³a za-

projektowana tak, aby sprostaæ wymaga-

niom stawianym przez nowoczesne systemy,

takie jak stacje robocze o wielkiej mocy obli-

r

PODZESPO£Y

22

czeniowej, komputery PC, urz¹dzenia sieci

komputerowych i sieci telekomunikacyjnych.

Szybkoœæ dzia³ania uk³adów AVC

Tradycyjnie, projektanci urz¹dzeñ cyfrowych

chc¹c uzyskaæ wiêksz¹ szybkoœæ transmisji

danych musieli pogodziæ siê z przynajmniej

czêœciow¹ utrat¹ integralnoœci sygna³ów.

Uk³ady rodziny AVC s¹ pierwszymi tego ty-

pu urz¹dzeniami, które jednoczeœnie oferu-

j¹ zarówno niezwykle krótkie czasy propaga-

cji, jak i zapewniaj¹ wysoki stopieñ integral-

noœci sygna³ów. Zmniejszenie poziomów na-

piêæ zasilaj¹cych powoduje, ¿e ró¿nica na-

piêæ dla stanu logicznej jedynki i logicznego

zera równie¿ maleje. Z kolei im mniejsza jest

ró¿nica napiêcia miêdzy stanem wysokim _

logicznej jedynki, a stanem niskim _ logicz-

nego zera, tym szybciej mo¿e zostaæ doko-

nane przejœcie miêdzy tymi stanami. W ten

sposób zastosowanie ni¿szych napiêæ zasi-

laj¹cych toruje drogê do budowy szybszych

urz¹dzeñ. Niestety, nawet w przypadku ob-

ni¿onych napiêæ zasilaj¹cych, zwiêkszenie

szybkoœci narastania zboczy sygna³ów ozna-

cza zawsze wzrost zniekszta³ceñ sygna³u.

Zawsze im szybciej dokonywane jest przej-

œcie miêdzy dwoma stanami logicznymi, tym

przez d³u¿szy czas sygna³ przybiera warto-

œci le¿¹ce poni¿ej (undershoot) b¹dŸ powy-

¿ej (przerzut _ overshoot) wymaganego po-

ziomu. Zatem tradycyjnie integralnoϾ

Rys. 1. Porównanie wykresów czasowych sygna³ów wyjœciowych podczas

prze³¹czania poziomów dla nowoczesnych uk³adów AVC (kolor czerwony)

oraz starszych uk³adów ALVCH z zewnêtrznymi rezystorami (kolor zielony)

i bez takich rezystorów (kolor ¿ó³ty)

22 26 30 34 38 42 46 50 54 58

20,7 21,4 22,1 22,8 23,5 24,2 24,9 25,6 26,3

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

_0,5

_1,0

_1,5

2,32

2,01

1,81

1,55

1,29

1,03

0,77

0,52

0,25

0

Napiêcie wyjœciowe [V]

Napiêcie wyjœciowe [V]

Czas [ns]

Czas [ns]

Rys. 2. Wykres narastania napiêcia wyjœciowego w uk³adzie AVC

podczas zmiany stanu z poziomu niskiego na wysoki

Obszar 1

Obszar 3

Obszar 2

23

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 10/2001

sygna³u by³a zawsze poœwiêcana dla po-

trzeb uzyskania wiêkszej szybkoœci.

W typowych rozwi¹zaniach projektanci sto-

sowali najczêœciej zewnêtrzne rezystory,

które po pod³¹czeniu do obwodów wyjœcio-

wych utrzymywa³y zawartoœæ zniekszta³ceñ

na dopuszczalnym poziomie. Niestety takie

rozwi¹zanie wi¹za³o siê zawsze z dodatko-

wymi kosztami i z wymaganiami dostêpnoœci

dodatkowej przestrzeni na p³ytkach obwodów

drukowanych. W zwi¹zku z tym pojawi³y siê

rozwi¹zania o nazwie Series Damping Resi-

stors, które polega³y na wbudowywaniu rezy-

storów w wyjœciowe obwody scalone urz¹-

dzeñ. Rozwi¹zanie takie eliminowa³o potrze-

bê zastosowania zewnêtrznych rezystorów.

Niestety jego du¿¹ wad¹ by³o wydatne

zmniejszenie szybkoœci pracy urz¹dzeñ. Do

chwili obecnej urz¹dzenia z rodziny ALVC

(Advanced Low-Voltage CMOS), w których

montowane by³y wewnêtrzne rezystory, by-

³y najlepszymi rozwi¹zaniami dostêpnymi na

rynku, zapewniaj¹cymi du¿¹ szybkoœæ dzia-

³ania i nie prowadz¹cych do widocznej utra-

ty integralnoœci sygna³ów.

Z kolei, wprowadzenie uk³adów rodziny AVC

koñczy definitywnie erê kompromisu miêdzy

szybkoœci¹ dzia³ania a integralnoœci¹ sygna-

³ów. Bowiem zastosowanie uk³adów dyna-

micznej kontroli wyjœcia DOC

TM

powoduje au-

tomatyczne zmniejszenie impedancji wyj-

œciowej uk³adu podczas transmisji sygna³u.

Z kolei, gdy wartoϾ transmitowanego sy-

gna³u przekroczy wartoœæ progow¹ napiê-

cia, uk³ad DOC

TM

automatycznie zwiêksza

impedancjê wyjœciow¹ uk³adu, aby zmini-

malizowaæ zniekszta³cenie powsta³e pod-

czas narastania zbocza sygna³u.

Na rys. 1 zamieszczono wykresy napiêæ wyj-

œciowych dla trzech ró¿nych typów uk³adów

logicznych wykonanych technologi¹ CMOS.

Pierwsza czêœæ wykresu odpowiada proce-

sowi narastania poziomu napiêcia wyjœciowe-

go podczas przechodzenia ze stanu niskie-

go w stan wysoki. Z kolei na drugiej czêœci za-

mieszczonych na rys. 1 wykresów widaæ

opadanie zboczy sygna³ów wyjœciowych przy

przejœciu ze stanu wysokiego w niski. Z rys.

1 widaæ, ¿e nowoczesne uk³ady serii AVC

(wykres czerwony) wypadaj¹ znacznie korzy-

stniej ze starszymi uk³adami z rodziny

ALVCH. Wykres w kolorze ¿ó³tym odpowia-

da uk³adowi ALVCH, który nie wspó³pracuje

z zewnêtrznymi rezystorami _ w tym przypad-

ku uzyskany przebieg napiêcia wyjœciowego

ma najgorsz¹ jakoœæ. Z kolei na wykresie

w kolorze zielonym widzimy, ¿e zastosowa-

nie zewnêtrznych rezystorów wspó³pracuj¹-

cych z uk³adem ALVCH przynosi znaczn¹ po-

prawê, je¿eli chodzi o wielkoœci przesterowañ,

niestety widaæ tak¿e wyraŸne opóŸnienie

czasu prze³¹czania miêdzy poziomami na-

piêæ. Zatem uk³ad AVC wypada tutaj najlepiej,

poniewa¿ zapewnia zarówno najmniejsze

wartoœci przesterowañ zniekszta³ceñ i jedno-

czeœnie najkrótszy czas prze³¹czania.

Na rys. 2 przedstawiono proces narastania

zbocza sygna³u. W procesie tym mo¿na wy-

ró¿niæ trzy obszary, oznaczone na rysunku ja-

ko obszary 1, 2 i 3. Pierwszy z nich odpowia-

da stanowi ustalonemu, w którym napiêcie

wyjœciowe ma wartoœæ odpowiadaj¹c¹ pozio-

mowi niskiemu. W obszarze drugim mamy do

czynienia z szybkim narastaniem zbocza sy-

gna³u, impedancja wyjœciowa uk³adu jest

wówczas automatycznie zmniejszana do

niewielkich wartoœci. Z kolei w obszarze trze-

cim wartoœæ impedancji wyjœciowej uk³adu jest

ponownie zwiêkszana, aby unikn¹æ wyst¹pie-

nia przesterowañ _ sygna³ wówczas ³agodnie

(bez oscylacji) zmierza do swego górnego

poziomu.

Pobór mocy uk³adów AVC

D¹¿enie do zmniejszenia zapotrzebowania

na dostarczan¹ moc elektryczn¹ jest jed-

nym z podstawowych kierunków we wspó³-

czesnej elektronice cyfrowej. Jest bowiem

rzecz¹ szczególnie istotn¹ zwiêkszenie do-

stêpnego czasu pracy przenoœnych urz¹-

dzeñ z zasilaniem bateryjnym. Równie¿

zmniejszenie iloœci wydzielaj¹cego siê w urz¹-

dzeniach elektronicznych ciep³a znacznie

u³atwia proces jego odprowadzenia oraz

umo¿liwia wydatne zmniejszenie wymiarów

urz¹dzeñ. To z kolei prowadzi bezpoœrednio

do mo¿liwoœci wytwarzania mniejszych, l¿ej-

szych i tañszych urz¹dzeñ.

Skutecznym sposobem zmniejszenia pobo-

ru mocy przez urz¹dzenia elektroniki cyfrowej

jest obni¿enie ich napiêæ zasilaj¹cych.

W zwi¹zku z tym uk³ady rodziny AVC zo-

sta³y zaprojektowane z myœl¹ o wspó³pracy

z napiêciami zasilaj¹cymi 2,5 V, aby jedno-

czeœnie zwiêkszyæ ich szybkoœæ dzia³ania

oraz zmniejszyæ zapotrzebowanie na moc.

Zaprojektowanie uk³adów rodziny AVC nie

polega³o po prostu na przeskalowaniu w dó³

wczeœniej opracowanych uk³adów zgodnych

ze standardem 3,3 V LVTTL. Wrêcz przeciw-

nie, uk³ady AVC zosta³y na nowo zaprojekto-

wane, a ich charakterystyki zoptymalizowa-

no przy napiêciu zasilaj¹cym 2,5 V.

Inne interesuj¹ce rozwi¹zania

zastosowane w uk³adach AVC

Uk³ady rodziny AVC wyposa¿ono w specjal-

ne zabezpieczenie zwane Partial Power Do-

wn. Mianowicie, wszystkie wejœcia i wyjœcia

uk³adów AVC zosta³y zaprojektowane w ten

sposób, ¿e tzw. zwrotne œcie¿ki pr¹dowe

(revers-current paths) do wejœcia zasilaj¹-

cego U

CC

zosta³y zablokowane. Rozwi¹za-

nie takie umo¿liwia pod³¹czenie uk³adów

AVC do magistrali, która jest w stanie ak-

tywnym, w przypadku zaniku napiêcia zasi-

laj¹cego uk³ad (U

CC

= 0 V). Gdyby takiego

zabezpieczenia nie by³o, uk³ad móg³by ulec

zniszczeniu. Schemat blokowy obwodów za-

bezpieczaj¹cych typu Partial Power Down za-

mieszczono na rys. 3.

Kolejnym ciekawym rozwi¹zaniem zastoso-

wanym przez firmê Texas Instruments w przy-

padku uk³adów AVC jest tzw. funkcja bus-

hold. Uk³ad wyposa¿ony w tak¹ funkcjê au-

tomatycznie zapamiêtuje ostatni stan sygna-

³u wejœciowego i nastêpnie mo¿e przez do-

wolnie d³ugi okres czasu utrzymywaæ swoje

wyjœcie w po¿¹danym stanie logicznym.

Rodzaje uk³adów AVC

Obecnie firma Texas instruments oferuje kil-

kadziesi¹t ró¿nych typów uk³adów nale¿¹-

cych do rodziny AVC. Poni¿ej zamieszczono

kilka wybranych przyk³adów uk³adów z rodzi-

ny AVC, podaj¹c oznaczenie typu uk³adu

oraz spe³niane przez niego funkcje:

q

SN74AVC00 _ poczwórna dwuwejœciowa

bramka NAND

q

SN74AVC02 _ poczwórna dwuwejœciowa

bramka NOR

q

SN74AVC86 _ poczwórna dwuwejœciowa

bramka XOR

q

SN74AVC125 _ poczwórny bufor z wyj-

œciami trójstanowymi

q

SN74AVC16334 _ 16-bitowy uniwersalny

sterownik magistrali z wyjœciami trójstanowymi

q

SN74AVC16721 _ 20-bitowy przerzutnik

typu flip-flop z wyjœciami trójstanowymi

q

SN74AVC16831 _ rejestr adresowy

q

SN74AVC32244 _ 32-bitowy bufor z wyj-

œciami trójstanowymi

q

SN74AVC16374 _ 16-bitowy wyzwalany

zboczem przerzutnik typu D

q

SN74AVCC164245 _ 16-bitowy przesuw-

nik poziomu napiêæ z 3,3 V do 1,8 V.

Wiêcej szczegó³ów na temat uk³adów AVC

czytelnik mo¿e znaleŸæ na stronie interneto-

wej firmy Texas Instruments pod adresem

http://www.ti.com/sc/avc.

n

Tomasz Siuta

Rys. 3. Schemat blokowy zabezpieczenia typu

Partial Power Down uk³adu AVC

Detekcja
U

CC

U

CC

Wy

Dioda
blokuj¹ca

Dioda

”paso¿ytnicza

”