eng
Выпуск #1/2014
И.Романова
АЦП И ЦАП компании Fujitsu – новые технологии, высокая производительность
АЦП И ЦАП компании Fujitsu – новые технологии, высокая производительность
Просмотры: 2768
Компания Fujitsu уделяет особое внимание разработке систем с интеллектуальными функциями, которые не только имеют оптимальные рабочие характеристики, но и отличаются минимальной сложностью и стоимостью. К ним относятся и высокоскоростные преобразователи для инфраструктур систем связи средней протяженности.
В корпорацию Fujitsu Ltd. входят 540 дочерних компаний и 20 совместных предприятий. Наиболее известные: Fujitsu Electronics Inc., Fujitsu Laboratories Ltd., Fujitsu Telecom Networks Ltd., Fujitsu Microelectronics Ltd. и др. История компании началась в 1923 году с деятельности в сфере телекоммуникаций. Но с 1954 года, после выхода в свет компьютера FACOM100 (Fuji Automatic Computer), созданного специалистами компании, за ней прочно закрепилась репутация лидера среди поставщиков высоких технологий на мировом рынке.
Быстродействующие АЦП и ЦАП компании Fujitsu Semiconductor Europe
Непрерывно растущая потребность в увеличении полосы пропускания и трафика оптических систем связи и, следовательно, в совершенствовании глобальной сетевой инфраструктуры, очевидно, приведет к использованию систем с пропускной способностью 100 Гбит/с в городских сетях средней дальности (до нескольких сотен километров). Ранее такие системы применялись только в междугородних сетях протяженностью в тысячи километров. Однако вследствие увеличения плотности портов системы на кристалле должны обеспечивать высокую пропускную способность и спектральную эффективность сети средней протяженности. А это потребует применения в схемах модуляции выходного каскада преобразователей с более высокой частотой дискретизации. К энергопотреблению и стоимости линий средней протяженности предъявляются более жесткие требования, чем к этим же параметрам линий большей протяженности. Частота дискретизации АЦП для высокоскоростных линий передачи средней протяженности должна быть не менее 56·109 операций/с, а разрешение – не менее шести разрядов.
Большой опыт разработки перспективных микросхем смешанного типа (на основе аналоговых и цифровых элементов), сочетание передовой КМОП-технологии и новой запатентованной архитектуры позволили компании Fujitsu Semiconductor Europe разработать высокоскорост-
ные преобразователи для инфраструктур систем связи без увеличения их энергопотребления. По 28-нм КМОП-технологии созданы высокоскоростные АЦП третьего поколения с частотой дискретизации 55·109–70·109 операций/с и регулируемой шириной полосы аналогового сигнала (рис.1), а также ЦАП с той же пропускной способностью. В АЦП используется разработанная в компании технология чередующейся дискретизации в режиме загрузки (CHArge-mode Interleaved Sampler technology, CHAIS), позволяющая реализовывать АЦП по КМОП-технологии с высокими скоростями дискретизации и разрешением. Достоинства CHAIS АЦП – малое энергопотребление и возможность интеграции нескольких миллионов вентилей на одном кристалле.
Частота дискретизации последующих моделей преобразователей, выпущенных в 2013 году, составила 38·109–92·109 операций/с. Все преобразователи представляют собой восьмиразрядные устройства с возможностью сокращения энергопотребления за счет уменьшения пропускной способности и могут быть использованы в конфигурациях с различным числом каналов. Компания предлагает три модели, различающиеся частотами дискретизации:
модель F (68·109–92·109 операций/с);
модель T (55·109–74·109 операций/с);
модель S (8·109–50·109 операций/с).
Напряжение питания преобразователей составляет –0,88; 1,0 и 1,8 В, максимальное напряжение входного дифференциального аналогового сигнала – 500 мВ. Двухканальные АЦП поставляются с одной, двумя и четырьмя IQ-парами АЦП. Монтируются АЦП методом перевернутого кристалла.
Для оценки новых 28-нм CHAIS-преобразователей компания выпустила специализированную оценочную платформу аппаратных и программных средств (рис.2). Испытываемые микросхемы семейства 8-разрядных АЦП с частотой дискретизации 38·109–92·109 операций/с имеют четыре канала (две пары IQ АЦП). Каждый канал располагает оперативной памятью объемом 512К × 8 бит. Через интерфейс SPI схемы и USB/FPGA-интерфейс оценочной платы возможен доступ к памяти схемы.
Области применения новых АЦП Fujitsu – сетевое оборудование: от внутренних соединений серверов в вычислительных центрах до оптических линий связи.
ЦАП, выпускаемые компанией Fujitsu Semi-
conductor Europe (см. таблицу), хорошо известны производителям сетевого и измерительного оборудования. Во всех преобразователях используется технология CHAIS.
Более подробно о некоторых из них.
MB86060 – 12-разрядный ЦАП с производительностью 400·106 операций/с. Высокая производительность в сочетании с низким энергопотреблением (343 мВт на вход) делают их особенно востребованными для высокопроизводительных систем связи. Изготавливаются по КМОП-технологии с проектными нормами 0,35 мкм. Работают в промышленном диапазоне температур от –40 до 85°C.
MB86061 – 12-разрядный цифроаналоговый преобразователь с производительностью 400·106 операций/с. Устройство изготовлено по КМОП-технологии с топологическими нормами 0,35 мкм. Благодаря усовершенствованию технологического процесса улучшена изоляция между аналоговыми и цифроаналоговыми блоками.
Характеристики MB86061:
динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR), – 86 дБ на частоте 10 МГц;
низкое энергопотребление – 308 мВт при производительности 300·106 операций/с;
напряжение питания – 3,3 и –2 В;
диапазон температур – от –40 до 85°C.
Выпускается ЦАП MB86061 в 64-выводном корпусе типа QFP.
MB86066 – 14-разрядный ЦАП с производительностью 12·109 операций/с. Предназначен для применения в системах тестирования и измерения, в широкополосных кабельных коммуникационных системах, в средствах многодиапазонной радиосвязи, а также в устройствах преобразования сигналов в ВЧ- и СВЧ-диапазонах. Отношение сигнал/шум составляет 69 дБ на частоте 2,16 ГГц.
Каждый порт входного интерфейса LVDS (два и четыре порта) поддерживает скорости передачи данных 3·109 и 6·109 операций/с. Потребляемая мощность составляет 2,2 Вт при производительности 12·109 операций/с.
Микросхема ЦАП содержит модуль памяти, необходимый для загрузки программы тестирования при использовании MB86066 в измерительных системах.
Новая структура АЦП компании Fujitsu Laboratories
Обычный АЦП сравнивает напряжение внешнего аналогового сигнала с напряжением источника опорного напряжения и преобразует его в цифровой вид (оцифровывает). Для получения эталонного напряжения используется стандартная резисторная цепочка (рис.3). Кроме того, для изменения значения опорного напряжения необходимы ключи. Однако несмотря на успехи, достигнутые в полупроводниковой технологии, гарантировать высокие скорости переключения пока еще трудно, так как изготовить интегральные элементы АЦП с большой точностью и исключить разброс их параметров технологически невозможно, а именно эти факторы и определяют высокочастотные характеристики АЦП.
Чтобы решить проблему повышения скорости обработки сигнала АЦП, компания предложила совершенно новое решение, не требующее ни резисторной цепочки для генерации опорного напряжения, ни ключей для установления его уровня (рис.4, 5). Вместо опорного напряжения используется цифровой пороговый уровень. А именно, в компаратор поступает квантованный ток и путем регулировки числа квантованных значений устанавливается пороговый уровень, с которым и сравнивается поступающий аналоговый сигнал (см. рис.5)
Поскольку в новой схеме нет резисторов, нет и статического тока (∼1 мА), необходимого для генерации опорного напряжения, и, следовательно, уменьшается мощность, потребляемая АЦП. А так как для установления уровня опорного напряжения не нужны ключи, быстродействие схемы увеличивается. Таким образом, характеристики схемы существенно улучшаются. Действительно, частота дискретизации нового АЦП составляет 1·109 операций/с, разрешение – 6 бит, потребляемая мощность – 9,9 мВт. При этом площадь АЦП равна всего 0,04 мм2. На сегодня это самое миниатюрное устройство среди аналогов. По утверждению разработчиков, в многоканальном режиме с временным уплотнением можно получить частоту дискретизации АЦП, равную нескольким десяткам миллиардов операций в секунду, и тем самым улучшить производительность систем, в которых они используются.
Что же дает эта структура АЦП? Уменьшение площади, потребляемой энергии и значительное повышение скорости преобразования.
Компания намерена использовать новую технологию в различных устройствах, в том числе в интерфейсах объединительных плат схем серверов. Планирует компания применить эту технологию и при разработке других аналоговых устройств.
По материалам сайтов:
http://www.info-fujitsu.com/Fujitsu_Image_Bank/d/18010-1/C66-Factsheet+Rotta_web.pdf
http://www.pvsm.ru/news/29638/print/
http://www.fujitsu.com/emea/news/pr/
fseu-en_20130312-1054-fujitsu-adc-28nm-cmos-converter.html
http://www.fujitsu.com/global/news/pr/archives/month/2012/20120423-02.html
Быстродействующие АЦП и ЦАП компании Fujitsu Semiconductor Europe
Непрерывно растущая потребность в увеличении полосы пропускания и трафика оптических систем связи и, следовательно, в совершенствовании глобальной сетевой инфраструктуры, очевидно, приведет к использованию систем с пропускной способностью 100 Гбит/с в городских сетях средней дальности (до нескольких сотен километров). Ранее такие системы применялись только в междугородних сетях протяженностью в тысячи километров. Однако вследствие увеличения плотности портов системы на кристалле должны обеспечивать высокую пропускную способность и спектральную эффективность сети средней протяженности. А это потребует применения в схемах модуляции выходного каскада преобразователей с более высокой частотой дискретизации. К энергопотреблению и стоимости линий средней протяженности предъявляются более жесткие требования, чем к этим же параметрам линий большей протяженности. Частота дискретизации АЦП для высокоскоростных линий передачи средней протяженности должна быть не менее 56·109 операций/с, а разрешение – не менее шести разрядов.
Большой опыт разработки перспективных микросхем смешанного типа (на основе аналоговых и цифровых элементов), сочетание передовой КМОП-технологии и новой запатентованной архитектуры позволили компании Fujitsu Semiconductor Europe разработать высокоскорост-
ные преобразователи для инфраструктур систем связи без увеличения их энергопотребления. По 28-нм КМОП-технологии созданы высокоскоростные АЦП третьего поколения с частотой дискретизации 55·109–70·109 операций/с и регулируемой шириной полосы аналогового сигнала (рис.1), а также ЦАП с той же пропускной способностью. В АЦП используется разработанная в компании технология чередующейся дискретизации в режиме загрузки (CHArge-mode Interleaved Sampler technology, CHAIS), позволяющая реализовывать АЦП по КМОП-технологии с высокими скоростями дискретизации и разрешением. Достоинства CHAIS АЦП – малое энергопотребление и возможность интеграции нескольких миллионов вентилей на одном кристалле.
Частота дискретизации последующих моделей преобразователей, выпущенных в 2013 году, составила 38·109–92·109 операций/с. Все преобразователи представляют собой восьмиразрядные устройства с возможностью сокращения энергопотребления за счет уменьшения пропускной способности и могут быть использованы в конфигурациях с различным числом каналов. Компания предлагает три модели, различающиеся частотами дискретизации:
модель F (68·109–92·109 операций/с);
модель T (55·109–74·109 операций/с);
модель S (8·109–50·109 операций/с).
Напряжение питания преобразователей составляет –0,88; 1,0 и 1,8 В, максимальное напряжение входного дифференциального аналогового сигнала – 500 мВ. Двухканальные АЦП поставляются с одной, двумя и четырьмя IQ-парами АЦП. Монтируются АЦП методом перевернутого кристалла.
Для оценки новых 28-нм CHAIS-преобразователей компания выпустила специализированную оценочную платформу аппаратных и программных средств (рис.2). Испытываемые микросхемы семейства 8-разрядных АЦП с частотой дискретизации 38·109–92·109 операций/с имеют четыре канала (две пары IQ АЦП). Каждый канал располагает оперативной памятью объемом 512К × 8 бит. Через интерфейс SPI схемы и USB/FPGA-интерфейс оценочной платы возможен доступ к памяти схемы.
Области применения новых АЦП Fujitsu – сетевое оборудование: от внутренних соединений серверов в вычислительных центрах до оптических линий связи.
ЦАП, выпускаемые компанией Fujitsu Semi-
conductor Europe (см. таблицу), хорошо известны производителям сетевого и измерительного оборудования. Во всех преобразователях используется технология CHAIS.
Более подробно о некоторых из них.
MB86060 – 12-разрядный ЦАП с производительностью 400·106 операций/с. Высокая производительность в сочетании с низким энергопотреблением (343 мВт на вход) делают их особенно востребованными для высокопроизводительных систем связи. Изготавливаются по КМОП-технологии с проектными нормами 0,35 мкм. Работают в промышленном диапазоне температур от –40 до 85°C.
MB86061 – 12-разрядный цифроаналоговый преобразователь с производительностью 400·106 операций/с. Устройство изготовлено по КМОП-технологии с топологическими нормами 0,35 мкм. Благодаря усовершенствованию технологического процесса улучшена изоляция между аналоговыми и цифроаналоговыми блоками.
Характеристики MB86061:
динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR), – 86 дБ на частоте 10 МГц;
низкое энергопотребление – 308 мВт при производительности 300·106 операций/с;
напряжение питания – 3,3 и –2 В;
диапазон температур – от –40 до 85°C.
Выпускается ЦАП MB86061 в 64-выводном корпусе типа QFP.
MB86066 – 14-разрядный ЦАП с производительностью 12·109 операций/с. Предназначен для применения в системах тестирования и измерения, в широкополосных кабельных коммуникационных системах, в средствах многодиапазонной радиосвязи, а также в устройствах преобразования сигналов в ВЧ- и СВЧ-диапазонах. Отношение сигнал/шум составляет 69 дБ на частоте 2,16 ГГц.
Каждый порт входного интерфейса LVDS (два и четыре порта) поддерживает скорости передачи данных 3·109 и 6·109 операций/с. Потребляемая мощность составляет 2,2 Вт при производительности 12·109 операций/с.
Микросхема ЦАП содержит модуль памяти, необходимый для загрузки программы тестирования при использовании MB86066 в измерительных системах.
Новая структура АЦП компании Fujitsu Laboratories
Обычный АЦП сравнивает напряжение внешнего аналогового сигнала с напряжением источника опорного напряжения и преобразует его в цифровой вид (оцифровывает). Для получения эталонного напряжения используется стандартная резисторная цепочка (рис.3). Кроме того, для изменения значения опорного напряжения необходимы ключи. Однако несмотря на успехи, достигнутые в полупроводниковой технологии, гарантировать высокие скорости переключения пока еще трудно, так как изготовить интегральные элементы АЦП с большой точностью и исключить разброс их параметров технологически невозможно, а именно эти факторы и определяют высокочастотные характеристики АЦП.
Чтобы решить проблему повышения скорости обработки сигнала АЦП, компания предложила совершенно новое решение, не требующее ни резисторной цепочки для генерации опорного напряжения, ни ключей для установления его уровня (рис.4, 5). Вместо опорного напряжения используется цифровой пороговый уровень. А именно, в компаратор поступает квантованный ток и путем регулировки числа квантованных значений устанавливается пороговый уровень, с которым и сравнивается поступающий аналоговый сигнал (см. рис.5)
Поскольку в новой схеме нет резисторов, нет и статического тока (∼1 мА), необходимого для генерации опорного напряжения, и, следовательно, уменьшается мощность, потребляемая АЦП. А так как для установления уровня опорного напряжения не нужны ключи, быстродействие схемы увеличивается. Таким образом, характеристики схемы существенно улучшаются. Действительно, частота дискретизации нового АЦП составляет 1·109 операций/с, разрешение – 6 бит, потребляемая мощность – 9,9 мВт. При этом площадь АЦП равна всего 0,04 мм2. На сегодня это самое миниатюрное устройство среди аналогов. По утверждению разработчиков, в многоканальном режиме с временным уплотнением можно получить частоту дискретизации АЦП, равную нескольким десяткам миллиардов операций в секунду, и тем самым улучшить производительность систем, в которых они используются.
Что же дает эта структура АЦП? Уменьшение площади, потребляемой энергии и значительное повышение скорости преобразования.
Компания намерена использовать новую технологию в различных устройствах, в том числе в интерфейсах объединительных плат схем серверов. Планирует компания применить эту технологию и при разработке других аналоговых устройств.
По материалам сайтов:
http://www.info-fujitsu.com/Fujitsu_Image_Bank/d/18010-1/C66-Factsheet+Rotta_web.pdf
http://www.pvsm.ru/news/29638/print/
http://www.fujitsu.com/emea/news/pr/
fseu-en_20130312-1054-fujitsu-adc-28nm-cmos-converter.html
http://www.fujitsu.com/global/news/pr/archives/month/2012/20120423-02.html
Отзывы читателей
