Учебное пособие 800568

сопротивление спроектированного токового зеркала сохраняется на уровне порядка 500 Ом вплоть до частоты порядка 200 кГц (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость входного сопротивления от частоты входного сигнала нейрона

Полученное значение входного сопротивления соответствует значению, рассчитанному по аналитической формуле, приведенной в работе [2]:

Полученное в работе значение коэффициента усиления инвертирующего усилителя A1 составило величину порядка 60.

Выходной сигнал данной схемы описывается уравнением сигмоиды [1]:

Каждый из параметров (a, b, c) уравнения определяется собственными параметрами схемы. Рассмотрим каждый из них:

50

1)Параметр a определяется током bias1 – чем больше ток, тем больше амплитуда сигмоиды (рис. 4, а).

2)Параметр b определяется крутизной транзисторов M7/М8

итранзисторов M6/М13 – увеличивая ширину M7/М8 или длину M6/М13, увеличивается наклон сигмоиды (рис. 4, б; 4, в).

3)Параметр c определяется током bias2 – чем больше ток, тем сильнее сигмоида смещена относительно центра вправо (рис. 4,

г).

Как видно из рисунков 4,б и 4,в на форму выходного сигнала гораздо сильнее влияет изменение длины M6/М13, а не ширины

M7/М8.

Рис. 4. Сравнение выходной сигмоды при различных: а – токах bias1; б - ширинах транзисторов М7/М8; в - длинах

каналов транзисторов М6/М13; г – токах bias2

51

Так как частотные свойства схемы ограничиваются входным токовым зеркалом, то рабочая частота всей схемы, как видно (рис. 5), также ограничена величиной порядка 200 кГц.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика схемы

Полученный аналоговый нейрон подходит для дальнейшего построения искусственных нейронных сетей с эффективным энергопотреблением, имеет простую структуру и позволяет добиться приемлемого быстродействия.

Литература

1.Harshit Roy Current Mode Neuron for the Memristor based synapse / Roy Harshit, Sharad Mrigank // ArXiv preprint – 2019.

2.Hassan Faraji Baghtash Very low input impedance low power current mirror / Hassan Faraji Baghtash, Seyed Javad Azhari // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. – 2011. – № 66. – C. 9 - 18.

Воронежский государственный университет

52

УДК 681.396.596

А.В. Злобин, В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков

ПОВЫШЕНИЕ ДИАПАЗОНА РАБОЧИХ ЧАСТОТ КОЛЬЦЕВЫХ ГУН ЗА СЧЁТ ВВЕДЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОС

Рассмотрен метод повышения диапазона рабочих частот генератора, управляемого напряжением (ГУН) на основе фазоинверторов с дополнительными обратными связями (ОС). По результатам моделирования выявлено существенное увеличение максимальной рабочей частоты ГУН.

Введение

Современные интегральные устройства передачи и обработ-

ки данных, такие как SATA, PCI Express и Serial Rapid IO, а также системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [1 – 3], предъявляют всѐ более высокие требования к генераторам опорной тактовой частоты, наиболее важными параметрами которых являются рабочая частота и уровень собственных шумов.

Чаще всего в качестве таких генераторов используют ГУН, которые принято делить на 2 основные категории: LC – генераторы и кольцевые ГУН, где в первом случае источником периодического сигнала служит колебательный LC –контур, а во втором – цепочка фазоинверторов, скорость переключения которых зависит от их числа и постоянной времени каждого [3]. В общем случае, кольцевой генератор занимает меньшую площадь и требует меньше трудозатрат на проектирование по сравнению с LC–ГУН, а совершенствующиеся технологические нормы производства КМОП ИС обеспечивают его меньшее энергопотребление. Тем не менее, несмотря на очевидные успехи в деле построения кольцевых ГУН [4], проблема улучшения его характеристик по-прежнему остается актуальной. При этом из общей теории чувствительности известно, что введение обратных связей заметно изменяет параметры электронных схем. Это наводит на мысль воспользоваться данным обстоятельством, т.е. применить для улучшения характеристик ГУН дополнительные ОС в его структуре.

53

Модификация структуры кольцевого ГУН и принципиальной схемы его фазоинверторов

Согласно [3] максимальную рабочую частоту ГУН можно оценить с помощью выражения:

времени, CH – нагрузочная емкость, RK – величина коллекторной (пассивной или активной) нагрузки, S – крутизна ВАХ транзисторов дифференциальных каскадов (ДК) фазоинверторов. Поэтому повышение рабочей частоты ГУН и снижение его потребляемой мощности должно состоять из нескольких этапов:

использование минимально возможного числа ФИ;

снижение общего времени задержки в структурной схеме

ГУН;

максимальное упрощение принципиальных схем ФИ.

Рис. 1. Блок-схема ГУН с дополнительными ОС

Вопрос с первым этапом построения ГУН решается достаточно просто, поскольку для выполнения условий самовозбуждения

54

(прежде всего баланса фаз) необходимо не менее трех ФИ, т.е. Nmin = 3. Далее, для сокращения постоянной времени ГУН можно использовать дополнительные ОС, в результате чего блочная структура ГУН приобретает вид рис. 1, где основные петли ОС (сплошные линии) работают как в обычном дифференциальном ГУН, а дополнительные ОС (пунктирные линии) ускоряют переходные процессы, тем самым увеличивая рабочие частоты ГУН.

Рис. 2. Принципиальная схема исходного ФИ

Далее, для построения дифференциального ФИ многопетлевой структуры ГУН в качестве прототипа был выбран элементарный дифференциальный КМОП каскад (рис. 2), где полевые транзисторы n-типа 1 и 2 являются входными, а транзисторы р-типа Р1 и Р2 выполняют роль динамической нагрузки, обеспечивающей минимальное время переключения транзисторов 3 и 4 [4]. Условие введения дополнительных ОС в структуру ГУН потребовало моди-

55

фикации исходной схемы рис. 2, при этом упрощенная схема модифицированного фазоинвертора приобрела вид рис. 3, где р- канальные транзисторы Р3, Р4 являются входными для вторичных петель ОС. Работа такого каскада выглядит следующим образом: когда напряжение на входе + ниже порогового, транзистор 1 – закрыт, но, поскольку напряжение + начинает нарастать раньше, чем на +, то транзистор Р3 приоткрывается, подавая ток в выходной узел −, что приводит к сокращению времени нарастания напряжения на нем.

Моделирование выходных характеристик модифицированного ГУН

Для получения выходных характеристик разработанной структуры ГУН было выполнено моделирование переходных процессов в нем при изменении управляющего напряжения Uупр в диапазоне от 0 до 1,6 В. Зависимость выходной частоты ГУН от величины Uупр приведена на рис. 4, где вариант (а) соответствует использованию исходной схемы ФИ (рис. 2) и, соответственно, базовой структуры ГУН, а вариант (б) – многопетлевому ГУН с модифицированным ФИ (рис. 3).

Моделирование выходных характеристик модифицированного ГУН

Для получения выходных характеристик разработанной структуры ГУН было выполнено моделирование переходных процессов в нем при изменении управляющего напряжения Uупр в диапазоне от 0 до 1,6 В. Зависимость выходной частоты ГУН от величины Uупр приведена на рис. 4, где вариант (а) соответствует использованию исходной схемы ФИ (рис. 2) и, соответственно, базовой структуры ГУН, а вариант (б) – многопетлевому ГУН с модифицированным ФИ (рис. 3). Обобщение результатов моделирования представлено в таблице, из которой видно, что рассмотренная методика введения дополнительных ОС в структуру ГУН позволяет значительно повысить его максимальную частоту (с 3 ГГц до 4,9 ГГц), хотя при этом диапазон рабочих частот ГУН несколько сужается (с 2,1 ГГц до 1,6 ГГц). Тем не менее, если в рамках предложенной методики использовать дополнительные схемы управления остаточными токами ДК, то можно добиться и расширения рабочего диапазона ГУН.

56

УДК 537.312.6

А.В. Буданов, Н.Н. Власов, Ю.Н. Власов, Г.И. Котов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПЛЁНОК Cu2SnS3

Работа посвящена исследованию температурных зависимостей поверхностного сопротивления тонких плѐнок соединения Cu2SnS3, перспективного для создания солнечных элементов в качестве светопоглощающего материала. Измерительная установка, созданная для исследования таких плѐнок, позволяет получать температурную зависимость поверхностного сопротивления слоѐв на изоляторе по четырѐхзондовому методу. Обнаружены два типа температурных зависимостей сопротивления слоѐв сульфидов. В первом случае сопротивление образцов линейно возрастает с ростом температуры. Во втором случае зависимость имеет Аррениусовский характер с экспоненциальным падением сопротивления по мере роста температуры. Обсуждается причина таких отличий для различных образцов.

В тонкопленочной технологии необходим контроль электропроводности формируемых слоѐв. Классическим является четырѐхзондовый метод исследования поверхностного сопротивления. Например, устройство вычислительно-измерительного комплекса УЭС позволяет определять электропроводность в широких пределах, однако даѐт высокую погрешность в случае металлических слоѐв и плѐнок вырожденных полупроводников, поскольку этот прибор рассчитан на исследование монокристаллических пластин полупроводникового кремния. Перспективные в технологии солнечных элементов тонкие (толщиной до 1 мкм) плѐнки соединения Cu2SnS3 [1], в зависимости от технологии получения имеют концентрацию носителей заряда от 1017 до 1021 см−3. Для изучения электропроводности таких плѐнок разработана экспериментальная установка, которая позволяет измерять температурную зависимость поверхностного сопротивления проводящих слоѐв на изолирующей подложке также по четырѐхзондовому методу. Источник тока изготовлен по классической схеме [2, разд. 21.3] из источника опорного напряжения на основе операционного усилителя со стабилитроном в обратной связи. Величина силы тока регулируется переключате-

59