เอกสารประกอบการใช้งานนี้อธิบายเทคนิคที่ใช้ในการสร้างและปรับเทียบ/ชดเชยสายหน่วงเวลาซิลิคอนทั้งหมดรุ่นต่อไป ทั้ง EconOscillator และสายหน่วงเวลาใช้แบบแผนสายหน่วงเวลาควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCDL) เพื่อสร้างการหน่วงเวลาที่จำเป็นในการสร้างทั้งสายหน่วงเวลาและออสซิลเลเตอร์ซิลิคอนทั้งหมดที่มีความแม่นยำสูง เอกสารประกอบการใช้งานนี้ให้ภาพรวมโดยละเอียดของสถาปัตยกรรมที่ใช้ในอุปกรณ์เหล่านี้ อุปกรณ์ที่ใช้สถาปัตยกรรมนี้ประกอบด้วย DS1100, DS1135, DS1110, DS1077, DS1085 และ DS1086

สายหน่วงเวลาของ Dallas Semiconductor ทำงานอย่างไร?

ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 บริษัท Dallas Semiconductor เป็นบริษัทแรกที่พัฒนาวงจรหน่วงเวลาแบบซิลิกอนทั้งหมด ซึ่งเป็นทางเลือกที่กะทัดรัดและคุ้มต้นทุนกว่าวงจรหน่วงเวลาแบบโมดูลาร์ที่ใช้ในขณะนั้น

สายหน่วงเวลาดัลลัสรุ่นแรกประกอบด้วยเครื่องกำเนิดหน่วงเวลาแบบ RC และวงจรเปรียบเทียบที่สลับเอาต์พุตของสายหน่วงเวลาเมื่อถึงระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของเครื่องกำเนิดหน่วงเวลา การสอบเทียบจะดำเนินการที่ระดับเวเฟอร์ที่โรงงานโดยใช้เลเซอร์เป่าฟิวส์ชุดหนึ่งจนกว่าจะได้ค่าฮิสเทอรีซิสที่ต้องการ ไม่มีการชดเชยอุณหภูมิ

สายการผลิตในปัจจุบันมีความซับซ้อนมากขึ้น สายการผลิตหน่วงเวลาแบบซิลิคอนทั้งหมดของ Maxim/Dallas มีวงจรใหม่ซึ่งประกอบด้วยสายการผลิตหน่วงเวลาควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCDL) ที่ใช้ร่วมกับวงจรชดเชยเพื่อลดความแปรผันของฮิสเทอรีซิสอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการ อุณหภูมิ และแรงดันไฟฟ้า

การสร้างสายหน่วงเวลาซิลิคอนนั้นไม่ยากเกินไป เกตตรรกะใดๆ ก็มีความล่าช้าในการแพร่กระจายและสามารถใช้เป็นสายหน่วงเวลาได้ ส่วนที่ยากคือการสร้างสายหน่วงเวลาที่สามารถตั้งค่าเวลาหน่วงเวลาเฉพาะได้อย่างแม่นยำ โดยรักษาความสม่ำเสมอโดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการ อุณหภูมิ และแรงดันไฟฟ้า การรักษาเสถียรภาพของเวลาหน่วงเวลานี้จำเป็นต้องใช้ระบบการชดเชยที่ไม่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์เหล่านี้

วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการใช้ฟีดแบ็ก กำหนดค่าความคลาดเคลื่อนของความล่าช้า และใช้ค่าความคลาดเคลื่อนนั้นเพื่อสร้างอินพุตแก้ไขกลับเข้าสู่สายหน่วงเวลา วิธีนี้จำเป็นต้องมีวิธีการวัดค่าความคลาดเคลื่อนของความล่าช้าและวิธีการควบคุมเวลาหน่วงเวลา วิธีง่ายๆ ในการควบคุมเวลาหน่วงเวลาในเกตตรรกะคือการปรับแรงดันไฟฟ้า โดยทั่วไป ยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูง ความล่าช้าที่ผ่านเกตก็จะยิ่งสั้นลง

การวัดเวลาหน่วงและหาค่าความคลาดเคลื่อนของเวลาหน่วงนั้นต้องใช้ความพยายามมากขึ้น วิธีที่ง่ายที่สุดในการวัดเวลาหน่วงคือการแปลงค่าเป็นค่าที่วัดได้ง่ายกว่า เช่น ความถี่ หากคุณนำเอาต์พุตจากสายหน่วงกลับด้าน แล้วป้อนกลับไปยังอินพุต คุณจะมีออสซิลเลเตอร์ที่มีความถี่ 1/2 td โดยที่ td คือผลรวมของเวลาหน่วงระหว่างสายหน่วง ในกรณีนี้ เรามีออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCO) ที่ใช้ VCDL ( รูปที่ 2 )

หากเรามีความถี่อ้างอิงที่แม่นยำ (ซึ่งเราไม่มี) ก็สามารถนำลูปล็อกเฟสมาใช้เพื่อล็อกความถี่ VCO เข้ากับความถี่อ้างอิง เพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำของอะนาล็อก ลูปล็อกเฟสนี้เรียกว่า hysteresis-locked loop (DLL) ในโลกของซิลิคอนยังมีการอ้างอิงอื่นๆ อยู่ เช่น การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า ซึ่งสามารถปรับเทียบได้ในขณะผลิตให้มีความแม่นยำสูงมาก

ด้วยเงื่อนไขนี้ เรามีองค์ประกอบทั้งหมดในการสร้างสายหน่วงเวลาแบบชดเชย รูปที่ 3 แสดงแผนผังบล็อกของสายหน่วงเวลา DS1135 แบบ 3-in-1

ในวงจร (รูปที่ 3) เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์จะถูกป้อนกลับไปยังตัวต้านทานควบคุมแรงดันไฟฟ้าซึ่งถูกไบอัสโดยแหล่งจ่ายกระแสคงที่ ตัวต้านทานควบคุมโดยพื้นฐานแล้วคือวงจรตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ ซึ่งความต้านทาน DC จะแปรผกผันกับความถี่ป้อนกลับ เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น แรงดันไฟฟ้าจะลดลง แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกเปรียบเทียบกับแรงดันอ้างอิงคงที่ซึ่งประกอบด้วยแหล่งจ่ายกระแสที่เหมาะสมและตัวต้านทานคงที่ (Rref) Rfreq จะถูกปรับเทียบให้ตรงกับอุณหภูมิและลักษณะแรงดันไฟฟ้าของ Rref เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบจะถูกกรองและจ่ายแรงดันควบคุม VCO เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น Vfreq จะลดลงเมื่อเทียบกับ Vref ทำให้แรงดันควบคุมลดลงไปยัง VCO และลดความถี่ลง เมื่อความถี่ลดลง จะเกิดผลตรงกันข้าม คือความถี่เพิ่มขึ้น เสถียรภาพของความถี่จะเท่ากับเสถียรภาพของ Rref Rref คือค่าอ้างอิงที่แม่นยำซึ่งมีเสถียรภาพทั้งในด้านแรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และกระแสไฟฟ้า ลูปควบคุมจะเชื่อมโยง Rfreq เข้ากับ Rref ลูปควบคุมนี้ยังป้องกันการเปลี่ยนแปลงฮิสเทอรีซิสของวงจรที่เกิดจากกระบวนการ อุณหภูมิ และการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม วงจรนี้ไม่สามารถใช้เป็นสายหน่วงเวลาเพียงอย่างเดียวได้ วงจรนี้สร้างออสซิลเลเตอร์ที่เสถียร และเป็นวงจรที่ใช้ใน EconOscillators™ ของ Dallas Semiconductors โชคดีที่เซลล์หน่วงเวลาบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเดียวกันนี้มีคุณสมบัติเกือบจะเหมือนกันกับเซลล์หน่วงเวลาที่ใช้ใน VCO (รูปที่ 3) แรงดันไฟฟ้าควบคุมที่จ่ายให้กับ VCDL (ซึ่งกำหนดค่าเป็น VCO) มีผลเช่นเดียวกันกับเซลล์หน่วงเวลาอิสระอื่นๆ เหล่านี้ ดังนั้น แม้ว่าเซลล์เหล่านี้จะทำงานในวงเปิด แต่แรงดันไฟฟ้าควบคุมที่จ่ายให้กับเซลล์หน่วงเวลาจะมีผลเช่นเดียวกับเซลล์หน่วงเวลาที่กำหนดค่าไว้ใน VCO โดยชดเชยการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการ อุณหภูมิ และแรงดันไฟฟ้า

เซลล์หน่วงเวลาแต่ละเซลล์เหล่านี้สามารถเชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อสร้างสายหน่วงเวลาแบบแทป (tapped delay line) เช่นเดียวกับ DS1100 หรือสามารถใช้งานแยกกันได้อย่างอิสระ เช่น DS1135 EconOscillator DS1077 ใช้เพียงส่วนของออสซิลเลเตอร์ร่วมกับวงจรตัวแบ่งสัญญาณที่ตั้งโปรแกรมได้ เพื่อสร้างออสซิลเลเตอร์ซิลิคอนที่กำหนดค่าได้อย่างสมบูรณ์ เมื่อรวมวงจรนี้เข้ากับ DAC ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า VCO คุณก็จะได้เครื่องสังเคราะห์ความถี่แบบฟูลเรนจ์เช่นเดียวกับ DS1085