Автореферат (Синтез и реализация параллельного цифро-аналогового преобразователя с повышенными динамическими характеристиками)

На правах рукописиЕнученко Михаил СергеевичСИНТЕЗ И РЕАЛИЗАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ЦИФРО-АНАЛОГОВОГОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ПОВЫШЕННЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИХАРАКТЕРИСТИКАМИСпециальность 05.12.04 – радиотехника, в том числе системы и устройствателевиденияАВТОРЕФЕРАТна соискание учёной степени кандидата технических наукСанкт-Петербург 2018Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого».Научный руководитель:Коротков Александр Станиславовичдоктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты:Соловьёва Елена Борисовнадоктор технических наук, доцентзаведующий кафедрой ТОЭ СПбГЭТУ "ЛЭТИ"Коровин Константин Олеговичкандидат физико-математических наукдоцент кафедры РОС СПбГУТВедущая организация:ГНЦ РФ АО «Концерн«ЦНИИ «Электроприбор»Защита состоится «20» декабря 2018 года в 14 часов на заседании диссертационного советаД212.229.01 в ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого» по адресу: 195251, г.

Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, 4 учебный корпус,ауд. 305.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО «СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого» и на сайте университетаwww.spbstu.ru.Автореферат разослан «»2018 г.Учёный секретарьКоротков Александр Станиславовичдиссертационного совета Д212.229.01доктор технических наук, профессор2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияВ системах телекоммуникаций развитие цифровых способов управления и их интеграция саналоговой частью вызывают потребность в интерфейсных устройствах таких, как цифроаналоговые преобразователи.Цифро-аналоговыйпреобразователь(ЦАП) осуществляетпреобразование цифрового кода в аналоговый сигнал.

Требования, выдвигаемые к ЦАП,касаютсяразрядности,быстродействия,нелинейности,потребляемоймощностиидинамического диапазона.Наиболее востребованными в системах телекоммуникаций оказываются параллельныеЦАП. В параллельных ЦАП обработка всех разрядов цифрового кода, подаваемого на вход ЦАП,происходит одновременно (или параллельно). В ЦАП для формирования выходного аналоговогосигнала используются так называемые «взвешивающие элементы». Взвешивающих элемент взависимости от управляющего сигнала формирует аналоговый сигнал в виде тока илинапряжения, пропорциональный по величине «весу» этого элемента.

Для параллельных ЦАПсуществует две базовых архитектуры: бинарная и унарная. В бинарной архитектуре числовзвешивающих элементов равно разрядности ЦАП N, а «веса» взвешивающих элементовпредставляют последовательность чисел 20, 21, …. , 2N-1. В унарной архитектуре числовзвешивающих элементов равно 2N-1, а «веса» одинаковы и равны 1. В параллельных ЦАПиспользуются три типа взвешивающих элементов: резистивные, ёмкостные и источники тока.Одно из требований к ЦАП в телекоммуникационных системах – их динамическиехарактеристики. Причём одной из наиболее востребованных характеристик являетсядинамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR – spurious free dynamicrange). На данную характеристику влияют как скорость переключения при смене входногоцифрового сигнала, так и характер переходного процесса при переключении, а статическаянелинейность определяет максимально достижимое значение SFDR в области низких частот.Целью данной работы является разработка методики синтеза и реализация цифроаналогового преобразователя с повышенными динамическими характеристиками.

Длядостижения поставленной цели были решены следующие задачи:1.Разработка методики синтеза «термометрического» дешифратора;2.Анализдинамического диапазона, свободного отпаразитных составляющих, сиспользованием функциональной модели ЦАП;3.Анализдинамического диапазона, свободного отпаразитных составляющих, сиспользованием схемы ЦАП на источниках тока;4.Разработка методики расстановки взвешивающих элементов на топологии кристалла ЦАПдля компенсации влияния систематической ошибки и снижения нелинейности;5.Разработка и экспериментальные исследования резистивного ЦАП для проверки основныхтеоретических выводов.Научная новизна результатов диссертационной работы:31.Предложена формализованное правило формирования логической функции произвольноговыхода «термометрического» дешифратора произвольной разрядности для разработкидешифратора со сниженным числом логических элементов и сниженной задержкой;2.Показано, что для повышения динамического диапазона, свободного от паразитныхсоставляющих, следует использовать каскодную и широкодиапазонную схемы источникатока, а также схему коммутации с постоянными переключениями, исключающую кодовуюзависимость длительности переходного процесса;3.Установлено, что асимметричное размещение взвешивающих элементов на топологиикристалла ЦАП позволяет снизить интегральную нелинейность, причём без разделениявзвешивающего элемента на части не обеспечить снижения дифференциальнойнелинейности;4.Предложена модифицированная структура ЦАП на основе линейки сопротивлений с вдвоеменьшимчисломключейииспользованиемКМОП-транзистороввкачествевзвешивающего элемента для повышения выхода годных микросхем и сокращениязанимаемой площади кристалла ЦАП;Практическая и теоретическая значимость результатов диссертационной работы:1.Предложена методика структурного синтеза дешифратора, позволяющая полностьюавтоматизировать разработку дешифратора произвольной разрядности;2.Предложена методика анализа с использованием функциональной модели ЦАП,позволяющая определять разрядность и соотношение частот для достижения требуемогодинамического диапазона, свободного от паразитных составляющих;3.Предложена методика параметрического синтеза ЦАП на источниках тока для заданногодинамического диапазона, свободного от паразитных составляющих;4.Предложенапроизвольнойметодикаструктурногоразрядности,синтезапозволяющая«термометрического»дешифратораавтоматизироватьразработку«термометрического» дешифратора.Методы исследованияПри решении поставленных задач использовались методы анализа и синтеза электрическихцепей, в том числе анализ во временной области, синтез кода на языке описания аппаратуры,функциональное и эквивалентное представление электрических схем, моделирование профилясистематической ошибки.

Расчёты и моделирование проводились с применением программыMatLab и программного пакета Cadence Virtuoso. Для проведения экспериментальныхисследований разработана программно-аппаратная платформа с использованием средыпрограммирования LabVIEW и платы сбора данных от компании National Instruments.Положения, выносимые на защиту:1.Для уменьшения задержки «термометрического» дешифратора при многомерномпостроении дешифратора следует разбивать входной код на оптимальное число групп4одинаковой разрядности, определяемое при каскадном построении поддешифраторов какквадратный корень из разрядности дешифратора.2.Для увеличения динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих,необходимо либо исключить кодовую зависимость длительности переходного процесса,либо уменьшать частоту восстанавливаемого сигнала за счёт уменьшения отношения f/fs.3.Для получения достоверной оценки уровня SFDR в ЦАП на источниках тока с учётомконечности выходного сопротивления источника тока необходимо учитывать отношениетока утечки к току источника тока;4.Для полной компенсации систематической ошибки до 3 порядка аппроксимации ошибкивключительно следует использовать методики размещения взвешивающих элементовЦАП, в которых элемент разбит на 2N частей, находящихся в каждом столбце и каждойстроке массива взвешивающих элементов;5.Расстановка взвешивающих элементов на топологии кристалла ЦАП по методике«Шахматный конь», обеспечивающая одинаковое расстояние между взвешивающимиэлементами на топологии, позволяет повысить уровень SFDR, снижая максимальную исреднюю интегральную нелинейность ЦАП на 20%.Степень достоверности и апробация результатовДостоверность результатов работы и обоснованность научных выводов подтверждаетсясоответствием представленных аналитических расчётов и результатов моделирования насхемотехническом уровне с данными экспериментальных измерений, проведённых насовременном оборудовании.Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научнотехнических конференциях: X международный научно-практический семинар «Проблемысовременной аналоговой микросхемотехники», Шахты, ИСОиП (филиал) ДГТУ, 1-2 октября2013;VIВсероссийскаянаучно-техническаяконференция«Проблемыразработкиперспективных микро- и наноэлектронных систем – 2014 (МЭС-2014)», Москва, ИППМ РАН, 29сентября – 03 октября 2014; VIII Научно-технической конференции молодых специалистов порадиоэлектронике, Санкт-Петербург, ОАО «Авангард», 28 апреля 2015; 2016 IEEE NW RussiaYoung Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), СанктПетербург, СПбГЭТУ, 2–3 февраля 2016; Материалы ХVIII конференции молодых учёных«Навигация и управление движением» с международным участием, Санкт-Петербург, ГНЦ РФАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 15–18 марта 2016; 2017 IEEE Conference of RussianYoung Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), Санкт-Петербург,СПбГЭТУ, 1–3 февраля 2017, 29 января – 1 февраля, 2018; 2018 International Symposium onConsumer Technologies (ISCT), Санкт-Петербург, Российская Cеверо-Западная секция IEEE, 1112 мая 2018.Структура и объем диссертации5Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

Общийобъём диссертационной работы составляет 150 страниц, в том числе 150 страницы основноготекста, 99 рисунков, 25 таблицы и списка литературы из 97 наименований.Вклад автора в разработку проблемыОсновные научные положения, теоретические выводы, практические рекомендации,расчёты, моделирование и экспериментальные результаты в диссертационной работеразработаны и выполнены автором самостоятельно.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность, научная новизна и практическая значимостьдиссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены положения,выносимые на защиту.В первом разделе обсуждаются типы цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).Введено понятие входного кода ЦАП. Перечислены характеристики, используемые для описанияЦАП, и дано их определение в рамках темы работы.