Автореферат (Синтез и реализация параллельного цифро-аналогового преобразователя с повышенными динамическими характеристиками), страница 2

Рассмотрены архитектуры параллельныхЦАП и типы взвешивающих элементов. Затронуты проблемные вопросы при разработкецифровой части современного ЦАП – «термометрического» дешифратора. Перечисленыфакторы, вызывающие снижение динамического диапазона, свободного от паразитныхсоставляющих, в том числе модуляция выходного импеданса источника тока, рассогласованиевзвешивающих элементов, рассогласование и рассинхронизация управляющих сигналов,просачивание управляющих сигналов в выходную цепь.Во втором разделе рассматривается цифровая часть ЦАП – «термометрический»дешифратор. Проведён обзор известных способов построения дешифратора.

Отмечено, что ихнедостатком является необходимость в использовании дешифраторов меньшей разрядности.Такая рекурсия не позволяет осуществлять оптимизацию путей прохождения сигналов повремени задержки. В общем виде задача построения дешифратора произвольной разрядности безрекурсии не решена. В качестве решения этой задачи предложена методика формированиялогической функции произвольного выхода дешифратора произвольной разрядности на основесформулированного в работе правила.

Данное правило следует из свойств таблицы истинностидля «термометрического» дешифратора и формулируется следующим образом:1.Перевести номер выхода дешифратора (номера начинаются с 1) с учётом разрядностидешифратора в двоичное представление ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ … 2 1 2 , где старший разряд an стоит слева, амладший a1 – справа, N – разрядность дешифратора;2.Определить логическое выражение выхода дешифратора на i-ой итерации y(i) порекуррентной формуле: () = { · (−1) , если = 1 (0), = 1. + (−1) , если = 06Причём число итераций равно N, xi – разряды входного кода дешифратора, формированиелогического выражения начинается с младшего разряда a1.Таким образом, становится возможным проектирование дешифратора с уменьшеннымчислом транзисторов и уменьшенной задержкой.

Проведено сравнение способов построениядешифратора.Рассмотренные способы построения предполагают, что разработкой схемы и топологииразработчик проводит в неавтоматизированном режиме. Для автоматизации процессапроектирования дешифратора произвольной разрядности предлагается новый маршрутпроектирования с использованием таких сред проектирования, как: MatLab и Cadence Encounter.Сравнение маршрутов проектирования показано на рис. 1.Традиционный ручноймаршрут проектированияТрадиционныйавтоматизированныймаршрут проектированияПредложенный маршрутпроектированияТребования поразрядности, задержке иплощадиТребования поразрядности, задержке иплощадиТребования поразрядности, задержке иплощадиПодготовка программына языке высокогоуровняФормированиелогических функцийФормированиеописания дешифраторана языке описанияаппаратурыФормированиеописания дешифраторана языке описанияаппаратурыВнеавтоматизированномрежимеМинимизациялогических функцийСинтез цепочеклогических элементов сиспользованием САПРСинтез цепочеклогических элементов сиспользованием САПРВ автоматизированномрежимеФормирование цепочеклогических элементовСинтез топологии сиспользованием САПРСинтез топологии сиспользованием САПРРазработка топологииРис.

1Предложенный маршрут позволяет этап создания файла описания дешифратора подконкретнуюразрядностьперевестивавтоматизированныйрежим,оставиввнеавтоматизированном режиме лишь однократную подготовку программы на языке высокогоуровня. Таким образом, в предложенном маршруте все этапы разработки дешифраторапроводятся в автоматизированном режиме.В третьем разделе проводится анализ динамического диапазона, свободного отпаразитных составляющих (SFDR), в функциональной модели ЦАП. Выходной сигналфункциональной модели s(t) представляется в виде:+∞() = ∑ ℎ( − ) · () + (); ℎ() = {=−∞711, при 0 ≤ ≤ ; = ,0, при > , < 0где Ts – период дискретизации, fs – частота дискретизации, h(t) – восстанавливающая функцияЦАП, x(k) – входной код ЦАП, r(t) – функция, описывающая переходные процессы приизменении входного кода. Для оценки уровня SFDR формируется x(k), соответствующийгармоническому сигналу с частотой f.

По спектру выходного сигнала s(t) в полоса рабочих частотот 0 до fs/2 определяется уровень SFDR.Отмечено, что ранее в литературе такой анализ не проводился. Анализ был проведён дляразличных вариантов учёта свойств выходного сигнала ЦАП. Данный анализ необходим дляопределения предельно достижимых уровней SFDR ЦАП. На первом этапе был рассмотренуровень SFDR входного кода и показаны зависимости от соотношения частот SFDR(f/fs) иразрядности SFDR(N). Замечено, что причиной присутствия кратных гармоник в спектревходного кода является конечная разрядность, а значит и точность представлениягармонического сигнала.Проведено моделирование уровня SFDR выходного сигнала идеального ЦАП взависимости от разрядности и соотношения частот f/fs.

Отмечено, что зависимости SFDR(f/fs) иSFDR(N) остались без изменений по отношению к зависимостям, полученным для входного кода,а уровень SFDR остался на том же уровне. Далее в рассмотрение был введён переходной процессфиксированной длительности ttran. Моделирование показало, что все зависимости такжесохранили свой вид, и уровень SFDR остался на том же уровне.Затем была введена зависимость длительности переходного процесса ttran от величиныизменения входного кода. Причём зависимость имела следующий вид: () = · ′() · ; ′() = () − ( − 1),где g – масштабный коэффициент.

То есть предполагалось, что длительность переходногопроцесса пропорциональна числу переключающихся взвешивающих элементов. Моделированиепоказало, что уровень SFDR значительно снизился на 60 дБ. Таким образом, был сделан вывод отом, что кодовая зависимость длительности переходного процесса является причинойуменьшения SFDR, а значит и уменьшения рабочей полосы частот ЦАП. Дальнейшиеисследования показали, что из двух возможных способов повышения уровня SFDR за счётсокращения рабочей полосы частот (уменьшения отношения частоты восстанавливаемогосигнала к частоте дискретизации либо уменьшение частоты дискретизации) наиболеепредпочтительным является уменьшения отношения частоты восстанавливаемого сигнала кчастоте дискретизации, так как при том же уровне SFDR достигается большая рабочая полосачастот.По результатам исследования динамического диапазона, свободного от паразитныхсоставляющих (SFDR), в функциональной модели ЦАП сделаны следующие выводы:1.Переходной процесс фиксированной длительности не оказывает негативного влияния науровень SFDR;2.Переходной процесс с кодозависимой длительность оказывает негативное влияние науровень SFDR и приводит к уменьшению рабочей полосы частот;83.Выбор частоты дискретизации должен осуществляться на пологом участке зависимостиуровня SFDR от частоты дискретизации;4.Рабочая полоса частот должна определяться по заданному уровню SFDR прификсированной частоте дискретизации (выбранной согласно п.

3).В четвёртом разделе проводится анализ динамического диапазона, свободного отпаразитных составляющих (SFDR), в схеме ЦАП на источниках тока. Отмечено, что известныеспособы оценки требований выходному сопротивлению источника тока не учитываютотношение тока утечки и тока источника тока.

Предложена методика оценки выходногосопротивления с учётом этого отношения.Рассмотрены три наиболее известные и широко применяемые схемы источников тока.Проведено сравнение данных схем при одинаковом выходном сопротивлении по влиянию науровеньSFDR.Сделанвыводопредпочтительномиспользованиикаскоднойиширокодиапазонной схемы.

Подтверждено, что основным эффектом, влияющим на снижениеуровня SFDR является просачивание управляющих сигналов в выходную цепь [Г. А. Свизев,дисс. соиск. канд. техн. н-к, 2018] и, в частности, в цепь напряжения смещения как наиболееинерционную.Для снижения влияния просачивания управляющих сигналов существует несколькоспособов:1.Введение нескольких независимых цепей формирования напряжения смещения;2.Введение дифференциальной пары ключей;3.Введение режима и схемы постоянных переключений, при которых коммутационная схемавыполняет переключения вне зависимости от изменения управляющих сигналов.Проведено моделирование для сравнения эффективности этих способов.

Первый способсчитается неэффективным, поскольку не обеспечивает гарантированную независимость цепейформирования напряжения смещения. Моделирование показало, что способы 2 и 3 эффективны,однако коммутирующая цепь с постоянным переключение позволяет добиться фиксированнойдлительности переходного процесса, а значит, практически, исключить негативное влияниепереходного процесса на уровень SFDR, значительно повысив тем самым рабочую полосу частотЦАП. На основе проведённых исследований предложена методика синтеза ЦАП на источникахтока для заданного уровня SFDR:1.Под данным параграфа 3.2 и целевому уровню SFDR определяется минимальнонеобходимая разрядность;2.На основе подхода, изложенного в п. 4.2, тока МЗР (I0) и напряжения питания строятсязависимости SFDR от доли тока утечки и отношений f/fs;3.По полученным зависимостям и целевому значению SFDR определяется отношение f/fs имаксимально допустимый ток утечки;4.В зависимости от требуемого диапазона значений выходного сигнала ЦАП выбираетсялибо каскодная схема источника тока, либо широкодиапазонная схема источника тока;9Соотношения размеров затворов транзисторов источника тока подбираются так, что5.удовлетворить требованиям по току утечки (выходному сопротивлению) из п.

3;На основе моделирования методом Монте-Карло для выбранной технологии и требований6.по выходу годных микросхем определяется площадь, занимаемая источником тока, иархитектура ЦАП с учётом необходимости минимизировать размеры источника тока дляповышения быстродействия;Разрабатывается аналоговая часть ЦАП с использованием следующих рекомендаций:7.минимальные размеры транзисторов ключа, дифференциальный выход и, в случаедопустимости, постоянные переключения. Кроме того, выполняются все уже известныерекомендации, описанные в п.