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

1414ВведениеАктуальность темы исследованияВ системах телекоммуникаций развитие цифровых способов управления и ихинтеграция с аналоговой частью вызывают потребность в интерфейсных устройствахтаких, как цифро-аналоговые преобразователи. Цифро-аналоговый преобразователь(ЦАП) осуществляет преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал. Требования,выдвигаемыекЦАП,касаютсяразрядности,быстродействия,нелинейности,потребляемой мощности и динамического диапазона.Наиболеевостребованнымивсистемахтелекоммуникацийоказываютсяпараллельные ЦАП. В параллельных ЦАП обработка всех разрядов цифрового кода,подаваемого на вход ЦАП, происходит одновременно (или параллельно). В ЦАП дляформированиявыходногоаналоговогосигналаиспользуютсятакназываемые«взвешивающие элементы».

Взвешивающих элемент в зависимости от управляющегосигнала формирует аналоговый сигнал в виде тока или напряжения, пропорциональныйпо величине «весу» этого элемента. Для параллельных ЦАП существует две базовыхархитектуры: бинарная и унарная. В бинарной архитектуре число взвешивающихэлементов равно разрядности ЦАП N, а «веса» взвешивающих элементов представляютпоследовательность чисел 20, 21, …. , 2N-1. В унарной архитектуре число взвешивающихэлементов равно 2N-1, а «веса» одинаковы и равны 1.

В параллельных ЦАП используютсятри 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 freedynamic range). На данную характеристику влияют как скорость переключения при сменевходного цифрового сигнала, так и характер переходного процесса при переключении, астатическая нелинейность определяет максимально достижимое значение SFDR вобласти низких частот.5Целью 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.Анализ динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих, сиспользованием функциональной модели ЦАП;3.Анализ динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих, сиспользованием схемы ЦАП на источниках тока;4.Разработка методики расстановки взвешивающих элементов на топологиикристалла ЦАП для компенсации влияния систематической ошибки и снижениянелинейности;5.Разработка и экспериментальные исследования резистивного ЦАП для проверкиосновных теоретических выводов.Научная новизна результатов диссертационной работы:1.Предложена формализованное правило формирования логической функциипроизвольноговыхода«термометрического»дешифраторапроизвольнойразрядности для разработки дешифратора со сниженным числом логическихэлементов и сниженной задержкой;2.Показано, что для повышения динамического диапазона, свободного от паразитныхсоставляющих, следует использовать каскодную и широкодиапазонную схемыисточника тока, а также схему коммутации с постоянными переключениями,исключающую кодовую зависимость длительности переходного процесса;3.Установлено, что асимметричное размещение взвешивающих элементов натопологии кристалла ЦАП позволяет снизить интегральную нелинейность, причёмбез разделения взвешивающего элемента на части не обеспечить снижениядифференциальной нелинейности;4.Предложена модифицированная структура ЦАП на основе линейки сопротивленийс вдвое меньшим числом ключей и использованием КМОП-транзисторов в качестве6взвешивающего элемента для повышения выхода годных микросхем и сокращениязанимаемой площади кристалла ЦАП;Практическая и теоретическая значимость результатов диссертационнойработы:1.Предложенаметодикаструктурногосинтезадешифратора,позволяющаяполностью автоматизировать разработку дешифратора произвольной разрядности;2.Предложена методика анализа с использованием функциональной модели ЦАП,позволяющая определять разрядность и соотношение частот для достижениятребуемого динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих;3.Предложена методика параметрического синтеза ЦАП на источниках тока длязаданного динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих;4.Предложена методика структурного синтеза «термометрического» дешифраторапроизвольнойразрядности,позволяющаяавтоматизироватьразработку«термометрического» дешифратора.Методы исследованияПри решении поставленных задач использовались методы анализа и синтезаэлектрических цепей, в том числе анализ во временной области, синтез кода на языкеописания аппаратуры, функциональное и эквивалентное представление электрическихсхем, моделирование профиля систематической ошибки.

Расчёты и моделированиепроводились с применением программы MatLab и программного пакета CadenceVirtuoso. Для проведения экспериментальных исследований разработана программноаппаратная платформа с использованием среды программирования LabVIEW и платысбора данных от компании National Instruments.Положения, выносимые на защиту:1.Для уменьшения задержки «термометрического» дешифратора при многомерномпостроении дешифратора следует разбивать входной код на оптимальное число7групп одинаковой разрядности, определяемое при каскадном построенииподдешифраторов как квадратный корень из разрядности дешифратора.2.Дляувеличениядинамическогодиапазона,свободногоотпаразитныхсоставляющих, необходимо либо исключить кодовую зависимость длительностипереходного процесса, либо уменьшать частоту восстанавливаемого сигнала за счётуменьшения отношения f/fs.3.Для получения достоверной оценки уровня SFDR в ЦАП на источниках тока с учётомконечности выходного сопротивления источника тока необходимо учитыватьотношение тока утечки к току источника тока;4.Для полной компенсации систематической ошибки до 3 порядка аппроксимацииошибки включительно следует использовать методики размещения взвешивающихэлементов ЦАП, в которых элемент разбит на 2N частей, находящихся в каждомстолбце и каждой строке массива взвешивающих элементов;5.Расстановка взвешивающих элементов на топологии кристалла ЦАП по методике«Шахматныйконь»,обеспечивающаяодинаковоерасстояниемеждувзвешивающими элементами на топологии, позволяет повысить уровень SFDR,снижая максимальную и среднюю интегральную нелинейность ЦАП на 20%.Степень достоверности и апробация результатовДостоверностьрезультатовработыиобоснованностьнаучныхвыводовподтверждается соответствием представленных аналитических расчётов и результатовмоделирования на схемотехническом уровне с данными экспериментальных измерений,проведённых на современном оборудовании.Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научнотехнических конференциях:1.X международный научно-практический семинар«Проблемы современнойаналоговой микросхемотехники», Шахты, ИСОиП (филиал) ДГТУ, 1-2 октября 2013.2.VIВсероссийскаянаучно-техническаяконференция «Проблемы разработкиперспективных микро- и наноэлектронных систем – 2014 (МЭС-2014)», Москва,ИППМ РАН, 29 сентября – 03 октября 2014.83.VIIIНаучно-техническойконференциимолодыхспециалистовпорадиоэлектронике, Санкт-Петербург, ОАО «Авангард», 28 апреля 2015.4.2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic EngineeringConference (EIConRusNW), Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 2–3 февраля 2016.5.Материалы ХVIII конференции молодых учёных «Навигация и управлениедвижением» с международным участием, Санкт-Петербург, ГНЦ РФ АО «Концерн«ЦНИИ «Электроприбор», 15–18 марта 2016.6.2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and ElectronicEngineering (EIConRus), Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 1–3 февраля 2017.7.2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and ElectronicEngineering (EIConRus), Санкт-Петербург, СПбГЭТУ, 29 января – 1 февраля, 2018.8.2018 International Symposium on Consumer Technologies (ISCT), Санкт-Петербург,Российская Cеверо-Западная секция IEEE, 11-12 мая 2018.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.Общий объём диссертационной работы составляет 150 страниц, в том числе 150страницы основного текста, 99 рисунков, 25 таблиц и списка литературы из 97наименований.Вклад автора в разработку проблемыОсновныерекомендации,научныерасчёты,положения,моделированиетеоретическиеивыводы,экспериментальныепрактическиерезультатыдиссертационной работе разработаны и выполнены автором самостоятельно.в91Обзор текущего состояния в области разработки цифро-аналоговыхпреобразователей1.1 Цифро-аналоговый преобразовательЦифро-аналоговыйпреобразователь(ЦАП)–устройствопреобразованияцифрового сигнала в аналоговый сигнал, представляемый в виде тока или напряжения.Пример трёхразрядного цифрового сигнала D, подаваемого на вход ЦАП, показан нарисунке 1.1, где D0-D2 – разряды этого цифрового сигнала, а ts период смены цифровогосигнала (период дискретизации).