Автореферат (1143816), страница 3
Текст из файла (страница 3)
4.1, по согласованию задержек, скоростей нарастания имоменту переключения ключей;Для определённого в п. 3 отношения f/fs, с учётом логарифмической зависимости SFDR от8.fs, подбирается частота дискретизации, удовлетворяющая целевому значению SFDR.В пятом разделе рассматриваются методики компенсации систематической ошибки вунарных ЦАП. Описаны принятые способы представления систематической ошибки ииспользуемые аппроксимации.Предложено большинство методик разделить на группы: «строка-столбец», «с общимцентром», «с перемешиванием квадрантов», «с полным распределением». Так как для данныхметодик отсутствуют выражения, позволяющие получать координаты взвешивающего элементана топологии по его индексу, то символьное доказательство их эффективности оказываетсяневозможным.
Для некоторых методик оказывается возможным выделить свойства размещениявзвешивающих элементов и в символьном виде показать их эффективность (то есть возможностьполной компенсации систематической ошибки) для некоторых случаев аппроксимациисистематической ошибки. Например, для методики из группы «строка-столбец» можно заметитьследующие свойства:2 = + 1 − 2−1 ↔ +2 = + 1 − +2−1 , = 1. . , = 0. . − 122+ = + 1 − (2+1)+ , = 0. . − 1, = 1. . 2где xi и yi – номер строки и номер столбца i-го взвешивающего элемента, v – размерностьквадратной матрицы.
Тогда для линейной аппроксимации систематической ошибки значениехарактеристики преобразования T для входного кода D можно записать в виде: = + .−1 = + ∑ ∑ ( (+ − ) + (+ − )) + ∑ ( (+ − ) + (+ − ))= =1=1Если = (2 − 1) + = · 2,тогда:10+1+1 = (1 + (− ) + (− ))22То есть значение характеристики преобразования не зависит от координат взвешивающихэлементов, а только от параметров систематической ошибки.
Таким образом, для кодов кратных2v, линейная составляющая систематической ошибки будет полностью скомпенсирована.Для методик из группы «с общим центром» в случае разбиения элемента на 4 частисправедливо свойство:2 = 1 ; 2 = 4 = − 1 ;3 = 4 = − 1 ; 3 = 1 ;где xi – координаты i-ой части взвешивающего элемента. Тогда подставим координаты частей ввыражение для значения взвешивающего элемента:44=1=11(1 , 2 , 3 , 4 , 1 , 2 , 3 , 4 ) = ∑ + , ( , ) = 1 + ∑ ( ( − ) + ( − )) =4= 1 + 2 · + 2 · − 4 − 4Получили, что значение взвешивающего элемента зависит только от параметровсистематической ошибки и не зависит от координат его частей.
Тогда значения всехвзвешивающих элементов будут одинаковы и вклад линейной составляющей систематическойошибки в нелинейность ЦАП будет полностью скомпенсирован. Для методик из группы «сполнымраспределением» удаётсявсимвольномвидедоказатьэффективностьдлясистематической ошибки любого порядка без учёта поворота и до 3-го включительно с учётомповоротаосейаппроксимациисистематическойошибкиотносительноосеймассивавзвешивающих элементов.Как видно, для методик из групп «строк-столбец» и «с общим центром» эффективность дляквадратичной и комбинированной аппроксимаций остаётся неизвестной.
А для методик изгруппы «с перемешиванием квадрантов» не удаётся выделить никаких свойств размещениявзвешивающих элементов, как следствие, эффективность даже для линейной аппроксимацииостаётся не установленной. Поэтому единственной возможностью для сравнения эффективностивсех методик при всех возможных случаях аппроксимации систематической ошибки остаётсячисленное моделирование.Проведён сравнительный анализ методик из разных групп. По результатам данногоанализа, показанным на рис. 2 и 3, сделаны следующие выводы:1.Для снижения дифференциальной нелинейности необходимо разделение элемента на части.Чем больше частей, тем ниже дифференциальная нелинейность;2.Для снижения интегральной нелинейность необходимо либо разделение элемента на части,либоасимметричное(«случайное»)размещениевзвешивающихэлементов.Асимметричное размещение взвешивающих элементов эффективней разделения на 4 частии сопоставимо по эффективности с разделением на 16 частей;113.Методики«сполнымраспределением»позволяют,практически,полностьюскомпенсировать систематическую ошибку, однако их применение эквивалентно, какминимум, удвоению разрядности ЦАП.Замечено, что рассмотренные методики подходят для ЦАП на источниках тока, но непригодны для использования в резистивных ЦАП, поскольку в резистивных ЦАП дляисключения влияния сопротивления проводников необходимо обеспечить одинаковоерасстояние между взвешивающими элементами.
Для повышения уровня SFDR необходимоснижение интегральной нелинейности, что в свою очередь достигается асимметричнымразмещением взвешивающих элементов (см. вывод 2). Как следствие, была предложена методикаразмещения «Шахматный конь», основанная на задаче обхода шахматной доски фигурой «конь»,впервые рассмотренная в работах Леонарда Эйлера. Моделирование показало, что размещениевзвешивающих элементов по такой методике оказывается эффективным для сниженияинтегральной нелинейности (рис. 4).Рис. 2Рис.
312Рис. 4В шестом разделе представлена разработка тестовой микросхемы для проверкиэффективности предложенной методики. Кристалл микросхемы выполнен по технологиикомпании UMC 180 нм MM/RF по программе Europractice. Рассмотрена структура резистивногосегментного ЦАП. Предложено использовать сегменты по 5 разрядов, так как это не толькоявляется оптимальным с точки зрения минимизации числа взвешивающих элементов, а значит изанимаемой на кристалле площади, но позволяет унифицировать разработку массивавзвешивающих элементов для обоих сегментов.В данном ЦАП предложено использовать модифицированную грубую стадию суменьшенным число ключей для сокращения занимаемой на кристалле площади.
Для управлениягрубой стадией требуется квазиунитарный код (унитарный код с двумя смежными «1»), для чегобыл разработан специальный дешифратор. Была разработана топология тестовой микросхемы,содержащей два ЦАП: один без компенсации систематической ошибки, другой – с компенсациейпо предложенной методике. Топология и фотография кристалла тестовой микросхемы показанына рис. 5 и 6.Результаты измерения образцов тестовой микросхемы в рабочем диапазоне температур от-40° C до +85 °C показали, что предложенная методика размещения «Шахматный конь»позволяет на 20% снизить максимальную и среднюю интегральную нелинейность (рис. 7 и 8) и,как следствие, на 6 дБ повысить уровень SFDR.13Рис. 5Рис. 6Рис. 7Рис.
8В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе.14Основные результаты работы заключаются в следующем:1.Предложено правило формирования логической функции произвольного выхода«термометрического» дешифратора произвольной разрядности. Данное правило позволяетпроектировать дешифратор с меньшим числом транзисторов и уменьшенной задержкой.2.Предложенаметодикаструктурногосинтеза«термометрического»дешифратора,позволяющая получать схему и топологию для дешифратора произвольной разрядности.Предложенная методика за счёт использования библиотеки готовых цифровых ячеекпозволяет автоматизировать процесс разработки дешифратора.3.Проведён анализ динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих, дляфункциональной модели ЦАП. Установлены зависимости SFDR от соотношения частот иразрядности. Анализ показал, что после введения в модель переходного процессафиксированной длительности не происходит уменьшения рабочей полосы частот ЦАП (тоесть полосы частот с уровнем SFDR не меньше заданного).
Моделирование показало, чтоуменьшение рабочей полосы частот ЦАП происходит только после введения в моделькодовой зависимости длительности переходного процесса. Предложены рекомендации порасширению рабочей полосы ЦАП.4.Проведён анализ динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих, длясхемы ЦАП на источниках тока.
Определён допустимый ток утечки (а, следовательно, ивыходное сопротивление источника тока) для различных соотношений частот иразрядностей. Проведён анализ различных схем источника тока при одинаковом выходномсопротивлении. Установлено, что каскодная и широкодиапазонная схемы дают болеевысокие значения уровня SFDR. Замечено, что флуктуации напряжения на шиненапряжениясмещенияоказываютзначительноевлияниенауровеньSFDR.Промоделированы два способа снижения флуктуаций; замечено, что решение спостоянными переключениями позволяет добиться одинаковых по форме и длительностипереходных процессов, а значит исключить доминирующий фактор снижения SFDR ирабочей полосы частот.
На основе полученных результатов сформулирована методикапараметрического синтеза ЦАП на источниках тока.5.Проведён обзор известных способов компенсации систематической ошибки. Установленыфакторы, влияющие на снижение уровня DNL и INL. Даны рекомендации по выборуметодики компенсации систематической ошибки в зависимости от разрядности ЦАП.Отмечено, что известные методики пригодны для ЦАП на источниках тока, но не могутприменяться для резистивных унарных ЦАП. На основе выявленных закономерностейпредложена методика расстановки «шахматный конь», позволяющая снизить INLрезистивного ЦАП.6.Для проверки основных теоретических выводов, в том числе эффективности предложеннойметодики «шахматный конь», разработан 10-ти разрядный сегментный резистивный ЦАПи тестовая микросхема.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
