Диссертация (1143817), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Длина транзисторов в источниках тока выбрана так, чтобы обеспечитьодинаковое выходное сопротивление. Однако стоит заметить, что минимальные размерытранзисторов в источнике тока не рекомендуются, так как снижают устойчивость квлиянию случайных ошибок технологического процесса производства.
При разработкеЦАП необходимо выбирать архитектуру и площадь, занимаемую транзисторамиисточника тока, на основе моделирования по Монте-Карло для данной технологии итребований по выходу годных микросхем.Выходные сигналы ЦАП имеют разные по форме и длительности переходныепроцессы, что соответствует случаю, рассматриваемому в параграфе 3.5.
Результатымоделирования приведены в таблицах 4.2-4.4. График зависимости SFDR от ts для 10-тиразрядного ЦАП показан на рисунке 4.7. На рисунке можно наблюдать участок,соответствующий падающему по логарифмическому закону участку зависимости SFDR отfs, полученной в главе 3. Из таблиц и графика можно сделать следующие выводы:–Зависимости уровня SFDR от ts имеют одинаковый характер вне зависимости от типаисточника тока;–При одинаковом выходном сопротивлении каскодная и широкодиапазонная имеют,примерно, на 10 дБ более высокий уровень SFDR при различных разрядностях;–Каскодная и широкодиапазонная схемы имеют сходный уровень SFDR.Таблица 4.2 – Результаты моделирование SFDR от ts для 8-ми разрядного бинарного ЦАПТип источника токаПростойts, нс27,93514,33818,151020,032026,085034,608039,3310041,7377Каскодный15,20 23,04 27,24 29,27 35,86 45,87 50,26 51,52Широкодиапазонный16,36 24,28 28,51 30,57 37,25 47,69 51,06 52,26Таблица 4.3 – Результаты моделирование SFDR от ts для 10-ти разрядного бинарного ЦАПts, нсТип источника тока810205080100200500Простой18,16 20,00 25,91 33,95 38,16 40,20 46,72 56,41Каскодный27,10 29,05 35,17 43,53 48,06 50,30 58,05 67,95Широкодиапазонный28,35 30,31 36,46 44,91 49,52 51,84 60,02 69,19Таблица 4.4 – Результаты моделирование SFDR от ts для 12-ти разрядного бинарного ЦАПТип источника токаПростойКаскодныйШирокодиапазонный1019,9828,8830,102025,8334,8736,12ts, нс8010037,83 39,7746,97 48,9448,33 50,335033,7442,8544,1520045,8555,1056,6750054,0363,5265,6980058,3368,0870,9910 битПростойКаскодныйШирокодиапазонный65,00SFDR, дБ55,0045,0035,0025,0015,00101001000ts, нсРисунок 4.7 – Семейство зависимостей SFDR от ts для различных схем источника токаПроведённое в данном параграфе моделирование показало, что каскодная схема иширокодиапазонная не только обеспечивают более широкий диапазон выходныхзначений по сравнению с простой схемой, но и более высокое быстродействие и уровеньSFDR.
Таким образом, выбор типа схемы источника тока зависит от диапазона выходныхзначений: если диапазон выходных значений невелик, то предпочтение стоит отдаватькаскодной схеме, так как она проще в реализации (не требуется создавать два78одинаковых опорных тока), если диапазона выходных значений каскодной схемы нехватает, то без потери быстродействия можно перейти к широкодиапазонной схеме.4.4 Флуктуации напряжения смещенияРассмотрим теперь влияние динамического фактора снижения SFDR, упомянутого впараграфе 4.1, – флуктуации напряжения, вызванные просачиванием управляющихсигналов в аналоговую часть схемы ЦАП. Эквивалентная схема ЦАП с учётом цепинапряжения смещения показана на рисунке 4.8. Из рисунка видно, что припереключениях разряда Di происходит инжекция заряда через паразитную ёмкостьзатвор-исток ключевого транзистора Cп1, а далее через паразитную ёмкость затвор-стокисточника тока Сп2 в цепь напряжения смещения.
Цепь напряжения смещения имеетнаибольшую постоянную цепи, так как нагружена в эквиваленте на 2N-1 источник тока.IвыхDiCп1UсмCп2Рисунок 4.8 – Эквивалентная схема ЦАП с учётом цепи напряжения смещенияОценим, насколько велико влияние данного фактора. Для это проведёммоделирование на примере уже упомянутого в параграфе 4.3, 10-ти разрядного ЦАП. Длямоделирования будем использовать широкодиапазонную схему источника тока.
Для79оценки влияния проведём моделирование двух случаев. В первом случае напряжениясмещения, как обычно, напрямую подключаются к ЦАП; во втором случае, напряжениясмещения подключаются к ЦАП через идеальный повторитель. Таким образом, вовтором случае аналоговая часть схемы ЦАП и цепь формирования напряжения смещенияоказываются развязаны.
Результаты моделирования показаны на рисунке 4.9. На рисункепредставлена зависимость уровня SFDR от ts. Видно, что при одной и той частоте сменыкода fs уровень SFDR отличается до 50 дБ (при ts = 100 нс SFDR вырос с 20 дБ дофактически предельного уровня в 68 дБ).НапрямуюЧерез повторитель70,0060,00SFDR, дБ50,0040,0030,0020,0010,000,0010100100010000ts, нсРисунок 4.9 – Результаты моделирования ЦАП с различным подключением напряжениясмещенияПодходы к решению этой проблемы встречаются в литературе и их можнорезюмировать следующим образом:1.Введение нескольких независимых цепей формирования напряжения смещения;2.Введение дифференциальной пары ключей;3.Введение постоянных переключений.Введение нескольких независимых цепей формирования напряжения смещенийпозволяет снизить ёмкостную нагрузку каждой цепи напряжения смещения, однако приэтом кратно возрастёт потребляемая мощность.
Кроме того, потребуется обеспечитьсогласование данных цепей, чтобы получить идентичные напряжения смещения, а80обеспечение полной независимости этих цепей (исключение просачивания сигнала изодной цепи смещения в другую) является достаточно сложной задачей. Поэтому данныйподход оказывается неэффективным и в настоящее время не применяется.Два последних решения предполагают изменения в коммутирующей части ЦАП.Соответствующие схемы показаны на рисунке 4.10. Введение дифференциальной парыключей (рисунок 4.10б) – эффективный широко распространённый подход.
БольшинствоЦАП строятся именно с применением дифференциальной пары ключей.Введение постоянных переключений (рисунок 4.10в) было впервые предложено вработе [4.17]. Данная схема имеет дифференциальный выход, а источник токакоммутируется с каждым выходом одним из двух ключей. Причём если входной код D неизменяется, то всё равно происходит переключение между транзисторами за счёттактового сигнала CLK.IвыхDCLK⋅DIвыхIвыхDDа)б)IвыхIвыхCLK⋅DCLK⋅Dв)CLK⋅D81Рисунок 4.10 – Схемы различных коммутирующих цепей: a – одинарный ключ, б –дифференциальный ключ, в – ключ с постоянным переключениемДлясравненияэффективностиописанныхспособоврешенияпроведёммоделирование для того же 10-ти разрядного ЦАП с тремя типами коммутирующих схем:одиночная,дифференциальнаяиспостояннымипереключениями.Результатымоделирования представлены на рисунке 4.11.ОдиночныйДифференциальныйС постоянными переключениями70,0060,00SFDR, дБ50,0040,0030,0020,0010,000,004404004000ts, нсРисунок 4.11 – Результаты моделирования SFDR для трёх разных коммутирующих цепейИз рисунка видно, что максимального SFDR (около 64-65 дБ) ЦАП с одиночнымвыходом достигает при 5 мкс, с дифференциальным при 200 нс, а с постояннымипереключениями при 10 нс.
То есть переход к дифференциальному выходу позволилповысить быстродействие в 25 раз, а переход к постоянным переключениям ещё в 20 раз.Стоит отметить, что подход постоянных переключений позволяет сделать всепереходные процессы, практически, одинаковыми по форме и длительности, так каквсегда переключаются все ячейки. А, как уже обсуждалось в главе 3, подход,обеспечивающий одинаковые по форме и длительности переходные процессы, являетсянаилучшим способом достижения максимального уровня SFDR.На рисунках 4.12-4.13 показаны результаты моделирования ЦАП без использованияи с использованием постоянных переключений.
На рисунках 4.14 и 4.15 показаныувеличенные фрагменты с графиков 4.12 и 4.13 соответственно. На рисунке 4.14 видно,82что переходные процессы при переключениях различны как по форме, так и подлительности. На рисунке 4.15 видно, что форма и длительности всех переходныхпроцессов идентичны.Рисунок 4.12 – Результаты моделирования для ЦАП с дифференциальным выходомРисунок 4.13 – Результаты моделирования для ЦАП с постоянными переключениями83Рисунок 4.14 – Результаты моделирования для ЦАП с дифференциальным выходомРисунок 4.15 – Результаты моделирования для ЦАП с постоянными переключениямиКак уже упоминалось в параграфе 4.1, при использовании коммутирующих схем сболее, чем одним транзистором, необходимо выполнятьподстройку моментапереключения транзисторов так, чтобы минимизировать время, в течение которого обатранзистора открыты/закрыты.
Это позволит сократить время переключения и,следовательно, повысить SFDR. К недостаткам подхода с постоянными переключениямистоит отнести то, что выходной сигнал будет иметь всплески даже в тех случая, когдавходной код не изменяется.844.5 Методика синтеза ЦАП с повышенными динамическими характеристикамиНа основе выше изложенного предлагается следующая методика параметрическогосинтеза ЦАП: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 питаниястроятся зависимости SFDR от доли тока утечки и отношений f/fs;3.По полученным зависимостям и целевому значению SFDR определяется отношениеf/fs, максимально допустимый ток утечки;4.В зависимости от требуемого диапазона выходных значений выбирается либокаскоднаясхемаисточникатока(длянебольшогодиапазона),либоширокодиапазонная схема источника тока (для большого диапазона);5.Соотношения размеров затворов транзисторов источника тока подбираются так,что удовлетворить требования по току утечки (выходному сопротивлению) из п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
