Диссертация (1143817), страница 12
Текст из файла (страница 12)
3;6.На основе моделирования по Монте-Карло для выбранной технологии итребований по выходу годных микросхем определяется площадь, занимаемаяисточником тока, и архитектура ЦАП с учётом необходимости минимизироватьразмеры источника тока для повышения быстродействия;7.При разработке аналоговой части ЦАП используются следующие решения:минимальные размеры транзисторов ключа, дифференциальный выход и, случаедопустимости, постоянные переключения. Кроме того, выполняются все ужеизвестные рекомендации, описанные в п. 4.1, по согласованию задержек, скоростейнарастания и моменту переключения ключей;8.Для определённого в п.
3 отношения f/fs, с учётом логарифмической зависимостиSFDR от fs, подбирается частота смены кода, удовлетворяющая целевому значениюSFDR.Рассмотрим пример синтеза без учёта требований по выходу годных специфичныхдля каждой технологии и задачи, поэтому для упрощения в примере будет рассмотренбинарный ЦАП. Пусть целевой SFDR = 70 дБ, тогда, как следует из таблиц 3.1, такой85уровень SFDR достигается N = 10 и f/fs = 0,005. Проведём моделирование по методике изпараграфа 4.2 для полученных данных разрядности и отношения частот.
Результатыпоказаны в таблице 4.7. Из таблицы видно, что достаточно обеспечить ток утечки неболее 10%.Таблица 4.5 – Результаты моделирования уровня SFDR от тока утечкиpleak100,00%75,00%50,00%25,00%10,00%7,50%5,00%SFDR, дБ49,2953,1158,8369,5771,4471,4471,44Используем для разработки ЦАП широкодиапазонный источник тока. Выбранныеразмеры транзисторов обеспечивают ток утечки на уровне 3%, что не превышаетдопустимый уровень в 10%. Далее собирается схема 10-ти разрядного ЦАП сдифференциальнымвыходомипостояннымипереключениями.Проводитсямоделирование SFDR ЦАП от ts. Результаты моделирования представлены в таблице 4.8.Таблица 4.6 – Результаты моделирования уровня SFDR от периода дискретизации tsts, нс123456SFDR, дБ51,1262,4867,5271,6571,6871,69Из таблицы видно, что при ts ≥ 4 нс наступает насыщение уровня SFDR и достигаетсяцелевой уровень.
Таким образом получен 10-ти разрядный с уровня SFDR 70 дБ ибыстродействием 250 Мотсчётов/с.4.6 ВыводыВ данной главе рассмотрены известные факторы снижения уровня SFDR такие, как:конечность выходного сопротивления источника тока, рассогласование управляющихсигналов и просачивание управляющих сигналов в аналоговую часть схемы ЦАП.Отмечено, что рассогласование управляющих сигналов имеет уже хорошо известныерешения: синхронизирующая логика, балластные ячейки для выравнивания нагрузочныхсопротивление, древовидные схемы размещения проводников на топологии иподстройка драйверов на минимизацию продолжительности момента, когда оба ключаоткрыты.Предложена методика определения требований к выходному сопротивлениюисточника. Так как вклад тока, протекающего через выходное сопротивление источника86тока, зависит от соотношения этого тока и тока ячейки, то предложено использовать вкачестве параметра не отношение выходного сопротивления к сопротивлению нагрузки,а отношение тока утечки к току ячейки.
Предложенная методика позволяет определитьдля заданного значения SFDR и разрядности ЦАП отношение f/fs и максимальнодопустимый ток утечки и, как следствие, требования к выходному сопротивлениюисточника тока.Далее рассматриваются три варианта схемы источника тока: простая, каскодная иширокодиапазонная. Для каждой схемы строится ЦАП и проводится моделированиеуровня SFDR.
Результаты показали, что при одинаковом выходном сопротивлениикаскодная и широкодиапазонная схемы позволяют достичь более высоких показателейSFDR.Так как одним из факторов снижения уровня SFDR является просачиваниеуправляющих сигналов в аналоговую часть схемы, предложено проверить, какую роль вэтомиграетнаиболееинерционнаяцепьнапряжениясмещения.Проведеномоделирование с подключением напряжения смещения напрямую и через идеальныйповторитель. Результаты показали, что разница составляет несколько десятков децибел.Существует несколько известных способов решения этой проблемы: введениенескольких цепей напряжения смещения, дифференциальный ключ и постоянныепереключения.
Первый способ является сложнореализуемым и не применяется. Дваоставшихся способа предложено проверить с помощью моделирования. Результатымоделирования показали, что наибольший выигрыш по уровню SFDR дают постоянныепереключения, так как позволяют добиться одинаковых по форме и длительностипереключений, а значит, как следует из выводов главы 3, постоянные переключенияявляются наилучшим способом поднять уровень SFDR.На основе изложенного предложена методика синтеза ЦАП на источниках тока,позволяющая по целевому уровню SFDR определить параметры схемы и характеристикиЦАП. Рассмотрен пример синтеза ЦАП с уровнем SFDR 70 дБ.875Методика расстановки взвешивающих элементов5.1 Систематическая ошибкаКак известно, статическая нелинейность ограничивает максимальный уровень SFDR,который можно наблюдать в области низких частот. Главным образом в этой областиуровень SFDR определяет интегральная нелинейность.
Интегральная нелинейностьобусловлена не только схемотехнической нелинейностью (нелинейность компонентов идругие особенности схемы), но и технологическим разбором. Технологический разбросимеет две компоненты: случайную ошибку и систематическую ошибку. Случайнаяошибка влияет на один элемент, систематическая ошибка охватывает группу элементов.Способ уменьшения влияния случайной ошибки общеизвестен и универсален:увеличение площади, занимаемой элементом.Компенсация систематической ошибки не имеет такого общеизвестного иуниверсального решения. Для ЦАП данный вопрос наиболее проработан только дляунарной архитектуры.
В унарных ЦАП для компенсации систематической ошибкиприменяются специальную расстановку взвешивающих элементов на топологии. Нарисунке 5.1 проиллюстрировано представление расстановки взвешивающих элементовна топологии на примере ЦАП на источниках тока. Источники тока I1–I4 (рисунок 5.1а),реализуемые на транзисторах T1–T4 (рисунок 5.1б), могут быть расставлены на топологиитак, как показано на рисунке 5.1в, где числами отмечены номера транзисторов. Такуютопологию можно представить в виде матрицы (рисунок 5.1г), где в ячейке записан номертранзистора.88Iвыха)I1I2I3I4б)T1T2T3T41234в)г)1 23 4Рисунок 5.1 – Представление расстановки взвешивающих элементов ЦАП на топологииВ идеальном случае значения всех взвешивающих элементов унарного ЦАПодинаковы и равны либо току I0, либо напряжению U0.
В случае присутствиясистематической ошибки, значение взвешивающего элемента будет отклоняться от этогозначения: = 0 + ∆ ; = 0 + ∆ ;Для удобства можно перейти нормировать значение взвешивающего элемента наего номинальное значение:89∆ ∆=1+;= 1+;00 00Таким образом, в общем виде, значение i-го взвешивающего элемента f(i) можнозаписать в виде:() = 1 + ( , )Где ferr(x, y) – нормированное значение систематической ошибки в точке с координатами(x; y), а xi и yi – координаты i-го взвешивающего элемента.В литературе влияние систематической ошибки предлагается учитывать с помощьюаппроксимации в виде разложения в ряд Тейлора, причём принято считать, чтодостаточно учёта только первых двух членов [2.6, 4.8, 5.1–5.4].
То есть функцияаппроксимации систематической ошибки имеет три вида: линейная, квадратичная икомбинированная. Аппроксимирующие функции имеют следующий вид:, (, ) = ( − ) + ( − ),2, (, ) = ( − )2 + ( − ) ,11, (, ) = , (, ) + , (, ),22где x и y – номер строки и столбца взвешивающего элемента или его части, ax и ay –коэффициентыошибки,определяющиеотклонениезначенийдвухсоседнихвзвешивающих элементов или их частей, bx и by – точка начала функции аппроксимации.Иллюстрации видов аппроксимации систематической ошибки представлена на рисунках5.2–5.4.90Рисунок 5.2 – Пример нормированной линейной аппроксимации систематическойошибкиРисунок 5.3 – Пример нормированной квадратичной аппроксимации систематическойошибкиРисунок 5.4 – Пример нормированной комбинированной аппроксимациисистематической ошибкиТаким образом, значение взвешивающего элемента без разделения с учётомсистематической ошибки можно представить в виде:(, ) = 1 + (, ).В случае разделения:91(1 , … , , 1 , … , ) = ∑=11+ ( , ),где m – число частей взвешивающего элемента, xi и yi – координаты i-ой частивзвешивающего элемента5.2 Обзор методик компенсации систематической ошибки в ЦАПИзвестно множество методик, которые можно встретить в работах [2.2, 2.6, 2.9, 4.6,4.8, 4.12, 5.1–5.20].
Большинство методик можно разделить на несколько групп: «строкастолбец»,«собщимцентром»,«сперемешиваниемквадрантов»,«сполнымраспределением». Разделение методик на указанные группы опирается на два ключевыхпризнака:разделёнвзвешивающихэлементначастиилинет,размещениевзвешивающих элементов (или их частей) обладает или не обладает симметриейотносительно центра массива. Однако встречаются методики, являющиеся результатомкомбинации методик из разных групп, например в работах [4.6, 4.8, 5.5–5.7].Дифференциация таких методик в рамках предложенных признаков оказываетсязатруднительной.В группу «строка-столбец» можно отнести методики, описанные в работах [2.2, 5.3,5.8–5.12]. Методики этой группы являются наиболее простыми, так как взвешивающиеэлементы не делятся на части, а порядок строк и столбцов меняется.
Как правило, номерастрок и столбцов делают симметричным относительно центра массива. Отмечается, чтоданныеметодикиэффективныспособнычастичноскомпенсироватьлинейнуюсоставляющую систематической ошибки.В группу «с общим центром» можно отнести методики из [2.9, 4.12, 5.13–5.16].Методики этой группы являются наиболее часто встречающими и предполагаютразделение взвешивающего элемента на части (от 2 до 16 частей) и симметричноеразмещение частей взвешивающих элементов относительно центра массива.
Отмечается,что данные методики, в отличие от методик «строка-столбец», способны полностьюскомпенсировать линейную составляющую систематической ошибки, однако имеют внесколько раз большее число элементов на топологии, что усложняет разработку ЦАП.92Методики, использованные в работах [2.6, 5.1–5.2, 5.17–5.18], можно отнести к группе«с перемешиванием квадрантов». В методиках этой группы взвешивающий элемент неделятся на части и располагаются в массиве асимметрично.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
