Диссертация (1143817), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Используются два сегмента, каждый выполненный на основе линейкисопротивлений. Идентичное строение массива взвешивающих элементов обоихсегментов упрощает разработку. Первый сегмент, на который подаются пять старшихразрядов входного кода, называется «грубой стадией». Грубая стадия формирует дваопорных уровня, подаваемые через буферы на второй сегмент. Второй сегмент,называемый «точной стадией», обрабатывает пять младших разрядов и через буфер118формирует выходной сигнал ЦАП. Буферы необходимы в силу слабой нагрузочнойспособности резистивных цепей и исключения влияния нагрузки на нелинейность.D0..4D5..9+Uоп-Uоп551D0..4+Uоп+Uоп R string-Uоп-Uоп1Грубая стадияD0..4+Uоп R string Uвых-Uоп1UвыхТочная стадияРисунок 6.1 – Структура сегментного резистивного ЦАПСтруктура точной стадии такая же, как было показано на рисунке 5.16. Структурагрубой стадии отличается и показана на рисунке 6.2.
Данная структура имеет вдвоебольшеечислоключей,чемчисловзвешивающихэлементов.Управлениеосуществляется также унитарным кодом A.+UопAMRAM-12N штукR+Uвых-UвыхAM-2A1RA0-UопРисунок 6.2 – Структура первого резистивного ЦАП во сегментного ЦАПДля сокращения числа ключей и, как следствие, сокращения площади и сложностиразработки аналоговой части в данной работе предлагается использовать иную структуругрубой стадии, показанную на рисунке 6.3.119+Uоп2N штукRRSM+1SMSM-1UнечётUчётS1АналоговыйКМОП ключRS0-UопРисунок 6.3 – Предложенная структура грубой стадииПредложенная структура грубой стадии двое меньшее число ключей, а управлениеключами осуществляется специальным кодом S. Так как предложенная структура имеетвыходы не +Uоп и -Uоп, а Uчет и Uнечет, то в структуру ЦАП был включён блокмультиплексоров, устанавливающих соответствие между Uнечёт/Uчёт и +Uоп/-Uоп взависимости от значения D5.
Модифицированная структура показана на рисунке 6.4.D0..4D5..9+Uоп-Uоп55D5D0..4Uнечёт+Uоп R stringUчёт-UопUнечёт D +UопMUXUчёт-Uоп11D0..4+Uоп R string Uвых-Uоп1UвыхРисунок 6.4 – Предложенная структура резистивного ЦАП с уменьшенным числомключейКод S который в отличие от унитарного кода, использовавшегося в исходнойструктуре на рисунке 6.2, имеет две смежных «1». Например, для разрядности 3 и кода D= 4 код S будет «000110000». Структура дешифратора для кода S показана на рисунке 6.5.D5..9X0..4Дешифратор адреса120Y0..310A01A0A11S0S1A0..31A3101S32Рисунок 6.5 – Дешифратор для кода SКроме того, моделирование граничных параметров компонентов («corners»)показало, что отклонение значения сопротивления резистора составляет около 25%, атранзистора – 10%. Поэтому из соображений повышения выхода годных микросхемпредлагаетсяиспользоватьтранзисторы,какэтовделаетсякачествеврезистивныхM-2Mструктурах.взвешивающихВкачествеэлементоврезистивноговзвешивающего элемента используется открытый аналоговый КМОП ключ.6.2 Разработка топологии ЦАППредложенная структура сегментного ЦАП позволяет унифицировать разработкутопологии взвешивающих элементов, так массивы взвешивающих элементов обоихсегментов идентичны.
Отличаться будут лишь массивы ключей, рассогласование которыхне влияет на нелинейность ЦАП.Так как в разработанном ЦАП 32 взвешивающих элемента, то ближайшаяквадратная шахматная доска получается 6×6. Эта доска имеет сходящееся решение(показано на рисунке 6.6). Серым цветом отмечены пустые клетки. Однако из-законфигурации взвешивающего элемента, который имеет размеры 5,42 мкм × 3,06 мкм,топология вида 6×6 будет неквадратной, что ухудшит качество согласования121взвешивающих элементов.
Поэтому предлагается использовать неквадратные доски. Длятакого взвешивающего элемента наиболее близкой к квадратной топология получаютсядля шахматных досок 4×8 (отношение сторон 0,89) и 5×8 (отношение сторон 1,11).Очевидно, что шахматная доска 4×8 предпочтительнее так, как не будет иметь пустыхклеток, а значит будет занимать меньшую площадь. Однако, как было отмечено ранее впараграфе 5.6, неквадратные шахматные доски могут иметь несходящиеся решения, вчастности, на шахматной доске 4×8 по правилу Варнсдорфа не удаётся сделатьнеобходимое число ходов, ни изменив начальную точку, ни изменив порядок принятиярешения в неопределённых ситуация.
Поэтому в соответствии с третьей рекомендациейпо выходу из тупиковой ситуации, необходимо увеличить одну из размерностейшахматной доски на 1, таким образом получаются шахматные доски 5×8 или 4×9. Как ужебыло сказано ранее, доска 5×8 второй кандидат для получения квадратной топологиимассива и имеет множество вариантов обхода по правилу Варнсдорфа. Один извариантов обхода шахматной доски 5×8 по правилу Варнсдорфа показан на рисунке 6.7.110312071219811302192253213618 3261627 2422 529 14174152823Рисунок 6.6 – Решение обхода шахматной доски 6×6 на 32 хода1221 10 252429 2623 2827 832 311 1831722 2912 17414 1921 306 151316520Рисунок 6.7 – Решение обхода шахматной доски 5×8 по правилу ВарнсдорфаСтоит отметить, что эффективность снижения INL зависит от пути обхода шахматнойдоски, и путём перебора всех возможных вариантов путей обхода для заданнойшахматной доски можно найти оптимальный с точки зрения снижения INL путь обхода.Однако в данной работе этот вопрос не рассматривается.
Задача данной работыподтвердить, что предложенная методика «шахматного коня» и выводы, лежащие в еёоснове, позволяют снизить INL.Топология массива взвешивающих элементов представлена на рисунке 6.8.Топология разработанного ЦАП показана на рисунке 6.9. Для проверки эффективностипредложенной методики расстановки взвешивающих элементов разработана тестоваямикросхема, содержащая два ЦАП: один ЦАП без компенсации систематической ошибки,другой ЦАП с предложенной методикой «шахматного коня».
Топология разработаннойтестовой микросхемы показана на рисунке 6.10.123Рисунок 6.8 – Топология массива взвешивающих элементов124Рисунок 6.9 – Топология разработанного ЦАП125Рисунок 6.10 – Топология тестовой микросхемыРазмещение двух ЦАП на одной микросхеме позволить исключить множествофакторов,снижающихдостоверностьрезультатов,которыебудутполученывдальнейшем.6.3 Методика измерений ЦАПДля проведения экспериментальных исследований была разработана печатнаяплата.
Топология двухсторонней печатной платы показана на рисунке 6.11. На рисунке6.11а показана топология верхнего слоя печатной платы, на рисунке 6.11б показанатопология нижнего слоя печатной платы. Плата была разработана с учётом установки вмакетную плату типа «Breadboard». Кроме того, была разработана плата резистивногоделителя для того, чтобы преобразовывать логические уровни входного цифровогосигнала к уровням 0 и 1,8 В. Фотография образца тестовой микросхемы ЦАП показана на126рисунке 6.12. На рисунке 6.13 показана фотография печатной платы с тестовоймикросхемой ЦАП.а)б)Рисунок 6.11 – Топология верхнего (а) и нижнего (б) слоёв тестовой печатной платыРисунок 6.12 – Фотография образца тестовой микросхемы ЦАП127Рисунок 6.13 – Печатная плата с образцом тестовой микросхемы ЦАПСхема измерения статических характеристик ЦАП представлена на рисунке 6.14.
Дляпитания микросхемы необходимы 4 напряжения питания: +1,65 В, -1,65 В, +0,9 В, -0,9 В.Земли источников питания и печатной платы соединены вместе. Структура блоков платысбора данных, задействованных для проведения измерений, изображена на рисунке 6.15.Так как цифровой выход платы сбора данных имеет напряжение питания,превышающее, 1,8 В, то выходной 10-ти разрядный код с платы сбора данных подаётсянавходпечатнойплатысмикросхемойЦАПчерезрезистивныйделитель,осуществляющий преобразование уровней напряжения до 1,8 В.
Выходные аналоговыесигналы с печатной платы подаются на аналоговые входы платы сбора данных.128от ПКD0..9Плата сбора In1данныхIn2GND10Резистивныйделитель-0.9 V+0.9 VИсточники-1.65 Vпитания+1.65 VGND10D0..9UБКUШКПечатная-0.9 Vплата с+0.9 Vобразцом-1.65 VИС+1.65 VGNDРисунок 6.14 – Схема измерения микросхемы ЦАПЦифровыхвходы/выходыUSBинтерфейсУправляющаялогикаАналоговыйвход (АЦП)Рисунок 6.15 – Структура платы сбора данныхДля управления платой сбора данных в среде LabView была написана программа.Программа обеспечивает выполнение платой сбора данных следующих действий:–На вход ЦАП подаётся линейно нарастающий код D (см.
рисунок 6.15), частота сменыкоторого 110 мс;–Через 10 мс после формирования входного кода ЦАП плата сбора данных снимаетзначения напряжения на выходах платы 10 раз с интервалом 10 мс;–Усреднённое значение выходного напряжения для каждого кода записывается вфайл.129D43210010мс020мс030мс040мсtРисунок 6.16 – Входной код ЦАП, формируемый платой сбора данныхПри проведении измерений использовалось следующее оборудование:1.Источник питания Agilent E3634A – 2 шт.;2.Источник питания Keysight B2912A – 1 шт.;3.Плата сбора данных – NI USB 6002 – 1 шт.;4.Камера тепла и холода Tabai MC-71W – 1 шт.Камера тепла и холода позволяет проводить измерения в диапазоне температур от -75°C до +100 °С.
Фотографии экспериментальной установки представлены на рисунках 6.17–6.19.130Рисунок 6.17 – Фотография экспериментальной установкиРисунок 6.18 – Фотография экспериментальной установкиРисунок 6.19 – Фотография установленной платы с тестовой микросхемой ЦАПДанная экспериментальная установка позволила провести измерения для трёхтемператур.1316.4 Результаты измеренийБыло проведено исследование 5 образцов в диапазоне температур от –40 °C до+80 °С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
