Диссертация (1143817), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Результаты измерений для одного из образцов представлены в таблице 6.1. Нарисунках 6.20 и 6.21 представлены графики DNL и INL этого образца. Предполагается, что«БК» – выход ЦАП без компенсации систематической ошибки, «ШК» – выход ЦАП скомпенсацией систематической ошибки по предложенной методике «шахматный конь».Таблица 6.1 – Результаты измерения статических характеристик одного из образцовтестовой микросхем ЦАП.Образец 5-40 °СЦАПХарактеристикаБКШаг (В)0,0018Максимальная DNL, МЗР 0,96Максимальная INL, МЗР 25,06Диапазон (В)1,79средняя |INL|, МЗР5,58ШК0,00171,2317,231,793,66Без компенсацииТемпература+27 °СЦАПБКШК0,00170,00170,701,1323,4615,881,781,784,373,31+80 °СЦАПБК0,00171,8622,251,763,81ШК0,00172,4214,921,763,50Шахматный конь1,20DNL, МЗР1,000,800,600,400,200,000200400600800КодРисунок 6.20 – График DNL от входного кода одного из образцов1000132Без компенсацииШахматный конь30,0020,00INL, МЗР10,000,00-10,000200-20,004006008001000КодРисунок 6.21 – График INL от входного кода одного из образцовИз приведённых данных видно, что ЦАП с компенсацией систематической ошибкипо предложенной методике «шахматного коня» имеет меньшее значение какмаксимальной, так и средней интегральной нелинейности во всём диапазоне температур.Дифференциальная нелинейность обоих ЦАП, за исключением точек при переключенияхмежду операционными усилителями (каждые 32 кода), имеет одинаковый уровень.Всплески дифференциальной нелинейности каждые 32 кода обусловлены различием вследствие технологического разброса операционных усилителей по коэффициентуусиления и напряжению смещения нуля.Полученные результаты полностью согласуются с выводами, полученными впараграфе 5.3, а именно:–Асимметричное расстановка взвешивающих элементов без разбиения на частипозволила снизить интегральную нелинейность;–Так как взвешивающий элемент не был разделён на части, предложеннаярасстановки никак не повлияла на дифференциальную нелинейность.В таблицах 6.2 и 6.3 представлены результаты по снижению максимальной и среднейинтегральнойнелинейностьповсемизмереннымобразцам.Данныетаблицпроиллюстрированы графиками на рисунках 6.22 и 6.23.
Из этих данных видно, что эффект133снижения интегральной нелинейности присутствует во всех образцах и во всём рабочемдиапазоне температур.Таблица 6.2 – Снижение максимальной INL образца с компенсацией систематическойошибки относительно образца без компенсацииСнижение максимальной INL, %ТемператураОбразец-40 °С+27 °С+80 °СОбразец 126,3028,2427,76Образец 220,3624,6923,80Образец 315,3816,8517,27Образец 46,597,9010,09Образец 531,2432,3332,93Среднее19,9722,0022,37Таблица 6.3 – Снижение средней INL образца с компенсацией систематической ошибкиотносительно образца без компенсацииОбразецОбразец 1Образец 2Образец 3Образец 4Образец 5СреднееСнижение средней INL, %Температура-40 °С+27 °С26,0324,4928,0826,2728,2821,6831,8716,9634,3424,2029,7222,72+80 °С21,3120,2913,647,438,1114,16134Снижение максимальной INL, %35,0030,0025,0020,0015,0010,005,000,00Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5-40 °С+27 °ССреднее+80 °СРисунок 6.22 – График снижения максимальной INLСнижение средней INL, %40,0035,0030,0025,0020,0015,0010,005,000,00Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5 Среднее-40 °С+27 °С+80 °СРисунок 6.23 – График снижения средней INLСнижение максимальной и средней интегральной нелинейности в среднемсоставляет около 20%.
Потребляемая мощность тестовой микросхемы ЦАП в рабочем135диапазоне температур варьируется от 42 мВт до 51 мВт. Быстродействие составляет,примерно, 5 Мотсчётов/с.6.5 Сопоставительный анализ результатов работыПроведём сравнение полученных результатов с другими работами. В работе [4.5]предложена следующая формула для оценки уровня SFDR:2н 2− = 3 = () ; 0 = 0 ‖0 ;4|0 |где Rн – сопротивление нагрузки, N – разрядность ЦАП, Zcs0 – выходной импедансисточника тока. Определим из представленной формулы выходной импеданс:40|0 | = 2−2 н 10Проведём расчётдля статическогослучая,при которомвыходной импедансэквивалентен сопротивлению Rcs0, то есть без учёта влияния Ccs0.Положим разрядность ЦАП N = 10 бит, нагрузочное сопротивление Rн = 50 Ом ицелевой уровень SFDR – 70 дБ.
Тогда:0 = 0,72 МОм.Оценим корректность данной оценки. Определим ток утечки Ileak0 для напряженияпитания 1,8 В.0 =1,8 В== 2,5 мкАн + 0 50 Ом + 0,72 МОмВ параграфе 4.2 показано, что для достижения уровня SFDR 70 дБ для 10-тиразрядного ЦАП допустимый ток утечки pleak должен быть не более 25% от значения токавзвешивающего элемента I0. Для случая I0 = 10 мкА получим:0 = 0− н = 0,72 МОмКак видно, данная оценка совпадает с той, что получена по формуле, представленной встатье [4.5].
Если I0 = 1 мкА, то получим:0 = 0− н = 7,2 МОмТаким образом, представленная в работе [4.5] оценка является неполной, так как неучитывает соотношение тока утечки Ileak и тока взвешивающего элемента I0, и верна лишь136для токов сопоставимых по величине с максимально возможным током взвешивающегоэлемента, равным:0 =н · 2В работе [4.14] предлагается модель влияния просачивания управляющих сигналовв цепь напряжения смещения.
Автором предложена оценка, согласно которой для 12-тиразрядного ЦАП уровень SFDR для f/fs = 0,1 (данное значение попадает в диапазон от 0до fs/6, выделенный автором [4.14] как наиболее достоверный) составляет около 67 дБ.Из параграфа 3.3 известно, что для таких параметров уровень SFDR идеального ЦАПсоставляет 76,9 дБ. То есть учёт просачивания сигналов внёс поправку, примерно, на 10дБ относительно идеального ЦАП.Оценим влияние указанного эффекта в соответствии с предложенными в работеподходами к анализу уровня SFDR.
Для этого выполним моделирование для 12-тиразрядного бинарного ЦАП и такого же соотношения частот, спроектированного длятехнологии UMC 180 нм. Для учёта влияния просачивания сигналов в цепь смещениярассмотрим два варианта с подключением цепи формирования напряжения смещениячерез повторитель и без повторителя (аналогично моделированию параграфа 4.4).Моделирование проводилось при различных значениях периода дискретизации Ts.Результаты моделирования представлена на рисунке 6.24.137С повторителемБез повторителя80,00SFDR, дБ70,0060,0050,0040,0030,0020,00101001000Ts, нсРисунок 6.24 – Результаты моделирования уровня SFDR 12-ти разрядного ЦАП при f/fs =0,1Из рисунка 6.24 следует, что при Ts = 1000 нс вклад флуктуаций, вызванныхпросачиванием с цепь напряжения смещения, составляет также 10 дБ (см.
разницу междудвумя кривыми). Однако, при изменении Ts происходит уменьшение влияния указанногоэффекта на изменение уровня SFDR. Так, при Ts > 5000 нс указанный эффект, практически,не оказывает влияния на уровень SFDR. Результаты, приведённые в [4.14], не позволяютоценить зависимость уровня SFDR от Ts, поскольку автор не учитывает в диапазоне частотот 0 до fs/6 влияние fs на уровень SFDR, что приводит к ограниченной применимостиданной оценки.6.6 ВыводыВ данной главе предложено проверить эффективность предложенной методики«шахматного коня» на примере 10-ти разрядного резистивного ЦАП.
Разработанаструктура резистивного ЦАП, содержащая два унарных сегмента по 5 разрядов.Предложена модифицированная грубая стадия, позволяющая вдвое сократить числоключей. Кроме того, из соображений повышения выхода годных предложено заменитьрезисторы на транзисторы, как это делается для M-2M структур.138Разработка топологии по методике «шахматный конь» проводилась для 32взвешивающих элементов. Для получения квадратной топологии оказалось необходимоперейти к неквадратной шахматной доске. Для проверки эффективности разработанатестовая микросхема, содержащая два ЦАП, имеющих различную топологию массивавзвешивающих элементов. Один ЦАП с массивом без компенсации, другой ЦАП смассивом и компенсацией по предложенной методике. Размещение двух ЦАП на единойтестовой микросхеме позволяет исключить факторы, снижающих достоверностьрезультатов, которые будут получены при измерениях.Для проведения измерения была разработана двустороння печатная плата.Экспериментальная установка, содержащая камеру тепла и холода, позволила провестиизмерения 5 образцов во всём рабочем диапазоне температур от –40 °C до +80 °С.Проведённые измерения подтвердили выводы, сделанные в главе 5, а именно:–Асимметричное расстановка взвешивающих элементов без разбиения на частипозволяет снизить интегральную нелинейность;–Без разделения на части дифференциальная нелинейность остаётся на том жеуровне.Предложенная методика «шахматного коня» позволила в среднем снизить на 20% какмаксимальную, так и среднюю интегральную нелинейность.
Указанное снижениеинтегральной нелинейности повышает уровень SFDR на 6 дБ.ЗаключениеВ настоящей диссертационной работе представлены результаты синтеза иреализации параллельных ЦАП. В результате работы получены следующие основныерезультаты:1.Предложено правило формирования логической функции произвольного выхода«термометрического» дешифратора произвольной разрядности. Данное правилопозволяет проектировать дешифратор с меньшим числом транзисторов изадержкой;1392.Предложена методика структурного синтеза «термометрического» дешифратора,позволяющая получать схему и топологию для дешифратора произвольнойразрядности. Предложенная методика за счёт использования библиотеки готовыхцифровых ячеек позволяет автоматизировать процесс разработки дешифратора;3.Проведёнанализдинамическогодиапазона,свободногоотпаразитныхсоставляющих, для функциональной модели ЦАП. Установлены зависимости SFDRот соотношения частот и разрядности.
Анализ показал, что после введения в модельпереходного процесса фиксированной длительности не происходит уменьшениярабочей полосы частот ЦАП (полоса частот с уровнем SFDR не меньше заданного).Уменьшение рабочей полосы частот ЦАП происходит только после введения вмодель кодовой зависимости длительности переходного процесса. Предложенырекомендации по расширению рабочей полосы для реального ЦАП;4.Проведёнанализдинамическогодиапазона,свободногоотпаразитныхсоставляющих, для схемы ЦАП на источниках тока.
Определены допустимые токиутечки (а следовательно, и выходное сопротивление источника тока) для различныхсоотношений частот и разрядностей. Проведён анализ различных схем источникатока при одинаковом выходном сопротивлении. Установлено, что каскодная иширокодиапазонная схемы дают более высокие показатели уровня SFDR. Замечено,что флуктуации шин напряжения смещения оказывают значительное влияние науровень SFDR. Промоделированы два способа снижения флуктуаций; замечено, чторешение с постоянными переключениями позволяет добиться одинаковых поформе и длительности переходных процессов, а значит исключить доминирующийфактор снижения SFDR и рабочей полосы частот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
