Диссертация (1143817), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Однако данное обстоятельство никак не снижает требований к точностивзвешивающих элементов. Кроме того, широко распространено использование линейкисопротивлений (или R-string цепей), когда последовательно соединяются одинаковые пономиналу резистивные элементы. Стоит заметить, что для резистивных цепей есть дварежима работы: режим деления токов и режим деления напряжений. Для смены режима17работы цепи с одного на другой достаточно поменять вход с выходом местами.Особенности работы каждого из режимов для лестничных цепей были подробнорассмотрены в [1.9].
Публикуемые в последние годы работы о резистивных ЦАПпосвящены вопросам повышения линейности и сокращения площади кристалла ИС ЦАП[1.10–1.12]. Преимуществами резистивных ЦАП являются:– возможность лазерной подстройки (калибровки) резисторов, которая позволяетповысить реализуемую разрядность ЦАП выше 12 бит;– простота реализации за счёт того, что нет необходимости в таких дополнительныхспециальных блоках, как: генераторы сигналов фаз и цепи сброса, цепи формированиянапряжений смещения и т. д.;– возможность получать для сегментной архитектуры гарантированную монотонность;– широкий диапазон выходных напряжений и выходных нагрузочных сопротивлений,ограничиваемый только характеристиками буферного ОУ.Недостатками резистивных ЦАП являются:– большая рассеиваемая мощность из-за постоянного протекающего тока черезрезистивные элементы и ОУ;– невысокие динамические характеристики, ограничиваемые свойствами ОУ.Разрядность резистивных ЦАП варьируется от 6 до 20 бит, а быстродействие до десятковМотсчётов/с.Для ёмкостных элементов, напротив, можно встретить все способы формирования«веса»: взвешивание номиналов [1.13], лестничная цепь (или C-2C цепь) [1.14],многоступенчатая цепь [1.15].
К преимуществам ёмкостных ЦАП можно отнести:– отсутствие статического потребления ёмкостной цепи;– более высокую достижимую разрядность без использования калибровки, так как винтегральном исполнении конденсаторы имеют большую точность, чем резисторы;– широкий диапазон выходных напряжений и выходных нагрузочных сопротивлений,ограничиваемый только характеристиками буферного ОУ.Недостатками ёмкостных ЦАП являются:– быстродействие ниже, чем у резистивных;18– невысокие динамические характеристики, ограничиваемые свойствами ОУипроцессами заряда-разряда конденсаторов.– необходимость в дополнительных блоках формирования фаз и цепях сброса;Разрядность ёмкостных ЦАП варьируется от 6 до 12 бит, а быстродействие до единицМотсчётов/с.Существует ещё одна разновидность взвешивающих элементов.
После публикацииработы [1.16] и её развития в [1.17], где предлагалось использовать в качестве делителейтока транзисторы, получили распространение лестничные цепи, использующие вместорезисторов транзисторы (или M-2M цепи) [1.18–1.23]. Переход на транзисторы позволилуменьшить площадь, занимаемую ЦАП на кристалле.Для формирования «веса» взвешивающих элементов, построенных на источникахтока, есть следующие способы:– масштабирование геометрии;– изменение напряжения смещения.Масштабирование геометрии– самый распространённый способ формирования веса дляисточника тока.
Изменение напряжения смещения встречается редко, в частности, вработах [1.24–1.28] предлагается схема на транзисторах с плавающими затворами, гдеформирование напряжения смещения осуществляется инжекцией заряда на плавающийзатвор. Наличие таких транзисторов предполагает использование нестандартноготехнологического процесса, предназначенного для создания энергонезависимой памяти,и послепроизводственное программирование интегральной схемы. Преимуществаиспользования взвешивающих элементов на источниках тока:– наилучшее быстродействие и динамические характеристики;– возможность работать без выходных буферов непосредственно на нагрузку;К недостаткам можно отнести:– необходимость в дополнительных блоках для формирования напряжения смещения;– линейность определяется не только согласованием взвешивающих элементов ипаразитными элементами, но и свойствами источника тока;– ограниченныйдиапазонфиксированное значение;нагрузочныхсопротивлений,ачащевсегоодно19Разрядность ЦАП на источниках тока варьируется от 6 до 16 бит, а быстродействие доединиц Готсчётов/с.
При использовании в схеме разнородных взвешивающих элементовтакая схема называется гетерогенной, такие схемы можно встретить в работах [1.15, 1.29–1.30].1.5 ДешифраторыТак как большинство ЦАП полностью или частично используют унарнуюархитектуру, то возникает необходимость в преобразовании входного кода или его частив другой код. Как правило, для управления элементами унарной архитектурыиспользуется два вида кода унитарный и «термометрический». Для полученияунитарного кода используется дешифратора адреса. Дешифратор адреса чаще всегоможно встретить в устройствах памяти, где является неотъемлемой частью. Поэтомуподходы к построению таких дешифраторов давно разработаны и общеизвестны.Дешифратор для «термометрического» кода встречается редко и являетсяспецифичным блоком ЦАП.
Подходы к проектированию таких дешифраторов не такхорошо развиты и общеизвестны, как для дешифратора адреса. Обзор таких подходовбыл сделан в работе [1.31]. Основными направления в этой области являются:1.Упрощение разработки и, как следствие, сокращение сроков разработки;2.Уменьшение задержки преобразования;3.Сокращение числа транзисторов и занимаемой на кристалле площади.Особенно актуальными эти вопросы являются для разрядностей 6 и более, так какчисло выходов такого дешифратора растёт вместе с число взвешивающих элементов постепенному закону. Подробный обзор и анализ схем дешифраторов будет представлен впараграфе 2.1.1.6 Динамические характеристикиВопросам повышения динамических характеристик ЦАП посвящено множестворабот [1.32-1.36].
Как правило, в работах рассматриваются ЦАП на источниках тока как20наиболее быстродействующие и имеющие наибольшие показатели SFDR. Отмечаютсяследующие факторы, влияющие на снижение динамических характеристик и, в первуюочередь, уровня SFDR в ЦАП на источниках тока:1.Модуляция выходного импеданса источника тока;2.Рассогласование взвешивающих элементов;3.Рассогласование и рассинхронизация управляющих сигналов, то есть сигналов,управляющих ключами;4.Просачивание управляющих сигналов в выходную цепь;Модуляциявыходногоимпедансаисточникатокавноситкодозависимуюсоставляющую в выходной ток ЦАП, тем самым увеличивая нелинейность и снижаяуровень SFDR.
Рассогласование взвешивающих элементов вызвано технологическимразбросом и имеет две составляющих: случайную и систематическую. Из-за отличияреальных значений взвешивающих элементов от требуемых соотношений, такжеувеличивается нелинейность и снижается уровень SFDR.Рассогласование управляющих сигналов означает, что сигналы, управляющиеразличными ключами имеют разные скорости нарастания и спада, а также припереключениях создают интервалы времени, когда все ключи открыты или закрыты.Рассинхронизация управляющих сигналов означает, что управляющие сигналы приходятна ключи с разными задержками.
Эти факторы приводят к увеличению времени,требуемому на переключения от одного входного кода к другому, и тем самым снижаютбыстродействие ЦАП.Просачивание управляющих сигналов в выходную цепь происходит черезпаразитные ёмкости ключей, создавая дополнительные флуктуации как в самойвыходной цепи, так и в смежных цепях через паразитные ёмкости других транзисторов.Эти флуктуации увеличивают время, требуемое на установление сигнала, то есть снижаютбыстродействие ЦАП. Подробный анализ факторов будет представлен в главе 4.1.7 Цель и задачи работыПредставленный в данном разделе обзор позволил сделать следующие выводы:21–В системах телекоммуникаций наиболее востребованы параллельные ЦАП и, вчастности, резистивные ЦАП и ЦАП на источниках тока;–Разрядность параллельных ЦАП варьируется от 6 до 16 разрядов;–Быстродействие резистивных ЦАП и ЦАП на источниках тока составляет от единицМотсчётов/с до десятков Готсчётов/с;–Уровень SFDR для ЦАП на источниках тока в низкочастотной области варьируетсяот 60 до 84 дБ, а для высокочастотных сигналов от 43 до 78 дБ;–Наибольшее распространение получила сегментная архитектура, где разрядностьбинарного сегмента варьируется в диапазоне от 0 до 8 бит;–Цифро-аналоговый преобразователь условно можно разбить на 2 части: цифровуюианалоговую.Кцифровойчастиотносятсявсеблоки,выполняющиесинхронизацию и обработку входного кода, а также формирование сигналов,управляющих ключами.
К аналоговой части относятся блоки коммутации,формирования опорных напряжений, буферы и взвешивающие элементы.–С целью формирования значений взвешивающих элементов для резистивных ЦАПиспользуются лестничные цепи, для ЦАП на источниках тока – масштабированиегеометрии;–В литературе присутствуют различные подходы к построению «термометрического»дешифратора,однакоотсутствуетметодикаструктурногосинтезатакогодешифратора на произвольную разрядность;–Факторы, влияющие на снижение уровня SFDR, рассматриваются только на схемном.Отсутствует анализ факторов на функциональном уровне;–Для ЦАП на источниках тока как обладающих наилучшими динамическимихарактеристиками отсутствует методика параметрического синтеза;–Несмотря на множество работ, касающихся методикам расстановки взвешивающихэлементов на топологии кристалла ЦАП, отсутствует их сравнительный анализ, а длярезистивных ЦАП нет методик, учитывающих особенности их работы;Приведённые выводы позволяют сформировать цель и задачи работы.22Целью работы является разработка методики синтеза и реализация цифроаналогового преобразователя с повышенными динамическими характеристиками.
Длядостижения поставленной цели решаются следующие задачи:1.Разработка методики синтеза «термометрического» дешифратора;2.Оценка влияния факторов, снижающих динамический диапазон, свободный отпаразитных составляющих, в схеме ЦАП на источниках тока и разработка методикирасширения динамического диапазона;3.Разработка функциональной модели и моделирование параметров ЦАП с учётомфакторов, определяющих динамический диапазон;4.Разработка методики расстановки взвешивающих элементов на топологиикристалла ЦАП для компенсации влияния систематической ошибки и снижениянелинейности;5.Разработка и экспериментальные исследования интегральной схемы ЦАП дляпроверки основных теоретических выводов.232Синтез «термометрического» дешифратора2.1 Обзор способов построения дешифраторов2.1.1 Описание «термометрического» дешифратораПри построении ЦАП с разрядностью 8 и более бит ЦАП, обычно, строитсяполностью или частично с использованием унарной архитектуры.
Это позволяет снизитьтребования к согласованию взвешивающих элементов и гарантировать монотонность.Для управления ключами в унарной архитектуре, как правило, используется два типакода: унитарный и унарный коды. Так как на вход ЦАП, как правило, поступает двоичныйкод, то неотъемлемой частью ЦАП с унарной архитектурой будет дешифратор,выполняющий преобразование двоичного кода в унитарный или унарный код.Дешифратор,преобразующийдвоичныйкодвунитарный,называетсядешифратором адреса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
