Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и тенденции развития производства прецизионных интегральных ЦАП 10
1.1 Основные нормируемые электрические параметры ИС линейных ЦАП 10
1.2 Методы построения прецизионных интегральных ЦАП 18
1.3 Особенности организации биполярного режима работы ЦАП 25
Основные результаты и выводы 30
2 Разработка и исследование математических моделей ГИС ЦАП 32
2.1 Математическая модель ЦАП на основе резистивной матрицы и использования двух выходов двухпозиционных ключей, учитывающая паразитные параметры ОУ 31
2.2 Модели нелинейности характеристики преобразования ЦАП с выходом по напряжению, учитывающие изменение сопротивления обратной связи выходного усилителя 40
2.3 Результаты моделирования ЦАП и исследование нелинейности его характеристики преобразования 44
2.3.1 Моделирование погрешности ЦАП на основе резистивной матрицы и использования двух выходов двухпозиционных ключей от напряжения смещения ОУ 45
2.3.2 Моделирование нелинейности характеристики преобразования ЦАП, вызванной изменением сопротивления обратной связи выходного усилителя 43
Основные результаты и выводы 54
3 Разработка основных узлов прецизионных ГИС ЦАП 56
3.1 Разработка термостабильного ИОН и методики компенсации ТКН стабилитронов 56
3.2 Полупроводниковая ИС двухпозиционных ключей 63
3.3 Разработка резистивной матрицы R-2R 67
3.3.1 Разработка схемы резистивной матрицы R-2R 68
3.3.2 Конструкция и технология изготовления резистивной матрицы R-2R 72
3.4 Разработка схем инвертирующего и выходного усилителей 75
3.4.1 Схема инвертирующего усилителя ГИС ЦАП 75
3.4.2 Особенности построения выходного усилителя ГИС ЦАП 83
Основные результаты и выводы 87
4 Практическая реализация, подгонка параметров и экспериментальные исследования ГИС ЦАП 89
4.1 Особенности конструкции и схем ГИС ЦАП 427ПАЗ и К427ПА5Т 89
4.2 Функциональная подгонка параметров ГИС ЦАП 93
4.2.1 Установка для подгонки ЦАП 95
4.2.2 Алгоритм функциональной подгонки параметров ГИС ЦАП. 96
4.3 Измерение статических параметров ГИС ЦАП 98
4.4 Измерение времени установления выходного напряжения ГИС ЦАП 104
4.5 Результаты испытаний ГИС ЦАП 110
4.5.1 Отбраковочные испытания ГИС ЦАП 110
4.5.2 Результаты квалификационных испытаний ГИС ЦАП 113
4.6 Обоснование выбора проверяемых точек характеристики преобразования ЦАП 113
Основные результаты и выводы 116
Заключение 118
Литература 120
Приложение А
- Методы построения прецизионных интегральных ЦАП
- Модели нелинейности характеристики преобразования ЦАП с выходом по напряжению, учитывающие изменение сопротивления обратной связи выходного усилителя
- Полупроводниковая ИС двухпозиционных ключей
- Функциональная подгонка параметров ГИС ЦАП
Введение к работе
Широкое развитие методов и средств цифровой обработки и передачи информации, особенно микропроцессорной техники, а также достижения в микроэлектронике привели к массовому производству цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) в интегральном исполнении. Прецизионные ЦАП с числом двоичных разрядов более 16-ти нашли применение в радиолокации, электронно-лучевой литографии, гео- и сейсморазведке, гидроакустике, радиоэлектронной аппаратуре специального назначения. Производству таких преобразователей характерно органичное единство конструктивно-технологических и схемотехнических решений, метрологического обеспечения измерения их параметров в процессе изготовления.
Вопросы теории и экспериментального определения параметров и характеристик ЦАП успешно исследовались в научных коллективах, возглавляемых Смоловым В.Б., Шляндиным В.М., Нетребенко К.А., Вострокнутовым Н.Н., Шлыковым Г.П., Кондалевым Н.И., Диденко В.И., Ребане Р.П., Касперовичем А.Н., Брагиным А.А. и другими. Вопросы разработки и серийного производства интегральных схем ЦАП успешно решались в коллективах, возглавляемых Федорковым Б.Г. и Буцом В.П. Результатом этих работ явились не только широкая номенклатура интегральных ЦАП, но и аппаратура для измерения их параметров, соответствующие методики и нормативные документы.
Повышение технического уровня преобразователей связано с совершенствованием двух основных технологий производства ЦАП -гибридной и полупроводниковой. При этом гибридные ЦАП имеют более высокие технические характеристики, т. к. позволяют в наибольшей степени использовать преимущества интегральных полупроводниковых схем и тонкопленочных элементов.
6 Целью диссертационного исследования является разработка и внедрение в серийное производство гибридных интегральных схем (ГИС) функционально полных 18-разрядных ЦАП с нелинейностью до 0,0002%. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
Анализ математических моделей и исследование нелинейности характеристики преобразования ГИС ЦАП, вызванной погрешностями несуперпозиционного характера.
Оптимальный выбор схем отдельных узлов с учетом технологии их изготовления и всего ЦАП в целом.
Создание прецизионного внутреннего источника опорного напряжения (ИОН) с малым значением температурного коэффициента напряжения (ТКН).
Разработка технологии получения тонкопленочных резисторов с температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) не более ±5-10*G 1/С.
Выбор основных технологических операций и оснащение их оборудованием контроля параметров ЦАП.
Проведение квалификационных испытаний, подтверждающих технические характеристики и стойкость ЦАП к внешним воздействующим факторам.
Решение указанных задач позволит разработать и организовать серийное производство прецизионных ЦАП, обеспечив при этом достоверный контроль их электрических параметров.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
В первой главе рассматриваются нормируемые электрические параметры ЦАП, проводится обзор методов построения и этапов развития производства прецизионных интегральных схем (ИС) ЦАП. На основе анализа состояния и тенденций развития методов реализации
прецизионных ЦАП и их узлов формируются основные задачи исследований.
Во второй главе синтезирована модель ЦАП на основе резистивной матрицы в обращенном включении и использованием обоих выходов двухпозиционных ключей. Разработаны модели нелинейности характеристики преобразования ЦАП с выходом по напряжению, учитывающие изменение сопротивления обратной связи выходного усилителя. С помощью предложенных моделей исследуется характер изменения отдельных составляющих погрешности ГИС ЦАП по диапазону изменения управляющего кода, а также формируются требования к параметрам основных узлов ЦАП и технологии их изготовления.
В третьей главе рассматриваются и исследуются основные узлы ЦАП: специализированная микросхема для построения прецизионных преобразователей, источник опорного напряжения, резистивная матрица типа R-2R, выходной и инвертирующий усилители. Предложены методика подгонки температурного коэффициента напряжения стабилитрона ИОН, технология получения резистивной матрицы R-2R с температурным коэффициентом сопротивления не более ±5Л0~6\/С и пути реализации цепи обратной связи выходного усилителя.
Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов и методик функциональной подгонки и измерения электрических параметров разработанных прецизионных ГИС ЦАП, а также результатам экспериментальных исследований. Рассматриваются особенности подгонки и измерения параметров прецизионных ЦАП с нелинейностью характеристики преобразования до 0,0002%. Даны рекомендации по выбору необходимого числа точек контроля характеристики преобразования ЦАП. Приводятся основные электрические параметры разработанных ГИС 18-разрядных ЦАП, а также рассматриваются особенности отдельных схем преобразователей.
В приложениях содержатся тексты программ, используемых при моделировании ЦАП, типовые зависимости основных электрических параметров разработанных ГИС ЦАП от изменения внешних воздействующих факторов (температуры, напряжений питания) и документы, подтверждающие внедрение результатов работы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Модель ЦАП на основе резистивной матрицы в обращенном включении с использованием обоих выходов двухпозиционных ключей, позволяющая сформулировать требования по согласованности параметров инвертирующего и выходного усилителей ЦАП.
Модели нелинейности характеристики преобразования ЦАП с учетом влияния перегрева резистора обратной связи и изменения остаточного сопротивления компенсирующего транзистора, позволяющие определить не только значения нелинейности, но и ее распределение по выходному диапазону ЦАП.
Предложенные схемотехнические решения отдельных узлов, ЦАП в целом и основные технологические операции, обеспечивающие получение требуемых электрических параметров.
Методика компенсации ТКН стабилитрона, позволяющая уменьшить температурный дрейф источника опорного напряжения.
Методики измерения основных электрических параметров прецизионных функционально полных ЦАП.
Основные результаты работы отражены в 8 научных трудах.
Работа является результатом теоретических и практических исследований, выполненных автором в НИИЭМП и на кафедре "Информационно-измерительная техника" ПТУ в 1981 - 2005 г.г. в рамках НИР и ОКР по разработке и освоению в производстве ГИС прецизионных функционально полных ЦАП 427ПАЗ и К427ПА5Т, которые с 1991 г. серийно выпускаются НИИЭМП (г. Пенза).
9 Отдельные вопросы теории и разработки ГИС ЦАП решались
совместно с коллегами по НИИЭМП Герасимовым А.Н., Ляхом СЕ , Каменским Е.А.
Автор выражает особую признательность своему научному руководителю к.т.н., доценту Регеде В.В. за огромную поддержку, внимание и консультации, без которых не могла быть выполнена данная работа.
Методы построения прецизионных интегральных ЦАП
В работах [3, 10-12,15] рассмотрены различные методы построения ЦАП.Быстродействующие ЦАП в основном строятся с использованием активных источников токов [4,5]. Подобный преобразователь с tycr й 100нс разработан при участии автора для построения на его основебыстродействующего аналого-цифрового преобразователя с устройством аналоговой свертки входного сигнала [46]. Однако, сложность согласования статических параметров биполярных транзисторов [5] и значительные шумы активных источников тока [28] ограничивает число разрядов подобных ЦАП на уровне 12 [4,5, 10-12]. Для практической реализации в интегральном исполнении широкое исполнение нашли ЦАП на основе резистивной матрицы (РМ) в обращенном включении и двухпозиционных ключей (ДК) на КМОП-транзисторах (рисунок 1-.3). Для ЦАП с числом двоичных разрядов до 10 включительно схема управления (СУ), ДК и РМ выполняются в одном кристалле, а сам преобразователь представляет в этом случае полупроводниковую ИС [10].
С увеличением числа разрядов диффузионные резисторы РМ не обеспечивают возросших требований к электрическим параметрам, таким, как нелинейность и дифференциальная нелинейность, и резисторы РМ изготавливают по тонкопленочной технологии на отдельном кристалле (подложке) [10]. В этом случае ЦАП представляет собой ГИС.
Анализ широкой номенклатуры ЦАП, выпускаемых фирмами пионерами и ставшими мировыми лидерами в области разработки ипроизводства преобразователей (Analog Devices, Hybrid Systems, BurrBrown, Micro Networks), показывает, что данная схема приемлема дляпостроения ЦАП с числом разрядов не более 14 - 16 и нелинейностью до0,003% [14,16-18]. Основными паразитными параметрами,ограничивающими характеристики ЦАП, являются остаточные сопротивления открытых ключей и их несогласованность внутри переключателя, нестабильность резисторов РМ [3,19,20]. Создание прецизионных интегральных ЦАП с числом разрядов 18 и более, нелинейностью на уровне (0,0002 - 0,0008)% требовало новых схемотехнических и конструкторско-технологических решений, применения новых методов цифроаналогового преобразования.
В начале 80-х годов прошлого века фирмой Hybrid Systems былразработан метод дешифрации, первоначально предназначенный дляуменьшения коммутационных выбросов 10-12-разрядныхпреобразователей, и с использованием которого построен 18-разрядный гибридный ЦАП DAC370-18 с нелинейностью 0,0008% [20]. Схема этого преобразователя приведена на рисунке 1 А.ЦАП, в котором четыре старших разряда дешифрированы, потребовал 29 двухпозиционных ключей, согласованных друг с другом с При этом 14 ДК использованы в младших разрядах и 15 - в 4-х дешифрированных старших. Старший разряд выполнен на 8-ми резисторах 2R и таком же количестве ДК, что позволило в 8 раз снизить требования по стабильности к резисторам РМ и сопротивлениям ДК [20].
Регистры 1, 2, 3 предназначены для побайтного ввода информации и управляются стробирующими импульсами (СИ 1,2,3). ДК, СУ, дешифратор и регистры выполнены в виде одной интегральной схемы (3,8x3,4 мм), изготовленной по КМОП технологии. Резисторы РМ выполнены на отдельной кремниевой подложке (3,6x3,4 мм) по тонкопленочной технологии. Дополнив этот умножающий ЦАП внутренним ИОН и выходными операционными усилителями (ОУ), фирма Hybrid Systems выпустила на рынок 18-рззрядный функционально полный ЦАП DAC 377-18 (рисунок 1.5) с тем же значением нелинейности [17].
Проведя работы по улучшению технологии и ужесточению отбраковочных испытаний преобразователя DAC 377-18, фирма Hybrid Systems в 1989 году выпустила функционально полный 18-разрядный ЦАП SP9380 с нелинейностью 0,0002% [21]. Все перечисленные ЦАП выполнены в металлостеклянном корпусе 37,5x19,7x4,5 мм с двухрядным расположением 28-ми выводов (2x14).
Внешний вид ГИС ЦАП DAC 377-18 представлен на рисунке 1.6.В 1992 году фирма Analog Devices выпустила 18-разрядный гибридный функционально полный ЦАП AD 1139 с нелинейностью 0,0002%, использовав для его построения 12-разрядный стандартный интегральный ЦАП и оригинальный 6-разрядный ЦАП с линейностью 18-разрядного для преобразования шести старших разрядов [161. Схема преобразователя приведена на рисунке 1.7.6-разрядный ЦАП старших разрядов реализован с помощью трех кристаллов ДК и одного кристалла тонкопленочной РМ с шестью взвешенными по двоичному закону 1/32R - 1/16R - 1/8R - 1/4R - 1/2R - R резисторами. Очевидно, что данный метод построения предъявляет жесткие требования к стабильности резисторов РМ и сопротивлений ДК в отличие от метода дешифрации. к
Старший разряд в этой схеме формируется одним резистором РМ (1/32R) и одним ДК (в методе дешифрации 8 резисторов РМ и восемь ДК). Конструктивно AD1139 выполнен в металлостеклянном корпусе 44,3x23,3x4,9 мм с двухрядным расположением 32-х выводов (2x16).
В конце 90-х годов прошлого столетия на рынке прецизионных ЦАП появились преобразователи с использованием дельта-сигма модуляции (ДСМ), получившие в технической литературе обозначение ДЕ - ЦАП [22-27]. Принципы ДСМ и ее применение для построения ЦАП рассмотрены в работах [26,27]. АН - ЦАП обладают высокой разрешающей способностью (до 24-26 двоичных разрядов), низким уровнем шумов за счет использования фильтра низких частот (ФНЧ), малой потребляемой мощностью [22-25], На рисунке 1.8 приведена схема 20-разрядного AS-ЦАП фирмы Burr-Brown DAC 1220 [23].
К выводам ґвх и ґвьгх ЦАП можно подключить кварцевый резонатор, либо вход fux использовать для внешнего тактового сигнала частотой 1-2,5 МГц с уровнями КМОП-логики.
Входы С] и Cj служат для присоединения конденсаторов аналогового фильтра низких частот, который включен после ФНЧ на переключаемых конденсаторах (ПК). ЦАП содержит автономную систему автоматической калибровки смещения и коэффициента передачи на основе микроконтроллера, который включает банк регистров, доступных для чтения и записи. Калибровка выполняется после включения питания ИС, либо при существенном изменении окружающих условий и занимает от 300 до 500 мс [25]. Однако, анализ широкой номенклатуры AS-ЦАП, выпускаемых различными фирмами [23-25], показывает, что наряду с очень малой дифференциальной нелинейностью в 1ЕМЗР для 20-24-разрядных ЦАП, эти преобразователи имеют нелинейность на уровне (0,0008-0,0015)%, а эти значения соответствуют 16-17 двоичным разрядам. Кроме того, из-за принципиального наличия в структуре AS-ЦАП фильтра низких частот, они обладают болыиип временем установления, что значительно затрудняет их применение в многоканальных системах обработки информации [26].
В таблице 1.3 приведены основные электрические параметры лучших функционально полных ЦАП, реализованных с помощью РМ типа R-2R, и типичного представителя семейства ЦАП на основе ДСМ. Как видно из таблицы 1.3 и как отмечено в [22] в областях с высоким разрешением и малым быстродействием доминируют ДІ - ЦАП. По мере все большего применения в этих преобразователях новейшей КМОП-технологии они приобретают все больше функциональных возможностей. Возможна также интеграция многих таких ЦАП в один кристалл для многоканальных применений. Прецизионные ГИС ЦАП на основе РМ уступают А2-ЦАП по разрешающей способности (дифференциальной нелинейности) и потребляемой мощности, но превосходят их по нелинейности и быстродействию, сочетая эти преимущества с необходимыми функциями и периферией для тех или иных применений.
Модели нелинейности характеристики преобразования ЦАП с выходом по напряжению, учитывающие изменение сопротивления обратной связи выходного усилителя
Среди большого количества работ, посвященных анализу погрешностей ЦАП на резистивных матрицах, отметим работы, затрагивающие влияние перегрева резистора обратной связи на ) нелинейность ХП ЦАП [47,49]. Однако анализ этих работ показывает простую констатацию этого факта без оценки и исследования характера изменения нелинейности ХП по диапазону выходного сигнала ЦАП, а предлагаемые решения для уменьшения этой составляющей погрешности ЦАП, например, введение дополнительного ЦАП [49], трудно признать приемлемым при разработке ИС цифроаналоговых преобразователей. При этом не рассматривается такой важный источник погрешности, как изменение остаточного сопротивления компенсирующего транзистора. Для оценки влияния изменения сопротивления обратной связи на ХП ЦАП рассмотрим схему, представленную на рисунке 2.3. Данная схема широко применяется при построении ЦАП с выходом по напряжению [10-12]. Здесь VT - компенсирующий транзистор, гк - его остаточное сопротивление и предназначен транзистор для уменьшения і температурного дрейфа коэффициента преобразования [38]. Анализ влияния цепи обратной связи на ХП ЦАП проведем отдельно для RQC и Гк, а также с учетом того, что преобразователь код-ток, как составная часть функционально полного ЦАП (рисунок 1.4), подогнан точно, т.е. зависимость Ioc=f(N) линейна. Так как ток 1ос зависит от входного кода N, и резистор Roc имеет конечное значение ТКС, его сопротивление будет изменяться по известной формулеRoc =R0c.o(1 + aAt) = Roc.o + Roc.o t) (2.18) При разработке ГИС ЦАП автором экспериментально исследован перегрев резистора Roc. Результаты исследований показали, что для данной конструкции ГИС (материал подложки - ситалл СТ50-1-1, материал резисторов - кермет К20С) и при значениях максимальной мощности рассеяния Roc, не превышающих 0,2 Вт/см, перегрев пропорционален току At = mloc [48]. Для конкретной топологии при токе 10С = 1м, где 1м -модуль максимального тока, перегрев будет равен AtM и можно записатьпримет вид м а выходное напряжение будет равно Для оценки нелинейности этой зависимости проведем через ее конечные точки прямую вида ил = kl0c + b. Постоянные к и b определим из условия Решая эту систему, получим Ь=0, к = R0c.o+ -ос.о м и соответственно уравнение прямой ХП ЦАП, вызванная перегревом резистора Roc, будет определяться выражениемгм м (2Л9) ХП ЦАП необходимо уменьшить ТКС, или перегрев AtM. При этом надо учитывать, что уменьшение AtM возможно только при увеличении габаритов Roc (уменьшении удельной мощности рассеяния), что накладывает определенные ограничения при проектировании интегральных ЦАП. Для оценки влияния остаточного сопротивления компенсирующего транзистора введем обозначение Roc + гк - R. В работе [48] показано, что Гк линейно увеличивается с ростом тока через транзистор. С учетом этого Анализ выражения (2.22) показывает, что уменьшение нелинейности ХП ЦАП из-за изменения остаточного сопротивления возможно либо уменьшением диапазона изменения тока 1ос, что одновременно ведет и к уменьшению Дгк, либо уменьшением самого значения Дгк при том же диапазоне тока Ье- Первый вариант ведет к увеличению сопротивления Roc и РМ R-2R, которое ограничивается возможностями интегральной технологии. Второй вариант возможен при применении специальных схемотехнических решений, которые будут рассмотрены в следующей главе. Суммируя выражения (2.19) и (2.22), получим нелинейность ХП ЦАП из-за изменения сопротивления обратной связи выходного ОУ..23) Рассмотренные модели нелинейности ХП ЦАП могут быть полезны не только при проектировании многоразрядных ЦАП, но и при разработке прецизионных преобразователей ток-напряжение и усилителей на основе ОУ с обратной связью. Результаты моделирования ЦАП и исследование нелинейности его характеристики преобразования Задачей моделирования является нахождение закономерностей распределения по диапазону выходного сигнала и оценка значений отдельных составляющих погрешности ЦАП, а также выработка рекомендаций по выбору точек контроля нелинейности ХП ЦАП и требований к параметрам технологии изготовления отдельных узлов цифроаналоговых преобразователей. Программа, примененная для моделирования средствами пакета MathCAD (версия 11.0а) погрешности ЦАП на основе РМ и использования двух выходов ДК от напряжения смещения ОУ, приведена в приложении А. Там же приведена действительная характеристика преобразования ЦАП, определены крайние точки, через которые проведена линеаризирующая прямая и показан характер распределения нелинейности ХП по диапазону преобразования при различных значениях напряжения смещения инвертирующего и выходного усилителей. Основное внимание при моделировании погрешности ЦАП, построенного на основе РМ типа R-2R в обращенном включении, было уделено оценке максимальных значений нелинейности в зависимости от разности напряжений смещений ОУ и числа разрядов ЦАП на основе модели (2.14). Результаты исследований представлены в таблице 2.1, где значения напряжения смещения и нелинейности приведены в мкВ. Анализируя полученные данные, нетрудно заметить, что: а) при одинаковых напряжениях смещения ОУ нелинейность ХП равна нулю; б) максимальное значение отрицательной нелинейности практически не зависит от числа разрядов ЦАП; в) максимальное значение положительной нелинейности увеличивается с ростом числа разрядов ЦАП. Последние два вывода хорошо согласуются с данными [28, 29]. Необходимо отметить, что при изменении знака разности Д є =Єі - е2 характер изменения нелинейности ХП зеркально отражается из положительной области в отрицательную относительно линеаризирующей прямой. При этом числители и знаменатели дробей меняются местами, т.е. в этом случае максимальное значение положительной нелинейности не будет зависеть от числа разрядов, а максимальное значение отрицательной нелинейности будет увеличиваться с ростом числа разрядов ЦАП. По полученным результатам для оценки максимальной нелинейности ХП предлагается ввести понятие коэффициента влияния разности напряжений смещения на нелинейность ХП ЦАП u.= зависимость которого от числа разрядов ЦАП приведена на рисунке 2.4. быстро оценить максимальное значение нелинейности ХП при известной разности напряжений смещений ОУ и разрядности ЦАП. Кроме того, результаты моделирования позволяют
Полупроводниковая ИС двухпозиционных ключей
В 1985 году Рижское объединение "Альфа" по техническому заданию, согласованному с НИИЭМП, завершило разработку и начало серийный выпуск полупроводниковой ИС Б572ПП1-4 [38], являющуюся аналогом активного кристалла ЦАП DAC370-18, рассмотренного в 1-ой главе. Эта микросхема предназначена для создания на ее основе прецизионных ГИС ЦАП с числом двоичных разрядов до 18 включительно. Функциональная схема ИС Б572ПП1-4 представлена на рисунке 3.5.
Схема выбора режимов 1,2,3 предназначена для организации биполярного режима работы ЦАП с различными видами входного кода (режим 1 - со смещенным двоичным кодом, режим 2-е дополнительным двоичным кодом, режим 3-е обратным двоичным кодом). Необходимый режим работы обеспечивается подачей на соответствующий вход логической "1" или напряжения питания, при этом на остальные входы подается уровень логического "О" или потенциала земли.
В ИС Б572ПШ-4, в отличии от аналога, дешифрируются три старших разряда, т.е. старший разряд управляет 4-мя ДК . Это позволяет в 4 раза уменьшить требования к стабильности остаточных сопротивлений ДК этого разряда и соответствующих сопротивлений РМ.
Регистры служат для побайтного ввода входного кода. Алгоритм работы регистров представлены в таблице 3.2.
Схема компенсации дрейфа состоит из трех транзисторов, которые включаются последовательно с резисторами обратной связи. При этом два транзистора подключены к выходу Іцдп и один к выходу їцдП. Остаточноесопротивление компенсирующих транзисторов равно остаточному сопротивлению ключа старшего разряда. Схема компенсации дрейфа обеспечивает температурную стабильность коэффициента преобразования, а также его стабильность при изменении напряжения питания и в течение времени эксплуатации.
Двухпозиционные ключи являются узлом, определяющим нелинейность ХП ЦАП из-за неравенства между собой остаточных сопротивлений ключей в открытом состоянии в одном разряде [3, 29, 39]. В таблице 3.3 приведены значения этих сопротивлений в нормальных условиях (+25С) [38].
С учетом дешифрации 3-х старших разрядов ДК имеют (18-13)+7=22 разрядные цепи, к которым подключается РМ типа R-2R в обращенном включении.
При работе ИС Б572ПП1-4 с РМ R-2R остаточные сопротивления ключей ДК соединяются последовательно с разрядными резисторами R и через них протекает независимо от входного кода один и тот же ток, значение которого определяется весом разряда.
При использовании компенсирующего транзистора, который включается в цепь обратной связи выходного усилителя, через него будет протекать ток, величина которого зависит от кода на входе ЦАП. В связи с этим в ходе разработки ГИС ЦАП была экспериментально исследована зависимость изменения остаточного сопротивления гк этого транзистора от протекающего через него тока [48]. Измерение тк компенсирующего транзистора осуществлялось косвенным методом путем измерения с помощью вольтметра Щ31 падения напряжения на транзисторе при заданных токах, в диапазоне изменения последних от -1 до +1 мА.
По результатам измерений построен график зависимости rK=f(l), приведенный на рисунке 3.6.
Анализ зависимости rK = f (і) показывает, что она носит линейныйхарактер, а изменение гк составляет 3,6 Ом. Полученные данные былииспользованы при моделировании нелинейности ХП ЦАП, рассмотренного во второй главе и показавшего, что изменение остаточного сопротивления компенсирующего транзистора приводит к возникновению погрешности ХП несуперпозиционного характера.
Резистивная матрица R-2R в обращенном включении представляет собой резисторную разветвленную цепь, осуществляющую деление электрических токов, которые суммируются на входе выходного усилителя, преобразующего эти токи в напряжение ТЛвыХ) зависящее от сопротивления обратной связи Roc [3]. Она характеризуется множеством коэффициентов, пропорциональных числовым значениям управляющего кода, поступающего от ИС Б572ПШ-4 через ДК. Нарушение пропорциональности приводит к возникновению нелинейности и дифференциальной нелинейности ЦАП [19]. Для повышения точности РМ R-2R предложен ряд схемотехнических, и конструкторско-технологических решений.матрица R-2R осуществляет деление токов совместно с ДК, имеющих, как показано в предыдущем разделе, отличные от нуля остаточные сопротивления открытых ключей и неравенство этих сопротивлений между собой внутри одного ДК. Поэтому разработку РМ необходимо проводить с учетом параметров ИС Б572ПП1-4.
В работах [3,29,39] РМ R-2R в обращенном включении рассматривается, как частный случай кодоуправляемого делителя (КУД). Там же отмечено, что ЦАП на основе КУД строится так, чтобы к нему был применим принцип суперпозиции, т.е. независимости коммутируемых опорных мер от преобразуемого кода. Погрешность КУД [40,41 ] определяют как функцию отношения сопротивлений резисторов, составляющих делитель, при этом погрешность коэффициента деления КУД, для которого выполним принцип суперпозиции, описывается выражением [3] і-го разряда.
Суперпозиционная составляющая погрешности AK(N), к которой относится остаточное сопротивление открытых ключей ДК, компенсируется настройкой КУД, например функциональной подгонкой [3]. Однако, увеличение разрешающей способности ЦАП, сопровождающееся повышением требований к линейности его ХП, приводит к повышению удельного веса погрешности несуперпозиционного характера в суммарной погрешности ЦАП. несуперпозиционной составляющей погрешности преобразователя относятся [39]: рассогласование (разность) остаточных сопротивлений открытых ключей ДК, смещение нуля операционного усилителя и т.д.; и проявляется она в том, что веса отдельных разрядов зависят от состояния других разрядов преобразуемого кода.
В работе [29] исследовано влияние разности остаточных сопротивлений ключей на нелинейность ХП ЦАП. Показано, что несуперпозиционная составляющая погрешности преобразования частично компенсируется функциональной подгонкой, а максимальное значение оставшейся нескомпенсированной нелинейности ХП ЦАП несуперпозиционного характера, выраженное в относительных единицах, составляет
В подавляющем большинстве случаев биполярные ЦАП строятся так, что их выходное напряжение равно ± U0n [14,16, 17]. Очевидно, что в этом случае при использовании классической (без взвешенных разрядов) РМ R-2R должно обеспечиваться равенство Roc = R С другой стороны, применение дешифрации старших разрядов в разработанных ГИС ЦАП приводит к уменьшению их эквивалентного сопротивления и соответственно RQC, при том же диапазоне выходного сигнала, в 2 раз, где d - число дешифрируемых разрядов. С учетом этого
Полученное соотношение (3.6) позволяет при имеющихся значениях d и г01 выбрать номинал резисторов R-2R, исходя из требований по нелинейности ХП ПАП. В работах [29,42,43] исследовано влияние напряжения смещения операционного усилителя на дифференциальную нелинейность ЦАП. Для уменьшения этого влияния рекомендуется несколько младших разрядов РМ R-2R выполнить взвешенными.В ГИС ЦАП 427ПАЗ и К427ПА5Т взвешенными выполнены соответственно 3 и 5 младших разряда, т.е. вместо трех и пяти звеньев R-2R установлены резисторы с сопротивлениями 2R-4R-8R и 2R-4R-8R-16R-32R.Таким образом, с учетом дешифрации старших разрядов и выполнения младших разрядов взвешенными схемы РМ R-2R, разработанные для ГИС 18-разрядных ЦАП, имеют вид, приведенный на рисунке 3.7.В таблице 3.4 приведены значения максимальной нескомпенси-рованной нелинейности ХП ЦАП, рассчитанные с учетом (3.6) и номиналов резисторов РМ R-2R.
Функциональная подгонка параметров ГИС ЦАП
Как отмечено в работе [19] функциональная подгонка ЦАП может быть осуществлена при выполнении следующих условий: а) наличие инструмента воздействия и соответствующей аппаратуры управления и измерения, свободный доступ к резисторам и топология резисторов, обеспечивающая изменение сопротивления в необходимых пределах при достаточной плавности; б) наличие соответствующего алгоритма подгонки данного типа ЦАП.
Из инструментов воздействия на резистивную пленку наиболее перспективным является лазер [58,59,60]. Лазерная подгонка заключается в удалении (испарении) части резистивнои пленки сфокусированным лазерным лучом с постоянными интенсивностью и диаметром пятна, перемещаемого по поверхности резистора равномерно в определенном направлении до достижения заданной величины подгоняемого параметра. Недостаток лазерной подгонки заключается в том, что в испарении материала пленочного резистора участвуют не все участки сечения луча, а только расположенные ближе к его оси (внутренние) [61]. Наружные же участки сечения луча лишь термообрабатывают материал резистора, внося структурные изменения в него, как правило, ухудшающие параметры тонкопленочного резистора: ТКС и его стабильность. Для получения лазерного пятна с равномерной интенсивностью (мощностью на единицу поверхности), применяют диафрагмирование луча. Эта возможность заложена в лазерной установке ЭМ551-А (лазер ЛГИ505) [61], которая была выбрана в качестве инструмента воздействия при подгонке параметров 18-разрядных ГИС ЦАП 427ПАЗ и К427ПА5Т. Диаметр лазерного пятна этой установки можно устанавливать равным 2,4,7,10, 15,20и25мкм.
Грубая (дискретная) подгонка осуществляется за счет перерезания резистивных перемычек в высокоомнои части резисторов, а точная подгонка - в низкоомной части (в подгоночной секции). Принцип дискретно-точной подгонки положен в основу разработки топологии всех подгоняемых резисторов ГИС ЦАП.
Сравнительно невысокие требования по погрешности преобразования в конечной точке ХП (коэффициенту преобразования) и смещению позволили создать установку контроля параметров ЦАП в процессе подгонки с использованием стандартных приборов: осциллографа С1-103, вольтметра ЩЗ1, калибратора П327 (рисунок 4.5).
Блок управления, созданный в НИИЭМП при участии автора, формирует напряжение питания для ЦАП и периодически чередующиеся параллельные коды для подгонки линейности преобразования, а также осуществляет связь соответствующих выводов ЦАП с измерительными приборами.
Подгонка линейности ХП осуществляется путем оценивания локальной дифференциальной нелинейности в разрядной точке при сменесмежных управляющих кодов. Например, при і=4 N4 (000...001000) иN4-l (000..,000111). При периодической смене этих кодов на экранеосциллографа, подключенного к выходу ЦАП, наблюдается сигнал прямоугольной формы, амплитуда которого равна сумме ЕМЗР и дифференциальной нелинейности. Для получения сигнала с амплитудой, пропорциональной только 5ЛД, ЕМЗР вычитают путем введения нулевогоразряда, по весу равного младшему [3]. Введение нулевого разряда достигается за счет содинения крайнего правого резистора 8R для ЦАП 427ПАЗ и 32R для ЦАП К427ПА5Т с точкой 22 (рисунок 3.7). По окончании подгонки эти резисторы соединяются с выводом Ї ИС Б572ПП1-4. Так как осциллограф синхронизирован с формирователем параллельных кодов, то по фазе прямоугольного сигнала на его экране можно определить какой резистор РМ R-2R необходимо подгонять -резистор связи Re, или разрядный резистор RP. Воздействие лазера на соответствующий резистор приводит к уменьшению амплитуды импульсов до нуля (прямая линия на экране осциллографа), чем обеспечивается окончательное условие линейности R J = Rci + R3/j_n Р].
Необходимая точность контроля подгонки линейности достигается применением осциллографа С1-103, имеющего чувствительность 50мкВ/дел при значении ЕМЗР, равном 80 мкВ.
Алгоритм или последовательность операций подгонки зависит от внутренней структуры ЦАП, топологии и наличия технологических выводов и позволяет организовать процесс подгонки функционально полных прецизионных преобразователей таким образом, чтобы каждая последующая операция подгонки не влияла иа предыдущую [62-64]. Кроме того, выведенная выше математическая модель ЦАП на основе РМ и использования двух выходов ДК (2.14) показывает влияние узлов и их параметров на характеристику преобразования и также определяет последовательность подгонки.
С учетом этого был разработан алгоритм подгонки, позволяющий без итераций осуществить процесс подгонки параметров ЦАП. Этот алгоритм включает следующие шаги.1. Подгонка ИОН. Данная операция осуществляется в два этапа: подгонка тока 1ст и подгонка выходного напряжения U0n- На первом этапе блок управления (БУ) подключает к выводу 45 ЦАП (рисунок 4.3) через вольтметр Щ31, работающий в режиме амперметра, калибратор П327 с выходным напряжением, равным -10 В. Воздействуя лазером на токозадающий резистор R1 (рисунок 3.2), соединенный с выводом 45, подгоняют ток стабилизации стабилитрона до значения Іст.о, зафиксированного в сопроводительной документации на данный ЦАП. После подгонки выводы 45 и 46 соединяются между собой (замыкается обратная связь ОУ ИОН) и с помощью делителя R2/R3 (рисунок 3.2) на втором этапе устанавливается выходное напряжение ИОН равным -10 В.2. Подгонка напряжения питания Цггя=5 В. Эта операция осуществляется только для ЦАП К427ПА5Т.3. Подгонка напряжения смещения ОУ. Операция осуществляется путем изменения соотношения сопротивлений резистивных делителей, подключенных к неинвертирующим входам ОУи и ОУВых и внешнем опорном напряжении, равном 0. Напряжение смещения ОУи подгоняется при входном коде 111...111 (їцлп=о) и контролируется вольтметром,подключенным к выводу 34, а напряжение смещения ОУВых соответственно при коде 000...000 (ІЦАП О) И контролируетсявольтметром на выходе ЦАП. Критерием окончания подгонки является равенство нулю показаний вольтметра при соответствующих кодах и точках его подключения. В результате выполнения этой операции устраняется влияние напряжения смещения на нелинейность ХП ЦАП, что соответствует также равенству нулю выражения (2.17).
