Введение к работе
Актуальность работы
В современных системах управления и технике связи подготовка аналоговых сигналов к цифровой обработке производится в аналого-цифровых преобразователях (АЦП), изготавливаемых главным образом по КМДП технологии. Одним из интенсивно развиваемых направлений в области АЦП является сигма - дельта АЦП, наиболее критичным элементом которого является дискретно-аналоговый сигма-дельта модулятор (СДМ). В состав СДМ в качестве базовых элементов входит семейство интеграторов, определяющих большинство характеристик СДМ.
Сам по себе СДМ является малоразрядным (от 1 до 5 разрядов) А - Ц преобразователем с передискретизацией, т.е. с частотой дискретизации, значительно (от 8 до более чем в 1000 раз) превышающей частоту Найквиста входного аналогового сигнала. После обработки цифрового сигнала с выхода СДМ в цифровом фильтре - дециматоре сигнал, избыточный по частоте дискретизации, преобразуется в многоразрядный (от 12 до 24 бит) код с частотой Найквиста. Концепция сигма - дельта АЦП наилучшим образом подходит для создания высокоразрядных АЦП на базе новейших субмикронных технологий, используя большое быстродействие элементов для увеличения разрядности с весьма мягкими требованиями (с точки зрения аналоговых схем) на величины коэффициентов усиления операционных усилителей и на точность отношения значений параметров компонентов, а, именно, при создании 16 - разрядных сигма - дельта АЦП достаточна относительная погрешность порядка десятых долей процента. Не менее важным достоинством сигма - дельта АЦП является возможность цифровой селекции каналов в цифровом фильтре -дециматоре, являющемся неотъемлемой составной частью АЦП.
Непрерывно увеличивающиеся скорости передачи и обработки информации, а также необходимость восприятия относительно слабых сигналов на фоне сильных требуют увеличения полосы частот сигнала с соответствующим увеличением частоты дискретизации АЦП а также высокого динамического диапазона DR, т.е. отношения опорного напряжения Vrej к приведенной ко входу среднеквадратичной величине
Vnoi собственного шума. Одним из основных технических направлений для достижения этой цели является разработка широкополосных (полоса входного аналогового сигнала 10 МГц и более) сигма - дельта АЦП
СОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА С Остер 4»
на переключаемых конденсаторах (ПК) с высокой разрядностью (от 14 до 16 бит).
Известно, что ключевым параметром сигма - дельта АЦП является частота дискретизации, однако увеличение последней и, тем более, уменьшение потребления тока, неизбежно увеличивает уровень динамических нелинейных искажений. В связи с этим в настоящей диссертации в качестве показательного параметра, определяющего скоростные свойства интегратора на переключаемых конденсаторах при конкретном потреблении тока и конкретной частоте дискретизации fc, используется уровень нелинейных искажений.
В дальнейшем рассматриваются СДМ, включающие интеграторы на переключаемых конденсаторах (ПК-интеграторы), спроектированные по КМДП технологии. В состав ПК-интегратора входят собственно ПК и операционный усилитель (ОУ). Поскольку нафузками в схемах на базе ПК являются исключительно конденсаторы, то в качестве ОУ в быстродействующих СДМ используются однокаскадные операционные источники тока, управляемые напряжением (ОИТУН). В качестве ключей в большинстве случаев используются N - канальные транзисторы с применением «вольтодобавок» на их затворах.
Целью диссертационной работы является разработка методов, архитектур и электрических схем ОИТУН и узла вольтодобавки в составе интефатора на переключаемых конденсаторах для широкополосных сигма - дельта модулятора, позволяющих получить скоростные характеристики и динамический диапазон ПК-интефатора более высокие, а потребление тока - более низкое, чем при использовании самых быстродействующих известных из литературы однотипных функциональных узлов.
Сравнение характеристик предлагаемых и известных функциональных узлов производится в результате моделирования соответствующих интефаторов, спроектированных и оптимизированных по КМДП технологии с 0,35 мкм затворами и при подаче на их входы синусоидального сигнала одинаковых амплитуды и частоты. Критерием сравнения быстродействия является уровень нелинейных искажений. Критерием сравнения динамического диапазона служит расчет по предлагаемой аналитической модели полного шума «телескопического» ОИТУН, как самого быстродействующего из известных ОИТУН.
Достижение поставленной цели производится с помощью управления скоростями переходных процессов перезаряда конденсаторов в результате:
tl.tt: -'»/-' '.' .
V. "><;V її* > ** Гіі- f>{.
-
Использования предлагаемого метода адаптивного управления динамическим режимным током в «телескопическом» ОИТУН, как наиболее быстродействующем из известных ОИТУН, вследствие чего дополнительно увеличивается его быстродействие при сохранении низких уровней нелинейных искажений, увеличивается динамический диапазон, а при сохранении быстродействия уменьшается потребляемый ток;
-
Предлагаемого метода формирования заданных начальных потенциалов в блоке вольтодобавки на затвор N - канального аналогового ключа и ускорения переходных процессов в узлах этого блока , вследствие чего уменьшаются длительности фронтов импульсов, увеличиваются их амплитуды и увеличивается частота выборки переключаемого конденсатора при сохранении низких уровней нелинейных искажений.
Научная новизна работы
-
Предложен метод адаптивного управления динамическим режимным током «телескопического» ОИТУН в составе ПК-интегратора, позволяющий увеличить быстродействие ПК-интегратора при одновременном уменьшении динамических нелинейных искажений, увеличении динамического диапазона и уменьшении потребления тока. Адаптивное форсирование режимного тока производится при непосредственном суммировании переменной составляющей входного сигнала с постоянной составляющей напряжения на затворах транзисторов - генераторов режимного тока. Показано, что если первая не превышает второй, то характеристики ОИТУН близки к характеристикам линейной системы;
-
На базе предлагаемого метода адаптивного управления динамическим режимным током «телескопического» ОИТУН предложены:
- аналитические модели переходных процессов в ПК-интеграторе;
- аналитические модели «прямого» шума на выходе ПК-интегратора и шума выборки на переключаемом конденсаторе;
- электрическая схема «телескопического» ОИТУН с адаптивным ре
жимным током и активными каскодными транзисторами;
-
Предложен метод адаптивного управления потенциалами затворов активных каскодных транзисторов, и разработаны электрические схемы соответствующих вспомогательных усилителей;
-
Предложен метод улучшения скоростных характеристик блока вольтодобавки на затвор N - канального аналогового ключа, заключающийся в ускорении переходных процессов в узлах блока и формировании заданных начальных потенциалов на затворе N - канального аналогового ключа, а также модифицированная электрическая схема блока вольтодобавки.
Практическая значимость работы
Результаты работы использовались:
1. В ОКР «Абонент» для разработки СФ блока «Пятиразрядный
сигма - дельта модулятор второго порядка для применения в широко
полосных линиях связи», в состав которого входят «телескопические»
ОИТУН с адаптивным динамическим режимным током и аналоговые N
- канальные ключи с модифицированными узлами вольтодобавки. Ука
занный СФ блок создан в соответствии с нормативной документацией
ШИЛГ 430109.001 РМ, ШИЛГ 430109.002 РМ, ШИЛГ 430109.003 РМ,
ШИЛГ 430109.004 РМ, разработанной в ФГУП НИИМА «Прогресс»;
2, Для проектирования и изготовления по 0.35 мкм КМДП техно
логии тестового кристалла, содержащего 5 - разрядный сигма - дельта
модулятор 2-го порядка;
Предложенный метод адаптивного управления динамическим режимным током в ОИТУН универсален и может быть использован для проектирования как сигма - дельта АЦП с непрерывной во времени обработкой сигнала, так и других типов АЦП (например, конвейерных). На защиту выносятся:
-
Метод адаптивного управления режимным током в «телескопическом» ОИТУН составе ПК-интегратора, обеспечивающий высокие быстродействие и динамический диапазон при низких нелинейных искажениях и потреблении тока, соответствующая электрическая схема ОИТУН, а также аналитические модели переходных процессов в ПК-интеграторе и полного «белого шума в ПК-интеграторе, включая как «прямой» шум, так и шум выборки;
-
Метод адаптивного управления потенциалами затворов активных каскодных транзисторов, и электрические схемы соответствующих вспомогательных усилителей;
-
Метод улучшения скоростных характеристик и электрическая схема модифицированного блока вольтодобавки на затвор N - канального аналогового ключа;
-
Методика использования «телескопического» ОИТУН с адаптивным режимным током для создания ПК-интеграторов в составе широкополосного СДМ с высоким динамическим диапазоном. Апробация работы
Результаты работы докладывались: На седьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, Россия, сентябрь 2000 г.;
На третьей международной научно-технической конференции, Зеленоград, ноябрь 2000 г.;
На восьмой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», Зеленоград, апрель 2001 г.
Публикации
Основные результаты работы отражены в 11 печатных работах. Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 64 наименований и приложений. Объем диссертации составляет 153 страницы текста и включает 47 рисунков и таблиц.
