Содержание к диссертации
Введение
1. Способы построения и характеристики ацп 20
2. Проектирование ацп последовательного приближения 43
2.1. Проектирование конденсаторной матрицы ЦАП в составе АЦП
последовательного приближения 48
2.1.1 Анализ влияния топологических параметров конденсаторной матрицы ЦАП в составе АЦП последовательного приближения на линейность его передаточной характеристики 48
2.1.1.1 Анализ погрешностей 49
2.1.1.2 Влияние геометрии матрицы на погрешность нелинейности АЦП 54
2.1.2 Методика проектирования ЦАП на переключаемых конденсаторах в
составе АЦП последовательного приближения 57
2.1.2.1Проектирование топологии матрицы 59
2.1.2.2 Тестирование ЦАП на основе конденсаторной матрицы 64
2.2. Проектирование компараторов 67
2.2.1 Компараторы в составе АЦП разрядностью 10 бит и 14 бит 67
2.2.2 Компараторы в составе быстродействующего АЦП разрядностью 9 бит 86
2.3 Выводы 88
3. Примеры проектирования АЦП 90
3.1. Разработка СФ-блока АЦП конвейерного типа 90
3.1.1 Архитектура АЦП 90
3.1.2 Схема удвоения частоты 93
3.1.3 Проектирование топологии АЦП 94
3.1.3.1 Технологический базис 94
3.1.3.2 Планирование топологии каскадов 95
3.1.3.3 Согласованный массив конденсаторов 97
3.1.3.4 Проектирование топологии ОУ 97
3.1.3.5 Проектирование шин 100
3.1.3.6 Общая топология АЦП 100
3.1.4 Результаты тестирования АЦП 103
3.2. Разработка АЦП последовательного приближения для датчика давления 105
3.2.1 Описание специализированной ИМС для датчика давления 105
3.2.2 Архитектура и принцип работы АЦП 106
3.2.3 Проектирование регистра последовательного приближения 108
3.2.4 Проектирование компаратора 109
3.2.5 Проектирование ЦАП на основе конденсаторной матрицы 111
3.2.5.1 Конденсаторная матрица 111
3.2.5.2 Ключи 113
3.2.6 Проектирование топологии АЦП 114
3.2.7 Тестирование изготовленного образца АЦП 117
3.2.7.1 Описание измерительного стенда и методики измерений 117
3.2.7.2 Результаты измерений 118
3.2.8 Проектирование матрицы для перспективной версии АЦП 120
3.3. Разработка АЦП для преобразования сигналов кремниевых фотоумножителей 125
3.3.1 Архитектура ИМС 125
3.3.2 Архитектура АЦП 126
3.3.3 Проектирование регистра последовательного приближения 127
3.3.4 Проектирование компаратора 128
3.3.5 Проектирование ЦАП на основе матрицы конденсаторов 129
3.3.5.1 Матрица конденсаторов 129
3.3.5.2 Ключи 131
3.3.5.3 Результат моделирования ЦАП на основе конденсаторной матрицы 133
3.3.6 Разработка источника опорных напряжений 133
3.3.7 Проектирование топологии АЦП 140
3.3.8 Результаты моделирования АЦП 143
3.4 Выводы 145
Заключение 147
Список литературы 150
- Влияние геометрии матрицы на погрешность нелинейности АЦП
- Компараторы в составе АЦП разрядностью 10 бит и 14 бит
- Разработка АЦП последовательного приближения для датчика давления
- Разработка АЦП для преобразования сигналов кремниевых фотоумножителей
Введение к работе
Актуальность темы
Интегральные микросхемы (ИМС) аналого-цифровых преобразователей (АЦП) находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, а их проектирование является традиционной задачей производителей ИМС и разработчиков сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) больших интегральных схем (БИС) типа система на кристалле (СнК). Микросхемы АЦП производятся и разрабатываются многими зарубежными компаниями и рядом отечественных предприятий и центров проектирования БИС.
Наиболее массовыми являются АЦП общего применения для систем связи, измерительной техники, промышленных систем и для использования в составе микроконтроллеров. Наряду с ними находят также применение специализированные, в частности, микромощные и многоканальные АЦП, ориентированные на достаточно узкие, но важные области применения.
Такие специализированные АЦП имеют ряд особенностей по сравнению с микросхемами АЦП общего применения. Например, часто оказываются ослабленными требования к быстродействию, особенно если АЦП есть в каждом канале, а совокупность входных сигналов это случайный поток с относительно низкой средней интенсивностью, что характерно для ряда детекторных систем, используемых в экспериментах в области физики высоких энергий. Также часто оказываются ослабленными требования к точности АЦП. Во многих многоканальных детекторных системах для физических экспериментов требуемая разрядность АЦП составляет 6 – 9 бит, в системах считывания сигналов кремниевых фотоумножителей она редко превышает 10 бит.
Ослабление требований к быстродействию и точности АЦП сопровождается существенным усилением требований к уровню энергопотребления, который часто становится критически значимым фактором при проектировании таких устройств. Например, в аппаратуре для физических экспериментов при числе каналов считывания более миллиона, лимит потребляемой мощности одного канала составляет величину порядка 1 мВт, поэтому потребляемая мощность АЦП группы каналов ограничена уровнем порядка 10 мВт. Требования к уровню энергопотребления специализированных АЦП в составе микросхем для распределенных сетей сбора данных с удаленными датчиками в трубопроводных транспортных системах, устройствах экологического мониторинга и других системах с
длительным циклом работы от источников автономного питания или от источников, потребляющих энергию из внешней среды, часто еще более строгие. Для них лимит потребляемой мощности АЦП обычно не превышает 1 мВт.
Другими особенностями специализированных многоканальных АЦП по сравнению с микросхемами АЦП общего применения являются более жесткие ограничения на величину занимаемой площади на чипе, количество внутренних контактных площадок и доступных внешних выводов, приходящихся на один блок АЦП.
Методы проектирования рассматриваемых специализированных АЦП также имеют ряд особенностей по сравнению с методами проектирования АЦП общего применения, в которых получение высоких значений качественных показателей может достигаться путем использования цифровой автокалибровки и заводской подстройки прецизионных элементов. Для рассматриваемых АЦП эти способы не могут быть использованы в полной мере из-за ограничений на размеры блоков и число доступных контактных площадок и внешних выводов.
Поэтому проектирование специализированных АЦП не всегда направлено на достижение предельных показателей точности и быстродействия. Должно обеспечиваться необходимое сочетание точности и быстродействия при ограничениях на потребляемую мощность, размеры блока и число внешних выводов, с учетом свойств компонентов, доступных в используемом технологическом процессе, выбор которого не всегда определяется разработчиком.
Разработке микросхем КМОП АЦП, отличающихся наименьшим уровнем энергопотребления, посвящено большое число публикаций. Представлены все уровни типового маршрута проектирования и верификации с использованием средств автоматизированного проектирования (САПР) – системный (поведенческий), схемный (компонентный) и физический (конструктивно-топологический).
Близким к данному исследованию по предметной области и тематике является ряд диссертационных работ, выполненных в НИЯУ МИФИ. В диссертации Д.Л. Осипова «Применение поведенческих моделей для проектирования сложно-функциональных блоков аналого-цифровых преобразователей» (2013 г.) предложена поведенческая модель цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) на переключаемых конденсаторах, но не рассматриваются вопросы проектирования ЦАП. В диссертации А.С. Гуменюка «Аналого-цифровые преобразователи конвейерного типа с пониженной потребляемой мощностью» (2009 г.) рассмотрены вопросы снижения энергопотребления конвейерных АЦП и предложен метод совместного использования компараторов
смежными каскадами конвейера, но не рассмотрен способ формирования дополнительного тактового сигнала удвоенной частоты, необходимого для реализации предложенного метода. В диссертациях А.С. Силаева «Аналого-цифровые микроэлектронные устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов» (2010 г.), А.Д. Клюева «Методы и средства обработки сигналов многоканальных детекторов устройствами, управляемыми потоком данных» (2010 г.) и В.В. Шумихина «Маломощные амплитудные тракты КМОП интегральных микросхем для микрополосковых детекторов» (2013 г.) исследованы различные аспекты построения трактов многоканальных систем для физических экспериментов, но в них не затрагиваются вопросы проектирования АЦП.
Среди множества зарубежных работ по рассматриваемой тематике следует отметить работы M. Idzik, K. Swientek и T. Fiutowski (AGH, Польша), в которых рассмотрены микромощные АЦП для электроники физических экспериментов. Однако в них отсутствует теоретический анализ влияния параметров топологии на характеристики АЦП.
Таким образом, несмотря на большое число работ, посвященных общим вопросам проектирования КМОП АЦП, практически отсутствуют работы, в которых были бы собраны и обобщены данные по методам схемного и топологического проектирования, ориентированным на разработку микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле, учитывающим их специфику и комплекс особых требований к таким специализированным микросхемам.
Вопросам исследования, обобщения и развития методов схемного и топологического проектирования микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле посвящено данное диссертационное исследование. Его конечной целью является повышение уровня функциональной интеграции, то есть увеличения числа выполняемых функций ИМС, и на базе этого улучшение электрических и массогабаритных характеристик электронной аппаратуры с ограниченными энергоресурсами.
Цель и задачи диссертации
Целью диссертации является повышение уровня функциональной
интеграции электронной аппаратуры с ограниченными
энергоресурсами на основе развития схемотехнических и
конструктивно-топологических методов проектирования
микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле.
Достижение этой цели требует решения следующих основных задач:
-
Выявление особенностей специализированных микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле, выполненных по КМОП технологии, с точки зрения набора характеристик, способов построения и маршрута проектирования.
-
Выявление элементов, определяющих линейность КМОП АЦП последовательного приближения, наиболее массовых среди микромощных АЦП. Теоретический анализ влияния топологических параметров конденсаторных матриц ЦАП на линейность АЦП последовательного приближения.
3. На основе теоретического анализа влияния топологических
параметров конденсаторных матриц на линейность АЦП, разработка
методики проектирования топологии матриц, нацеленной на
достижение необходимой точности АЦП при заданных ограничениях
на размеры массива конденсаторов конструктивно-топологическими
методами без использования автокалибровки.
4. Анализ влияния схемной реализации и топологии
регенеративного выходного каскада КМОП компараторов на снижение
их разрешающей способности из-за эффекта воздействия помехи от
тактового сигнала на вход каскада, разработка способов минимизации
этого эффекта.
5. Разработка блока удвоения тактовой частоты минимальной
площади и энергопотребления для конвейерных АЦП, в которых
используется метод снижения потребляемой мощности путем
совместного использования компараторов смежными каскадами
конвейера.
Научная новизна
1. Для АЦП последовательного приближения на основе матриц
переключаемых конденсаторов впервые получены аналитические
соотношения, устанавливающие связь между величиной нелинейности
и топологическими параметрами массива конденсаторов, которые
позволили создать основу новой формализованной методики
проектирования конденсаторных матриц.
2. Разработана новая методика проектирования матриц
конденсаторов в АЦП последовательного приближения, которая
позволяет при заданных ограничениях на размер матриц обеспечить
необходимый уровень точности или уровень точности близкий к
максимально-возможному без использования автокалибровки АЦП.
3. Установлено, что в компараторах с автоматической коррекцией
смещения нуля существенным фактором, ограничивающим повышение разрешающей способности, становится влияние помехи, воздействующей на вход регенеративного каскада при подаче на него тактовых импульсов. Впервые получены аналитические оценки, которые устанавливают связь между размерами транзисторов каскада, статистическим разбросом топологических и физических параметров и уровнем помехи, вызывающим ложное срабатывание компаратора, позволяющие путём оптимизации параметров схемы регенеративного каскада повысить помехозащищенность и, как следствие, разрешающую способность компаратора.
Практическая значимость работы
-
Разработанная методика проектирования ЦАП на основе матрицы переключаемых конденсаторов в составе АЦП последовательного приближения, позволяет минимизировать размеры массива конденсаторов без использования автокалибровки при обеспечении необходимой точности АЦП разрядностью до 14 бит. Это дает возможность увеличить число каналов в БИС, содержащих несколько АЦП, и уменьшить размер, занимаемый блоками АЦП, в составе СнК.
-
Предложенные схемно-топологические способы повышения помехозащищенности выходного каскада компаратора, позволяют более целенаправленно проводить проектирование, предварительную оптимизацию параметров схемы, в 3 – 5 раз снизить степень влияния помехи и тем самым повысить разрешающую способность компаратора.
3. Предложенный метод удвоения частоты импульсной
последовательности со скважностью равной двум, обеспечивающий
необходимую точность без использования фазовой автоподстройки
частоты (ФАПЧ), позволяет более чем на порядок уменьшить площадь
блока удвоителя частоты и его потребляемую мощность по сравнению
с реализацией на базе ФАПЧ. Он может быть применен для
построения схем тактирования компараторов конвейерных АЦП, где
используется способ снижения энергопотребления путем совместного
использования части блоков компараторов смежными каскадами
конвейера.
4. Разработана топология и схемные решения ряда блоков КМОП и
БиКМОП микросхем с низким уровнем энергопотребления: 9-битного
АЦП с быстродействием 20 Мвыб/с и потребляемой мощностью 9 мВт,
14-битного АЦП с быстродействием 30 квыб/с и потребляемой
мощностью 1 мВт, 10-канального 10-битного АЦП с быстродействием
100 квыб/с и потребляемой мощностью 0,3 мВт на канал. Они нашли практическое применение при создании микросхем для перспективных датчиков давления и нового поколения устройств обработки сигналов матриц кремниевых фотоумножителей.
На защиту выносятся следующие положения
-
Методика проектирования матрицы конденсаторов в АЦП последовательного приближения, позволяющая при заданных ограничениях на размер матриц обеспечить необходимый уровень точности или уровень точности близкий к максимально-возможному без использования автокалибровки АЦП.
-
Метод повышения точности КМОП компараторов путем минимизации уровня помехи от тактового импульса на входе регенеративного каскада.
3. Метод удвоения тактовой частоты импульсной
последовательности со скважностью равной двум, обеспечивающий
высокую точность без использования ФАПЧ.
4. Конструктивно-топологическая реализация СФ-блока АЦП
разрядностью 9 бит с низким уровнем энергопотребления по
технологии КМОП 0,18 мкм. Схемная и топологическая реализация
микромощного АЦП разрядностью 14 бит в составе
специализированной БИС по технологии БиКМОП 0,35 мкм. Схемная
и топологическая реализация БИС, содержащей 10 микромощных
АЦП разрядностью 10 бит, опорный источник и блок памяти, по
технологии КМОП 0,35 мкм.
Реализация и внедрение результатов работы
Целью проектирования СФ-блока 9-битного быстродействующего АЦП с низким уровнем энергопотребления было использование его в составе специализированной БИС для многоканальных систем считывания сигналов микрополосковых детекторов в станциях траекторных измерений для международного эксперимента СВМ. Он планируется к проведению на ускорителе Европейского центра по исследованию ионов и антипротонов (ФАИР).
Участие в работе автора диссертации заключалось в создании топологии конвейерного АЦП и в разработке схемы удвоения тактовой частоты. Наличие в устройстве такой схемы исключило необходимость использования двух источников тактового сигнала: одного для тактирования всего АЦП с частотой взятия отсчетов и другого для тактирования совместно используемых смежными каскадами конвейера блоков компараторов – с удвоенной частотой.
Прототип БИС, включающий разработанный 9-битный АЦП с источником опорного напряжения, спроектирован и изготовлен в тестовой версии по КМОП технологии аналого-цифровых ИМС с проектной нормой 0,18 мкм на фабрике UMC (Тайвань). В соавторстве получено свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2010630091.
Результаты диссертации в части проектирования 14-битного АЦП последовательного приближения использованы при проведении НИОКР «Разработка специализированной микросхемы ASIC для датчика давления и исследование её параметров» в рамках совместных работ НИЯУ МИФИ с ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова» (Москва).
Материалы диссертации включены в итоговый отчёт по НИОКР ФГУП ВНИИА. Получен акт о внедрении. Основные результаты внедрения заключаются в следующем: предложены методы конструктивно-топологической реализации высокоточных и согласованных элементов, которые применены при разработке входящего в состав АЦП блока ЦАП на основе матриц переключаемых конденсаторов; разработаны схемные решения и выполнено топологическое проектирование основных блоков, в частности, компаратора, аналоговых переключателей и регистра последовательного приближения, которые позволили разработать АЦП поразрядного взвешивания, удовлетворяющий поставленным требованиям по массогабаритным, электрическим и эксплуатационным параметрам, а также жестким ограничениям по уровню потребляемого тока.
Специализированная микросхема, содержащая микромощный АЦП, изготовлена по БиКМОП технологии с проектной нормой 0,35 мкм на фабрике AMS (Австрия). В соавторстве получено свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2012630037.
Результаты диссертационного исследования в части проектирования многоканальных БИС использованы при разработке специализированной микросхемы для обработки сигналов с матриц кремниевых фотоумножителей. Разработанный прототип БИС для матриц со структурой (3х3) ячеек, имеет 9 основных и один вспомогательный канал с 10-битными АЦП в каждом из каналов. Помимо десяти АЦП последовательного приближения БИС содержит также источник опорного напряжения, буферное запоминающее устройство типа FIFO на 16 ячеек 16-битных слов, последовательный коммуникационный порт и отладочный порт.
Микросхема разработана для реализации по КМОП технологии с
проектной нормой 0,35 мкм фабрики X-FAB.
Компания SARAD GmbH (Дрезден, Германия) планирует использовать ее в своих портативных приборах для экологического мониторинга. Получен акт о внедрении.
Достоверность
Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается тем, что:
результаты получены с применением современных средств автоматизированного проектирования (САПР) специализированных аналого-цифровых БИС от ведущих мировых производителей САПР;
результаты подтверждены данными проведенных испытаний и экспериментальных исследований тестовых образцов разработанных микросхем.
Апробация результатов диссертации
Основные результаты диссертации докладывались на международной конференции «European Solid-State Circuits Conference – ESSCIRC 2011» (Финляндия, Хельсинки, 2011); на международном симпозиуме «International Symposium on Nuclear Electronics and Computing» (Болгария, Варна, 2011); на международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (Москва, 2010 г.), доклад отмечен грамотой Оргкомитета; на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (Москва, 2010 г.); на ежегодных Научных сессиях МИФИ (2010 – 2014 гг.).
Опубликованные результаты
По теме диссертации опубликовано 7 статей в российских научно-технических журналах, рекомендованных ВАК; 10 статей в российских научно-технических журналах, входящих в российский индекс научного цитирования РИНЦ; 1 статья в научно-техническом журнале, входящим в международную базу данных SCOPUS; 11 тезисов докладов в сборниках российских и международных конференций.
Структура и объём диссертации.
Диссертация содержит 171 страниц, в том числе 108 рисунков, 6 таблиц, и состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы из 155 наименований.
Влияние геометрии матрицы на погрешность нелинейности АЦП
Целью проектирования СФ-блока 9-битного быстродействующего АЦП с низким уровнем энергопотребления было использование его в составе специализированной БИС для многоканальных систем считывания сигналов кремниевых микрополосковых детекторов в станциях траекторных измерений для эксперимента СВМ. Международный эксперимент CBM (Compressed Baryonic Matter) по изучению материи в экстремальных состояниях, в котором участвует ряд российских организаций, планируется к проведению на ускорителе Европейского центра по исследованию ионов и антипротонов (ФАИР).
Участие в работе автора диссертации заключалось в создании топологии конвейерного АЦП, входящего в состав специализированной БИС, и в разработке схемы удвоения тактовой частоты АЦП. Наличие в устройстве такой схемы исключило необходимость использования двух источников тактового сигнала: одного для тактирования всего АЦП с частотой взятия отсчетов и другого для тактирования совместно используемых смежными каскадами конвейера блоков компараторов – с удвоенной частотой. Прототип БИС, включающий разработанный 9-битный АЦП с источником опорного напряжения, спроектирован и изготовлен в тестовой версии по КМОП технологии аналого-цифровых ИМС с проектной нормой 0,18 мкм на фабрике UMC (Тайвань). В соавторстве получено свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2010630091 (приложение А).
Результаты диссертации в части проектирования 14-битного АЦП последовательного приближения использованы при проведении НИОКР «Разработка специализированной микросхемы ASIC для датчика давления и исследование её параметров» в рамках совместных работ НИЯУ МИФИ с ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова» (Москва).
Материалы диссертации включены в итоговый отчёт по НИОКР ФГУП ВНИИА. Получен акт о внедрении (приложение Б). Основные результаты внедрения заключаются в следующем: предложены методы конструктивно-топологической реализации высокоточных и согласованных элементов, которые применены при разработке входящего в состав АЦП блока цифро-аналогового преобразователя на основе матриц переключаемых конденсаторов с двоично-взвешенными емкостями; разработаны схемные решения и выполнено топологическое проектирование основных блоков АЦП, в частности, компаратора, аналоговых переключателей и регистра последовательного приближения, которые позволили разработать аналого-цифровой преобразователь поразрядного взвешивания, удовлетворяющий поставленным требованиям по массогабаритным, электрическим и эксплуатационным параметрам, а также жестким ограничениям по уровню потребляемого тока.
Специализированная микросхема, содержащая микромощный АЦП, изготовлена по БиКМОП технологии с проектной нормой 0,35 мкм на фабрике AMS (Австрия). В соавторстве получено свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2012630037 (приложение В).
Результаты диссертационного исследования в части проектирования многоканальных БИС использованы при разработке специализированной микросхемы для обработки сигналов с матриц кремниевых фотоумножителей. Разработанный прототип БИС для матриц со структурой 3х3 ячеек фотоумножителей, имеет 9 основных каналов и один вспомогательный канал с 10-битным АЦП в каждом из каналов. Помимо десяти АЦП последовательного приближения БИС содержит также источник опорного напряжения, буферное запоминающее устройство типа FIFO на 16 ячеек 16-битных слов, последовательный коммуникационный порт и отладочный порт.
Микросхема разработана для реализации по КМОП технологии с проектной нормой 0,35 мкм фабрики X-FAB.
Компания SARAD GmbH (Дрезден, Германия) планирует использовать ее в своих портативных приборах для экологического мониторинга. Получен акт о внедрении (приложение Г).
Далее диссертация организована следующим образом. Первый раздел имеет обзорный характер. В нем рассмотрены известные принципы построения основных типов АЦП и наряду с этим отмечаются особенности использования таких преобразователей в микромощных и многоканальных устройствах. Приводятся данные о параметрах современных микросхем АЦП отечественных и зарубежных производителей. Эти данные приводятся лишь для тех микросхем, которые можно условно отнести к устройствам с низким уровнем энергопотребления и многоканальным АЦП. Обзор показал, что в устройствах средней точности и быстродействия целесообразно использовать АЦП последовательного приближения, а быстродействующих системах – конвейерные преобразователи с АЦП в каждом канале.
Компараторы в составе АЦП разрядностью 10 бит и 14 бит
Значение обобщенного показателя качества Волдена в соответствии с данными таблицы 1.3 составляют: 1,8103 фДж для прототипа 1 (эффективная разрядность около 8 бит), 1,6104 фДж для прототипа 2 (эффективная разрядность 11 бит) и 0,3104 фДж для прототипа 3 (эффективная разрядность около 10 бит). Значение обобщенного показателя качества Шрайера составляют: 149 дБ для прототипа 1, 140 дБ для прототипа 2 и 147 дБ для прототипа 3.
В соответствии с обоими критериями более быстродействующие АЦП имеют более высокий показатель качества, чем менее быстродействующие, но с меньшим энергопотреблением. Это обусловлено тем, что для рассматриваемого класса АЦП сложнее достичь значительного снижения потребляемой мощности, чем повышения быстродействия в той же степени. Поэтому микромощные АЦП следует сравнивать между собой.
Микромощными будем считать АЦП низкого и среднего быстродействия (не более 10 Мвыб/с) со средней потребляемой мощностью до 1 мВт. В классе АЦП более высокого быстродействия – до 10 мВт. Выводы
Проведенный анализ показывает, что многоканальные АЦП с низким уровнем энергопотребления составляют значительную часть производимых изделий как в классе универсальных микросхем общего назначения, так и в классе специализированных устройств.
Наибольшее применение нашли многоканальные АЦП с аналоговым коммутатором на входе. В специализированных микросхемах также используется архитектура с АЦП в каждом канале. Преимуществом такого построения является отсутствие необходимости использования специальных аналоговых событийно-управляемых устройств считывания, преобразующих нерегулярный поток входных сигналов в регулярный поток для синхронного опроса и мультиплексирования каналов на входе АЦП [68, 69].
Несколько параллельно включенных АЦП могут использоваться для построения измерительного тракта повышенной точности, если случайные составляющие погрешностей АЦП распределены по нормальному закону, что справедливо в большинстве случаев. Тогда при суммировании результатов преобразования в параллельных каналах отношение сигнал-шум и эффективное разрешение АЦП возрастает пропорционально корню квадратному из числа каналов [70].
Многоканальные микромощные АЦП среднего уровня точности (до 14 бит) и среднего быстродействия (от 30 квыб/с до 10 Мвыб/с), эффективно реализуются с использованием метода поразрядного взвешивания. Многоканальное построение может быть реализовано как с применением входного мультиплексора, так и с АЦП в каждом канале, а также с использованием смешанной архитектуры.
Многоканальные микромощные АЦП повышенного быстродействия (более 10 Мвыб/с) в технологическом базисе с проектной нормой более (0,13-0,18) мкм реализуются по методу конвейерного преобразования с АЦП в каждом канале, поскольку конвейерная задержка не позволяет применить мультиплексор на входе АЦП. В технологическом базисе с проектной нормой менее 0,13 мкм можно создать АЦП последовательного приближения сравнимые по быстродействию с конвейерными АЦП в области значений скорости преобразования от 10 Мвыб/с до 100 Мвыб/с и выше.
С учетом специфики предметной области настоящего диссертационного исследования (многоканальные устройства и системы на кристалле среднего быстродействия) основное внимание в работе уделено проектированию АЦП последовательного приближения. Наряду с этим рассмотрены также особенности топологического и схемного проектирования ряда аналоговых блоков АЦП конвейерного типа.
Общие особенности АЦП, рассматриваемых в диссертационном исследовании: минимальные размеры занимаемой области на чипе при возможных жестких ограничениях по высоте или ширине топологического фрагмента; минимальная средняя потребляемая (рассеиваемая) мощность одного блока АЦП или одного канала обработки данных, содержащего АЦП; минимальное число внутренних контактных площадок и внешних выводов, приходящихся на один блок АЦП, что ограничивает возможность тестирования, подстройки элементов и калибровки каждого АЦП; менее жесткие требования по точности и быстродействию для специализированных АЦП рассматриваемого типа по сравнению с соответствующими показателями АЦП общего применения, реализуемых в том же технологическом базисе.
Разработка АЦП последовательного приближения для датчика давления
На этапе коррекции перед началом фазы уравновешивания (основной цикл работы АЦП последовательного приближения) показанные на схеме ключи замыкаются, и на конденсаторах запоминаются выходные напряжения смещения нуля усилительных каскадов. На этапе уравновешивания они вычитаются из выходных напряжений каскадов, пропорциональных разности входных сигналов, чем достигается коррекция погрешности смещения [14].
Здесь K, A и T – погрешности напряжения смещения нуля, соответственно: компаратора, предусилителя и триггера-защелки. Погрешность смещения одного каскада с коррекцией VOSK равна разности между собственным напряжением смещения каскада VOS и напряжением коррекции VK на разделительном конденсаторе: VOSK = VOS – VK, где VK = VOS K1/(1 + K1), K1 – дифференциальный коэффициент усиления каскада, поэтому VOSK VOS/K1. То есть, погрешность смещения снижается пропорционально коэффициенту усиления каскада. Первый каскад вносит максимальный вклад в общую погрешность, вклад последующих каскадов снижается пропорционально коэффициенту усиления предыдущих.
Статический дифференциальный коэффициент передачи для малого сигнала каждого из каскадов около 40, поэтому даже при максимальной погрешности смещения каскада 30 мВ скорректированное значение не превысит 1 мВ (стандартное отклонение 0,3 мВ). Вкладом остальных каскадов можно пренебречь.
Общий дифференциальный коэффициент усиления предварительных каскадов с учетом влияния разделительных конденсаторов составляет около 104 для малого переменного сигнала и не менее 103 для большого сигнала (на пороге ограничения в каскадах). Поэтому можно было бы ожидать, что влиянием погрешности смещения входного каскада триггера-защелки можно пренебречь, даже если оно достигает 100 мВ. Однако, при наличии смещения в этом каскаде начинает проявляться эффект обратного воздействия триггера на предусилитель – помеха, возникающая во время действия сигнала стробирования, проникая на выход усилителя может вызвать ложное срабатывание компаратора (kickback эффект). Если смещение отсутствует, то эта синфазная помеха одинаково воздействует на оба симметричных входа компаратора и не вызывает его ложного срабатывания. Важно отметить, что прямой метод снижения влияния рассматриваемого эффекта путем уменьшения напряжения смещения нуля входной пары транзисторов регенеративного каскада, благодаря увеличению их размеров, не всегда приводит к нужному результату, поскольку одновременно с размерами увеличиваются паразитные емкости транзисторов.
Уменьшение влияния эффекта обратного воздействия достигается выбором схемы триггера, где он проявляется в наименьшей степени, и выбором оптимальных размеров входной пары транзисторов, при котором достигается компромисс между влиянием напряжения смещения и влиянием помехи, проникающей через паразитные емкости.
Типовые схемы регенеративных каскадов приведены на рисунке 2.14. Все они являются динамическими и не потребляют ток в статическом режиме. Присутствующие во всех схемах выходные буферные инверторы не показаны. В схеме на рис. 2.14.а [107] при высоком уровне сигнала тактирования (стробирования) CLK ключ на транзисторе М5 прекращает регенеративный процесс и переводит триггер из устойчивого состояния в усилительный режим. Транзисторы М1 и М8, работающие на разных стадиях переходного процесса и в ключевом и в активном режиме, передают усиленный разностный входной сигнал в триггерную ячейки на транзисторах М3-М4, М6-М7. При низком уровне тактового сигнала триггер переходит в одно из устойчивых состояний, определяемых знаком разностного входного сигнала. Другие схемы работают аналогично. Схемы на рисунках 2.14.б [108] и 2.14.в [109] и их модификации [38] отличаются лишь типом использованных МОП транзисторов, а также наличием в некоторых из них дополнительных ключей начальной установки, как в схеме 2.14.б (транзисторы М1 и М11). Наиболее широко применяется схема на рис. 2.14.в. Рисунок 2.14 – Типовые схемы регенеративных каскадов компараторов
Анализ и моделирование схем на транзисторном уровне показали, что при их реализации по технологиям с проектными нормами больше 0,18 мкм, все они подвержены влиянию эффекта обратного воздействия триггера на выход предусилителя при стробировании. Это объясняется тем, что в этих схемах входные транзисторы прямо связаны с транзисторами, на которые воздействует импульс стробирования: М1 и М8 в схеме рис. 2.14.а, М6 в схеме рис. 2.14.б, М7 в схеме на рис. 2.14.в. Наибольшее влияние оказывает прохождение синфазной помехи через емкость сток-затвор МОП ключей, подключенных к истокам входной пары транзисторов [110].
Разработка АЦП для преобразования сигналов кремниевых фотоумножителей
Предложенные схемные и топологические решения для создания микромощных многоканальных АЦП позволили разработать топологию 9 битного конвейерного КМОП АЦП с пониженным энергопотреблением, разработать схему и топологию микромощного БиКМОП АЦП последовательных приближений разрядностью 14 бит, разработать схему и топологию КМОП БИС, содержащей 10 микромощных АЦП разрядностью 10 бит, опорный источник и блок памяти. Они нашли практическое применение при создании СнК для перспективных датчиков давления и нового поколения устройств обработки сигналов матриц кремниевых фотоумножителей.
Применение способов повышения разрешающей способности компараторов путем снижения влияния помехи от тактового сигнала 145 позволило разработать схемы компараторов для использования в составе блоков АЦП последовательного приближения разрядностью 10 бит и 14 бит.
Предложенная схема удвоения частоты исключила необходимость использования блока фазовой автоподстройки частоты для формирования управляющих сигналов конвейерного АЦП. Это позволило более чем на порядок снизить потребляемую мощность и занимаемую площадь блока удвоителя частоты по сравнению с его реализацией на основе ФАПЧ.
Результаты аналитических оценок дифференциальной нелинейности старшей подматрицы ЦАП в составе АЦП последовательного приближения разрядностью 14 бит, полученные на основе соотношений, приведенных в разделе 2.1, согласуются и с результатами моделирования (расхождение менее 2%), и с результатами измерений изготовленных образцов (расхождение не превышает 21%).
Отмеченное несоответствие аналитических оценок и результатов моделирования и тестирования обусловлено отсутствием учета таких факторов, как например, шумы по подложке и по линиям питания, нелинейной зависимости сопротивления ключей от приложенного напряжения и др.
Использование предложенной методики проектирования, в том числе метода компенсации паразитных емкостей, позволило при разработке новой версии конденсаторной матрицы для 14-битного АЦП последовательных приближений более чем на порядок снизить величину погрешности, характеризующей дифференциальную нелинейность АЦП, при сохранении прежнего размера.
Использование предложенной в разделе 2 методики проектирования матриц конденсаторов с учетом ограничений на их топологические размеры позволило при проектировании специализированной многоканальной БИС расположить 10 блоков АЦП на кристалле площадью 10 мм2, имеющего 68 контактных площадок.
Основным научным результатом диссертационной работы является решение актуальной задачи разработки схемотехнических и конструктивно-топологических методов проектирования микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле как средства повышения уровня функциональной интеграции электронной аппаратуры с ограниченными энергоресурсами благодаря возможности увеличения числа каналов и снижения энергопотребления, что являлось целью диссертации. Таким образом, можно считать, что поставленная цель достигнута
Теоретические результаты
1. Впервые получены аналитические соотношения, устанавливающие связь между нелинейностью АЦП последовательного приближения на основе матриц переключаемых конденсаторов, паразитными параметрами схемы и топологическими параметрами массива конденсаторов, что позволило создать основу новой формализованной методики проектирования конденсаторных матриц.
2. Разработана новая методика проектирования матриц конденсаторов в составе АЦП последовательного приближения, которая при заданных ограничениях на размеры матриц обеспечивает достижение необходимой или близкой к максимально-возможной точности АЦП конструктивно-топологическими методами без автокалибровки.
3. На основе исследования эффекта снижения разрешающей способности компаратора при действии помех от тактовых импульсов на вход регенеративного каскада, впервые получены аналитические оценки, которые устанавливают связь между размерами транзисторов в каскаде, разбросом их параметров и уровнем помехи, вызывающим ложное срабатывание компаратора Практические результаты 1. Предложен новый метод удвоения тактовой частоты импульсной последовательности, обеспечивающий необходимую для рассматриваемых применений точность без ФАПЧ. Он позволяет уменьшить площадь блока удвоителя частоты и его потребляемую мощность более чем на порядок и может быть применен для построения схем тактирования компараторов конвейерных АЦП, где используется метод снижения энергопотребления путем совместного использования части блоков компараторов смежными каскадами конвейера. Он может быть применен и в других устройствах, где необходимо удвоение частоты импульсов.
2. Разработаны топология и схемные решения трех прототипов КМОП и БиКМОП АЦП с низким уровнем энергопотребления, которые были использованы при создании многоканальной БИС для детекторных систем планируемого международного физического эксперимента СВМ, при проведении НИОКР «Разработка специализированной микросхемы ASIC для датчика давления и исследование её параметров» в ФГУП ВНИИА имени Н.Л. Духова и при разработке многоканальной микросхемы для обработки сигналов матриц кремниевых фотоумножителей и датчиков давления в составе приборов экологического мониторинга в компании SARAD GmbH (Дрезден, Германия).
