Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор архитектуры СДАЦП, другие типы преобразователей 9
1.1 Типы архитектур АЦП 9
1.2 Принципы работы и состав СДАЦП 13
1.3 Анализ СДМ 16
1.3.1 Простейшая схемотехническая реализация СДМ 16
1.3.2 Анализ работы модулятора во временной области 17
1.4 Виды архитектур СДМ 18
1.5 Основные параметры СДМ 26
1.6 Методы управления параметрами СДМ 27
1.7 Выводы 28
Глава 2. Усовершенствованный подход к расчету сигма-дельта модулятора 30
2.1 Анализ влияния неидеальностей на характеристики модулятора 30
2.1.1 Классификация неидеальностей 31
2.1.2 Изучение влияния неидеальностей на характеристики модулятора ...
2.2 Усовершенствованная методика расчета коэффициентов модулятора 37
2.2.1 Применение метода, основанного на расчете фильтра 39
2.2.2 Поведенческое моделирование 43
2.2.3 Комбинированный метод 44
2.2.4 Учет влияния неидеальностей на характеристики модулятора 50
2.3 Выводы 51
Глава 3. Структурные методы повышения эффективности СДАЦП 53
3.1 Особенности разработки многокаскадной архитектуры СДМ 53
3.2 Оценка физического шума интегратора на переключаемых конденсаторах в составе СДМ 66
3.3 Численное моделирование шума «просачивания» 69
3.4 Методика выбора архитектуры СДП 71
3.5 Оценка применимости разработанных методик 72
3.6 Выводы 76
Глава 4. Проектирование СДП повышенной разрядности 78
4.1 Новые подходы к проектированию СДМ ..78
4.2 Проектирование цифрового КИХ фильтра-дециматора 78
4.2.1 Функциональное назначение КИХ фильтра-дециматора 78
4.2.2 Архитектура цифрового фильтра 80
4.2.3 Циклический буфер 81
4.2.4 Интерфейс КИХ-фильтра 83
4.3 Разработка тестовой микросхемы 84
4.3.1 Архитектура тестового кристалла 84
4.3.2 Описание методики и стенда для проверки работоспособности тестового кристалла 87
4.4 Выводы ...88
Заключение 90
Литература 91
- Принципы работы и состав СДАЦП
- Изучение влияния неидеальностей на характеристики модулятора
- Оценка физического шума интегратора на переключаемых конденсаторах в составе СДМ
- Проектирование цифрового КИХ фильтра-дециматора
Введение к работе
Актуальность работы
Современные беспроводные телекоммуникационные системы требуют аналого цифровых преобразователей (АЦП) с широкой полосой пропускания и высоким разрешением. Сигма-дельта АЦП (СДАЦП) часто используются в приемниках сигнала из-за своего высокого разрешения и низкой потребляемой мощности. Основой СДАЦП является сигма-дельта модулятор (СДМ), осуществляющий преобразование аналогового сигнала в цифровой. СДМ представляет собой последовательность интеграторов с обратной связью. Дискретизация цифрового сигнала модулятора производится на частоте большей частоты Найквиста в OSR (коэффициент передискретизации) раз. Частота дискретизации сигнала на выходе модулятора понижается до частоты Найквиста посредством последовательного выполнения операций фильтрации и децимации (удаление кратных отсчетов) сигнала. Преимуществом такой архитектуры является многократная выборка, усредняющая значение сигнала и приводящая к низким требованиям по точностям аналоговых элементов модулятора и смещение большей мощности шумов квантования из низкочастотной области в высокочастотную.
Благодаря простой структуре и низким требованиям к точностям аналоговых компонентов широко распространена однокаскадная архитектура модулятора с одноразрядным квантователем. Однако она не удовлетворяет современным требованиям к разрядности преобразования. Для достижения лучших характеристик модулятора необходимо повысить: порядок модулятора, разрядность квантователя и/или коэффициент передискретизации. Но увеличение порядка модулятора приводит к его нестабильности, что может вызвать снижение мощности сигнала и увеличение шума, вследствие чего происходит значительное падение характеристик модулятора: динамического диапазона (DR) и отношения сигнал/шум (SNR). Повышение OSR, в свою очередь, снижает полосу входного сигнала, а увеличение полосы входного сигнала, при сохранении высокого OSR, ограничено максимальным быстродействием, определяемым используемой технологией.
Традиционная методика расчета параметров модулятора основана на вычислении параметров аналогового БИХ фильтра, соответствующего модулятору.
Однако при этом значение отношения SNR модулятора (с использованием полученных коэффициентов) не является максимальным. Вторым недостатком существующих методик является отсутствие возможности учета схемотехнических особенностей архитектуры модулятора и неидеальностей аналоговых компонентов. Для достижения высоких характеристик СДАЦП необходимо усовершенствовать традиционную методику выбора коэффициентов СДМ.
Существуют два основных варианта архитектуры модулятора: однокаскадная (вложенная) и многокаскадная (MASH). Повышение порядка модулятора при одновременном сохранении стабильности возможно путем использования многокаскадной архитектуры. Но так как реальные передаточные характеристики аналоговых компонентов отличны от расчетных (идеальных), наблюдается снижение характеристик модулятора многокаскадной архитектуры ввиду появления на выходе шума квантования с промежуточных каскадов, называемого шумом «просачивания». Основными причинами шума «просачивания» являются неидеальности аналоговых компонентов модулятора. Для оценки мощности шума на выходе модулятора необходимо разработать модель шума «просачивания» применительно к многокаскадному СДМ.
Снижение мощности шума «просачивания» и, следовательно, повышение характеристики SNR может быть достигнуто изменением как схемотехнических, так и архитектурных параметров модулятора, таких как, увеличение эффективного коэффициента усиления операционного усилителя (Keff) и изменение порядка или
архитектуры модулятора. Для снижения шума «просачивания» необходимо определить архитектуру модулятора, в которой влияние неидеальностей будет минимально, либо снизить их влияние на модулятор путем выбора соответствующей схемотехнической реализации.
В настоящей диссертации представлены методы и соответствующие технические решения, направленных на повышение параметров (SNR, DR) однокаскадных и многокаскадных СДАЦП.
Цель работы
Целью работы является разработка методов и методик, направленных на повышение характеристик однокаскадных и многокаскадных СДАЦП (SNR, DR) за счет надлежащего выбора структуры АЦП, целенаправленного выбора схемотехнических параметров: Кеїї, OSR, точность воспроизведения аналоговых компонентов и др.
Научная новизна результатов работы
1. Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
2. Разработана усовершенствованная методика структурно-схемотехнического синтеза многокаскадной архитектуры СДМ, в которой учтены параметры аналоговых компонентов и их технологический разброс, что обеспечивает высокую точность и сокращение времени проектирования уже на верхнем уровне;
3. Разработана методика анализа влияния схемотехнических параметров блоков (эффективного коэффициента усиления ОУ в составе интегратора) на характеристики АЦП (SNR, DR, полоса входного сигнала), позволяющая прогнозировать изменение характеристик модулятора при смене параметров компонентов;
4. Разработана аналитическая и программная модель шума «просачивания» применительно к многокаскадному СДМ, определены области доминирования этого шума над физическим, включающим в себя шум сопротивления каналов ключей и тепловой шум транзисторов ОУ, что позволяет выработать требования к неидеальностям аналоговых компонентов СДМ с целью достижения высоких характеристик;
5. На основе изучения взаимосвязи шума «просачивания» и архитектуры СДМ даны рекомендации по выбору архитектуры СДМ. Разработаны методы управления величиной шума «просачивания», посредством соответствующего выбора архитектуры и параметров компонентов модулятора, обеспечивающих повышение характеристик СДМ.
Практическая значимость работы
1. Разработанные в диссертации методики, модели и технические решения позволяют повысить характеристики СДМ посредством целенаправленного выбора архитектуры и снижения внутренних шумов СДМ. Результаты работы использовались при разработке интегральных модулей смешанного сигнала в рамках ФКЦП "Национальная технологическая база" и предназначены для создания эффективных СДАЦП для широкого спектра телекоммуникационных систем.
2. Результаты работы и программные средства для проектирования СДМ, используются в учебном процессе при чтении в курсах лекций и при выполнении курсовых и дипломных проектов.
11 На защиту выносятся
1. Усовершенствованная методика синтеза коэффициентов однокаскадных СДМ, заключающаяся в использовании целенаправленного структурно-схемотехнического проектирования на уровне поведенческого моделирования с учетом неидеальностей аналоговых компонентов модулятора, позволяющая повысить характеристики однокаскадных и многокаскадных СДМ.
2. Модели для анализа шума «просачивания» в СДМ многокаскадной архитектуры с учетом аналоговых неидеальностей: конечного значения коэффициента усиления операционного усилителя (ОУ) в составе интегратора, на переключаемых конденсаторах (ИПК) и вариаций коэффициента передачи модулятора.
3. Методика выбора архитектуры СДАЦП с повышенной разрядностью на основе многокаскадных СДМ, исходя из результатов анализа шума «просачивания» и его соотношения с физическим шумом для различных конфигураций СДМ.
Апробация работы
Результаты проведенных работ докладывались:
• На четвертой международной научно-технической конференции "Электроника и Информатика", Зеленоград, ноябрь 2002 г.;
• На десятой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика", Зеленоград, апрель 2003 г.;
• На одиннадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика", Зеленоград, апрель 2004 г.;
• На двенадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика", ( Зеленоград, апрель 2005 г. Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 5-ти приложений и списка цитируемой литературы из ... наименований. Объем диссертации составляет ... страниц текста и включает ... рисунков и таблиц.
Принципы работы и состав СДАЦП
Основная концепция работы сигма-дельта преобразователя заключается в использовании обратной связи для увеличения эффективного разрешения квантователя с малой разрядностью. Первые описания этого даны в патенте Катлера [21], оформленном в 54-м и полученном в 60-м году. Другим вариантом преобразователя был предложенный ранее Дельта модулятор [22]. Дельта модулятор содержит квантователь (обычно одноразрядный) в пути распространения сигнала и фильтр (интегратор) в пути обратной связи. В современном виде архитектура сигма-дельта модулятора (СДМ) появилась в 1962 году [23]. В состав ее входил интегратор и АЦП в пути сигнала, одноразрядный ЦАП находился в обратной связи. В течение последующих более чем 30 лет происходили различные изменения СД преобразователей (СДП), однако первым важным предложением было применение в 1977 году Ритчем [24] нескольких интеграторов в каскаде по пути распространения сигнала. Применение модуляторов высокого порядка связано с необходимостью повышения его стабильности [25]. Сегодня СДМ содержит несколько интеграторов в пути сигнала и многоразрядный квантователь.
СДАЦП является системой, образованной несколькими блоками (аналоговыми и цифровыми), которые могут находиться как на одной подложке, так и в различных кристаллах (SoC) и состоит из двух основных частей (Рис. 1.2а [26]): дискретно-аналоговый СДМ и цифровой фильтр-дециматор.
С выхода СДМ поступает цифровой сигнал, модулированный по частоте, превышающей частоту Найквиста в OSR (коэффициент передискретизации) раз. Обычно для СДМ OSR= 8, 16, 32, 64, 128, 256 или 512, то есть аналоговый сигнал на входе СДМ дискретизируется с частотой во много раз больше частоты Найквиста. Как и в случае передискретизирующих Найквистовых преобразователей в конце СДМ должен стоять цифровой фильтр, подавляющий шум квантования за пределами полосы пропускания. Поскольку цифровой сигнал с выхода СДМ идет с избыточной частотой, то необходимо ее понизить. Для этого после цифровой фильтрации проводят децимацию (удаление отсчетов) сигнала в OSR раз.
СДМ на Рис. 1.2(a) является следящей дискретно-аналоговой системой с аналоговым входом и цифровым выходом. Разность входного и приходящего по цепи обратной связи с ЦАП сигнала, поступает на вход интегратора. Квантование сигнала с выхода интегратора может производиться одноразрядным (стробируемый компаратор), либо многоразрядным АЦП (flash АЦП). Цифровое представление изменения амплитуды входного сигнала с выхода компаратора поступает на ЦАП в обратной связи и цифровой фильтр-дециматор для последующей обработки. Обычно применяются интеграторы на переключаемых конденсаторах (ИПК), для достижения более высоких частот дискретизации можно также использовать непрерывный интегратор, однако при этом значительно возрастает чувствительность СДМ к шуму фронта тактового сигнала ("дрожанию").
Поскольку СДАЦП относятся к АЦП с частотозависимым подавлением шума квантования АЦП, то распределение шума квантования по оси частот для СДМ (Рис. 1.3) отличается от распределения шума квантования в случае Найквистовых преобразователей. Снижение шума квантования в полосе сигнала приводит к получению большого динамического диапазона. Это объясняется тем, что форма шума квантования для СДМ имеет вид АЧХ фильтра верхних частот. Крутизна (мощность) распределения шума квантования зависит от порядка СДМ, т.е. от числа интеграторов.
Применение квантователя обуславливает нелинейность системы уравнений, описывающих работу модулятора. Передаточные функции сигнала STF(z) и шума NTF(z) выбираются таким образом, что STF(z) имеет максимум в полосе сигнала, NTF(z), в свою очередь, должна быть минимальна в полосе сигнала. Выбор параметров модулятора основывается на определении таких передаточных функций, где мощность сигнала была бы максимальна, а шума - минимальна.
Можно сказать, что значение выходного цифрового сигнала является средневзвешенной оценкой посредством большого числа выборок низкочастотного входной сигнала. Сокращение числа выборок с увеличением частоты снижает точность определения сигнала и увеличивает ошибку квантования. Повышение частоты дискретизации позволит более точно оценить значения сигнала.
Один из вариантов схемотехнической реализации СДМ представлен ни Рис. 1.4. Он включает в себя ключи Pl,P2,Pi P4 (со схемой вольтодобавки), интегратор на переключаемых конденсаторах (ИПК), одноразрядный квантователь, состоящий из простейшего компаратора, D-триггера и одноразрядного ЦАП в составе двух генераторов опорного напряжения и двух ключей на п- и р-транзисторах. Анализ работы модулятора во временной области Для понимания принципов работы модулятора необходим анализ значений в критических точках модулятора во временной области.
Изучение влияния неидеальностей на характеристики модулятора
Характер влияния неидеальностей на характеристики модулятора определяется архитектурой модулятора. Так, для однокаскадной архитектуры при модификации передаточной функции ИПК наибольшее влияние оказывает изменение полюсов в комплексной площади. Повышение порядка СДМ снижает влияние Keff, поскольку происходит перемножение значений коэффициентов, и повышается общий коэффициент усиления СДМ.
С увеличением порядка модулятора увеличивается задержка в пути сигнала модулятора, источником ее являются интеграторы с задержкой. Значения в цепи от ЦАП обратной связи отличаются от входного сигнала на время равное числу интеграторов, в результате разница по напряжению между отсчетами, поступающая на вход интегратора и, следовательно, ОУ будет велика.
Большие скачки сигнала на входе ОУ приводят к линейному переходному процессу вместо экспоненциального (slew rate), что в свою очередь вызывает появление дополнительных нелинейностей и снижение отношения сигнал/(шум+искажения) (SNDR). Выходом из этого может быть увеличение разрядности квантователя, однако применение квантователей более 5 разряда нецелесообразно, поскольку при этом нивелируются все преимущества сигма-дельта АЦП по потребляемой мощности и относительно небольшой площади кристалла.
Существующие архитектуры СДМ рассмотрены в Главе 1. Данная методика представлена для однокаскаднои архитектуры модулятора с распределенной обратной связью. Для других архитектур модулятора предложенная методика также справедлива, но требуется дополнительный расчет сигнальной и шумовой характеристик модулятора.
Структурная схема однокаскадного СДМ с распределенной обратной связью 4-го порядка с многоразрядным квантователем и ЦАП приведена на Рис. 2.6(a). Все интеграторы на ПК в этой схеме считаются без задержки, поэтому в обратной связи должен моделироваться ЦАП с задержкой на 1 такт. Можно видеть, что в передаточную функцию СДМ входит восемь коэффициентов, определяющие его стабильность, а также влияющие на величину SNR. Необходимо определить значения этих коэффициентов, так как от корректности их выбора зависит стабильность СДМ. Нестабильная работа СДМ заключается в перегрузке интеграторов, то есть при неправильном выборе значений коэффициентов, выходы интеграторов могут выйти в насыщение ("упереться" в питание), и схема просто перестанет работать. Это не должно происходить для любого значения возможного входного сигнала.
Так как модель СДМ - нелинейная, то аналитически рассчитать эти коэффициенты, решая соответствующую систему нелинейных уравнений, невозможно. Для того чтобы перейти к методам, позволяющим решить поставленную задачу, необходимо упростить эту задачу.
Из уравнения (2.4) можно заметить, что STF и NTF представляют собой передаточную функцию рекурсивных цифровых фильтров четвертого порядка нижних и верхних частот соответственно. Рассмотрим метод расчета СДМ, основанный на теории расчетов цифровых БИХ фильтров (фильтры с бесконечной импульсной характеристикой) [50].
Эти коэффициенты гарантируют стабильную работу СДМ, но такие маленькие значения коэффициентов не позволят нам получить требуемый динамический диапазон (линейный эффект, Рис. 1.9). Они должны быть как можно больше, но СДМ при этом станет нестабильным. Мы воспользуемся одним из выше перечисленных факторов, повышающих стабильность работы СДМ. Этим фактором является увеличение разрядности квантователя (увеличение разрядности квантователя не только повышает стабильность работы модулятора, но также увеличивает динамический диапазон на 6 дБ на 1 дополнительный разряд).
Данные коэффициенты во много раз больше коэффициентов в случае однобитного квантователя. Проведем исследования. В пакете программ визуального моделирования Simulink, входящий в состав Matlab [54], создадим схему СДМ 4-го порядка с 4-х разрядным квантователем.
Самым критичным видом входного сигнала является постоянный сигнал. Подавая на вход моделируемого СДМ постоянный сигнал различного уровня и наблюдая за выходными сигналами интеграторов, можно определить уровень перегрузки. Максимальное входное напряжение при котором выходы интеграторов начнут перегружаться будет соответствовать уровню перегрузки (по модулю).
Из рисунка видно, что уровень перегрузки составляет 0,36 от опорного напряжения. То есть рассмотренный метод расчета коэффициентов гарантирует стабильность СДМ, но подразумевает наложение ограничений на диапазон входного сигнала. Это нежелательно. Уровень перегрузки, как известно из литературы [36], равен 0,8 от опорного напряжения. Конечно, можно уменьшить произведение коэффициентов аІ,а2,а3,а4 в числителе передаточной характеристики в 0.8/0.36 раз и получить требуемый входной диапазон (это теоретическое предположение, на самом деле уменьшать произведение коэффициентов придется во много раз больше, так как СДМ -нелинейная система). При этом любое изменение коэффициентов аг,а2,аг,а4 приведет к изменению положения полюсов в комплексной плоскости, и нельзя будет гарантировать, что они не выйдут за границу единичного круга (если это случится, то это означает, что полученный модулятор нестабильный) и возникнет необходимость повторной проверки условия стабильности СДМ.
Предположим, что были проделаны все эти процедуры и получены новые коэффициенты ах,аг,аъ,аА и требуемый уровень перегрузки. Однако нельзя сказать, что это решение будет оптимальным, так как изначально частота отсечки цифрового БИХ фильтра была взята равной /J2S. Взяв другую частоту отсечки, например /s/20, получим новое решение, для которого будет свой уровень перегрузки, и который придется потом подгонять под требуемое значение (0,8), изменяя коэффициенты a,,fl2,a3,uf4, тем самым, переводя модулятор в режим нестабильной работы.
Рассмотрим метод поведенческого моделирования. Он заключается в следующем: СДМ любого порядка и с любой разрядностью квантователя описывается системой уравнений во времени. В эту систему уравнений входят коэффициенты (например, в случае нашего модулятора: а а2,аъ,аА), определение которых является непосредственной задачей метода.
В эту систему уравнений закладывается некая входная последовательность (входной сигнал) любой длины (обычно 212) и конкретный набор коэффициентов ах,а2,а3,а4. Решая систему разностных уравнений на каждом шаге входной последовательности, можно изучать поведение СДМ. В результате проведенного наблюдения можно сказать, стабилен ли модулятор с таким набором значений коэффициентов или нет.
Поставив выборку значений коэффициентов в цикл, проводится поведенческое моделирование СДМ для каждого значения набора коэффициентов. Анализируя поведение СДМ, отбираются удовлетворительные наборы коэффициентов. Таким образом, определяется область решений.
Оценка физического шума интегратора на переключаемых конденсаторах в составе СДМ
Методике оценки физического шума, приведенного ко входу интегратора на ПК (ИПК), посвящены работы [82, 83]. Оценка производится для первого ИПК в первом каскаде многокаскадного СДМ. Вклад физических шумов второго интегратора и, тем более, следующих каскадов в общий шум СДМ пренебрежимо мал ввиду значительного усиления в интеграторе даже для минимальных коэффициентов передискретизации, а также возможного межкаскадного усиления (коэффициент усиления «к» на Рис. 3.2).
На основании выражения (3.1), определяющего физический шум первого интегратора, было выявлено, что для достижения величины физического шума менее минус 98 дБ емкость конденсатора Q в составе ИПК, должна быть больше 1,5 пФ.
Снижение как общего шума квантования, так и «просачивающегося» шума квантования достигается увеличением разрядности квантователя. С целью определения области допустимых значений относительной ошибки дс, исходя из значения емкости конденсатора, проведено моделирование с учетом значений эффективного коэффициента усиления от 1 000 до 10 000 при разрядностях модуляторов от 3 до 7 бит. Сравнение результатов моделирования для высоких Ке (Ке 6 000) показало зависимость результатов практически только от 5С. Исходя из сведений о практических реализациях, для моделирования был выбран ЛГе# 1000. В Таблице представлены результаты моделирования вариантов архитектур модулятора для Keff = 1000. Значения выбраны при пересечении со шкалой в 98 дБ оси ординат. Моделирование проведено для значений емкостей в диапазоне от 0,2 пФ до 200 пФ.
Увеличение разрядности квантователя понижает шум «просачивания». Повышение порядка модулятора приводит к значительному понижению шумов квантования, а, следовательно, и шуму «просачивания». Как видно из результатов моделирования (см. таблицу), разрядность квантователей в составе модулятора конфигураций 2-ій 2-2 более 4 разрядов достаточна для снижения шума «просачивания» до значения минус 98 дБ.
Анализируя результаты предыдущих глав работы, разработана методика выбора архитектуры СДП, состоящая из следующих этапов: 1) Анализ требуемых характеристик СДМ Производится оценка характеристик разрабатываемого АЦП, возможностей технологии по характеристикам элементов и точностям пассивных компонентов. 2) Выбор архитектуры и расчет коэффициентов модулятора Выбор архитектуры производится из набора архитектур модуляторов удовлетворяющих требованиям по их характеристикам. Производится расчет коэффициентов для выбранных архитектур с учетом требований к амплитуде сигнала внутри модулятора. 3) Оценка неидеальностей аналоговых компонентов На этом этапе осуществляется расчет неидеальностей аналоговых компонентов модулятора на основе анализа технологических данных. 4) Расчет с учетом неидеальностей аналоговых компонентов Осуществляется разработка описания СДМ на языке высокого уровня (Matlab или C/C++). Производится интеграция в поведенческое описание разностных уравнений описывающих неидеальности аналоговых компонентов модулятора. 5) Выработка требований к схемотехнической реализации модулятора (размеры емкостей, коэффициент усиления ОУ)
На основании результатов поведенческого моделирования с учетом неидеальностей аналоговых компонентов вырабатываются требования к размерам емкостей и коэффициенту усилении ОУ. Определяются характеристики разработанного устройства.
Проектирование цифрового КИХ фильтра-дециматора
В случае, если фильтр имеет импульсную характеристику конечной протяженности, то такой фильтр называется КИХ фильтром. В этом случае отсутствуют плюсы, и поэтому фильтр всегда устойчив. Выходная характеристика такого фильтра является линейной, В процессе обработки производится последовательное умножение каждого входного значения на матрицу значений, называемых коэффициентами фильтра. Па Рис. 4.2 представлена архитектура такого цифрового КИХ фильтра, где h(0), h(l), ..., h(N-l) обозначены коэффициенты фильтра. Y(n)= И(п) х(п)=й( Ми-1).
При децимировании удаляется отсчет, кратный коэффициенту децимации, что в частотной области соответствует делению полосы сигнала на коэффициент децимации. В результате в частотной области осуществляется фильтрация спектра входных значений, результат снимается с последовательного выхода фильтра.
В последовательных вычислениях КИХ фильтра к N коэффициентам фильтра постоянно осуществляется последовательный доступ. Данные постоянно циркулируют в памяти, новые значения заменяют собой старые с каждым отсчетом вычисления выходных значений фильтра. Фиксированное значение памяти может более эффективно использоваться при использовании зацикливания адресов памяти фильтра, на
При вычислении адреса памяти старые значения данных читаются из памяти первыми, начиная со значений, которые должны быть перезаписаны. Например, х(4) записывается в памяти по адресу 0, а значения данных тогда читаются начиная с адресов 1, 2, 3 и 0. Данный пример можно пролонгировать на любое количество шагов. Этот буфер адреса данных называется циклическим, потому что последнее значение является начальным для следующего буфера (Рис. 4.5).
В цифровых фильтрах для обработки используется память, для уменьшения количества обращений к памяти можно использовать модернизированный циклический буфер, когда вместо каждого значения выступают слова из памяти, т.е. управление ведется с помощью словарной шины массива памяти.
Как видим, для того чтобы уменьшить частоту, с которой будет работать память необходимо увеличить коэффициент децимации. Таким образом, возможно использование более медленной памяти, при этом также экономится потребляемая мощность. В результате схема может использоваться в качестве мобильных приложений. Описание КИХ фильтра-дециматора на языке высокого уровня Verilog HDL представлено в Приложении В. 4.2.4 Интерфейс КИХ-фильтра
Описание методики и стенда для проверки работоспособности тестового кристалла Разработана функциональная схема стенда для проверки работоспособности и лабораторных исследований тестового кристалла. Объектом лабораторных испытаний является сигма-дельта модулятор DAI.
На основании функциональной схемы стенда разработана электрическая принципиальная схема и топология печатной платы стенда с ВЧ и НЧ разъемами, с возможностью установки на ней испытываемой микросхемы, с цепями питания и с тактовым генератором.
Генератор тактовой частоты выполнен на логической микросхеме КРІ533ЛНІ. Частота генерации задается кварцевым резонатором и в зависимости от необходимой величины тактовой частоты может изменяться путем замены кварцевого резонатора в пределах от 0.5МГц до 50 МГц.
1. Для реализации методики проектирования СДЛЦП выбран метод проектирования цифрового КИХ фильтра-дециматора. Спроектирован блок цифрового параметризуемого КИХ фильтра-дециматора для применения в сигма-дельта АЦП с передискретизацией. Основными параметрами фильтра являются: порядок фильтр, разрядность входного сигнала и коэффициентов фильтра, коэффициент децимации сигнала. Применение технологи циклического буфера позволило снизить расчетную площадь фильтра и снизить количество обращений к элементам памяти, хранящим промежуточные значения.
2. При участии диссертанта спроектирован тестовый кристалл, эквивалентный СДМ со следующими параметрами:
Архитектура: однокаскадный СДМ второго порядка с пятиразрядным квантователем; Технология: 0,35 мкм компанией AMIS с 5-ю металлами; Площадь кристалла: размер кристалла включая контактные площадки составляет 1,6x2,3 мм2
3. Предварительные измерения показали, что кристалл работоспособен до 40МГц и имеет DR в 90 дБ и SNR =60дБ, что близко к расчетным значениям.
1. Разработана усовершенствованная методика синтеза коэффициентов СДМ однокаскадной и многокаскадной архитектуры, обеспечивающая получение коэффициентов модулятора, при которых значение сигнала будет наилучшим для различных схемотехнических реализаций модулятора с учетом неидеальностей аналоговых компонентов.
2. Предложена методика анализа влияния параметров модулятора и неидеальностей аналоговых компонентов характеристики СДАЦіІ (SNR, DR). При помощи которой можно произвести оценку изменения характеристик СДМ при перестройке параметров модулятора для повышения характеристик устройства.
3. Разработана модель шума «просачивания» применительно к многокаскадному СДМ. Изучена взаимосвязь шума «просачивания» и архитектуры СДМ. На основе этого разработаны методы управления величиной шума «просачивания» с целью повышения параметров СДМ.
4. Разработан метод управления характеристиками АЦП за счет изменения архитектуры многокаскадных Д АЦП. Проведены исследования по совершенствованию характеристик АЦП и возможности управления ими за счет архитектуры и схемотехнических изменений при модернизации технологии. Применение разработанных методик и метода обеспечивает выигрыш в DR не менее 8-Ю дБ, а по SNR не менее 6-8 дБ
