Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Классификация и общая характеристика сигма-дельта АЦП 11
1.1. Обзор 11
1.2. Тенденции развития сигма-дельта АЦП звукового диапазона 14
1.3. СФ блоки как интегральные повторно используемые блоки 21
1.4. Преобразование с передискретизацией 23
Выводы 28
Глава 2. Формирование кривой распределения шума в различных архитектурах сигма-дельта модуляторов 30
2.1. Модуляция сигнала 33
2.2. Модуляция высокого порядка 41
2.3. Альтернативные структуры сигма-дельта модуляторов 43
2.4. Анализ шумовой характеристики сигма-дельта модуляторов высокого порядка, расчет коэффициентов, устойчивость преобразования 47
Выводы 54
Глава 3. Математический анализ сигма-дельта модуляторов АЦП с учетом их схемотехнической реализации 56
3.1. Маршрут проектирования устройств смешанной обработки сигналов
3.2. Расчет архитектуры модулятора 75
Выводы 79
Глава 4. Состав и особенности схемотехники аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона 81
4.1. Влияние технологических норм на проектирование аналогового ядра 81
4.2. Аналоговое ядро СФ блоков сигма-дельта АЦП звукового диапазона
Выводы 102
Основные выводы и результаты 108
Список литературы 111
- Тенденции развития сигма-дельта АЦП звукового диапазона
- Альтернативные структуры сигма-дельта модуляторов
- Маршрут проектирования устройств смешанной обработки сигналов
- Аналоговое ядро СФ блоков сигма-дельта АЦП звукового диапазона
Введение к работе
Диссертация посвящена пронектированию аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП (СДАЦП) звукового диапазона высоких порядков, ориентированных на применение в СБИС «система на кристалле».
Применение микросхем смешанной обработки сигналов в современной электронике является особенно актуальным. Интенсивное развитие телекоммуникаций, интернета, мобильных устройств, телевидения привело к тому, что практически повсеместно в электронных системах используются как цифровые, так и аналоговые схемы.
Развитие технологии изготовления интегральных схем позволило на одном кристалле размещать все более сложные устройства, которые еще совсем недавно можно было реализовать только на печатной плате. Одной из задач современной российской микроэлектроники является создание СБИС типа «система на кристалле», поэтому разработка сложно-функциональных блоков (далее СФ блоков), на основе которых и строится «система на кристалле», является приоритетной задачей, от решения которой зависит: смогут ли отечественные производители конкурировать с ведущими мировыми производителями электронных компонентов.
Одними из наиболее массовых электронных компонентов за рубежом в настоящее время являются микросхемы и СФ блоки СДАЦП. В настоящее время наметилась тенденция применения сигма-дельта АЦП не только в наиболее часто используемой области обработки сигналов звукового диапазона, но и в более широком частотном диапазоне: как на более низких (медицина, геология), так и на более высоких частотах (обработка видео сигналов, беспроводная связь). Сигма-дельта преобразователи с разрешением 16 бит могут достичь скорости обработки 10 Мбит/с уже в текущем году, что переводит их в разряд высокоскоростных. Примером служит АЦП ADS1605 фирмы Texas Instruments, имеющий скорость обработки 5 Мбит/с. Достижение столь высоких характеристик становится возможным, благодаря
изменениям в алгоритмах обработки сигнала и созданию новых архитектур устройств.
Кроме того, в последнее время наметилась тенденция к развитию звуковых сигма-дельта АЦП с жесткой привязкой к конкретному назначению (узкоспециализированный АЦП). Так фирмой Zarlink Semiconductor разработан сигма-дельта АЦП с сигма-дельта модулятором 4-го порядка для использования с миниатюрными цифровыми микрофонами в мобильных телефонах.
В соответствии с основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу определены приоритетные направления политики РФ в области электронной компонентной базы (ЭКБ). Одним из приоритетов политики является освоение разработки, производства (воспроизводства) и совершенствование ЭКБ на основе прогрессивной отечественной технологии сложно-функциональных блоков (СФ блоков), по зарубежной терминологии IP блоки.
Одной из областей применения ЦАП и АЦП является обработка звуковых сигналов. Частота дискретизации таких сигналов невысокая (до 192 кГц). При этом разрядность сигнала составляет 16...24. Поэтому для их обработки используются ЦАП и АЦП на основе сигма-дельта модуляции.
Диссертация выполнена в рамках программы «Национальная технологическая база» по проектированию СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона (договор № 010/02-мэ от 1 марта 2002 г шифр «Тон-СФ» на тему «Разработка технологии проектирования семейства КМОП СФ -блоков звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле»).
В рамках программы необходимо было разработать универсальные, отлаженные методы и средства проектирования СДЦАП и СДАЦП (на начальном этапе - математические методы, программные методы выбора
оптимальной структуры и т.д.), применение которых позволит сократить время разработки СДЦАП и СДАЦП с заданными характеристиками.
Методы и средства разработки СФ блоков СДЦАП и СДАЦП широко используются во всем мире, однако для российских производителей они являются недоступными по причине отсутствия соответствующей информации о них.
Сигма-дельта АЦП принято делить на две основные части: это аналоговый модулятор, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой, и цифровой фильтр-дециматр, оперирующий только с цифровыми сигналами с выхода модулятора. Наиболее критичным и, по сути, определяющим блоком любого сигма-дельта АЦП является сигма-дельта модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума, то есть определяет такие показатели как сигнал/шум и эффективная разрядность. Задачей же цифрового фильтра-дециматора является определение полосы пропускания и уменьшение скорости выдачи цифровой информации с выхода АЦП с передискретизованной частоты до частоты дискретизации без потери информации.
Результаты диссертационной работы связаны с разработкой программ быстрого моделирования аналоговых сигма-дельта модуляторов с учетом реальных электрических параметров его компонентов, созданием набора библиотечных элементов для аналогового ядра сигма-дельта АЦП.
Цель диссертации - создание программно-аппаратных средств разработки аналогового ядра СДАЦП звукового диапазона с различными архитектурами модулятора и создание на их основе семейства звуковых СДАЦП с различными характеристиками.
Достижение данной цели предусматривает решение следующих задач:
- классификация и анализ различных вариантов построения сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП, исследование их свойств и особенностей;
разработка методики предварительного расчета шумовых характеристик АЦП;
создание унифицированной программы, позволяющей выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора при обеспечении его устойчивости;
создание набора библиотечных элементов аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона, для использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектировании сигма-дельта АЦП;
разработка на основе предложенных методик аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП для их последующего интегрирования в СБИС типа «система на кристалле».
На защиту выносятся следующие положения:
Методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками.
Методика выбора критериальных параметров сигма-дельта модуляторов.
Конкретные схемотехнические решения аналоговых ядер сигма-дельта модулятора, реализованные по КМОП-технологии.
Результаты практического применения разработанных методов проектирования при создании СФ блоков сигма-дельта АЦП.
Научные результаты.
Основными научными результатами диссертации являются:
создание и развитие методик предварительного расчета шумовых характеристик проектируемого сигма-дельта модулятора;
обоснование эффективности выбранной архитектуры для конкретного набора требуемых характеристик, а также процесса
проектирования модулятора с учетом влияния схемотехнического исполнения отдельных функциональных блоков, входящих в его состав;
разработка моделей в среде Matlab аналоговых блоков, входящих в состав сигма-дельта модуляторов, позволяющих учитывать электрические особенности схем при расчете шумовых характеристик модулятора и выборе коэффициентов модулятора;
создание методики расчета коэффициентов передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.
Апробация диссертации.
Основные результаты работы были доложены на научно-технических конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника», проходивших в Санкт-Петербурге в 2002-м году, в Костроме в 2003-м году, в Нижнем Новгороде в 2004-м году, в Вологде в 2005-м году, всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005». А так же на конференциях «Молодежь и Наука», проведенных в 2001-м и 2004-м гг.
Результаты работы по теме диссертации нашли отражение в нескольких научно-технических отчетах в рамках ОКР «Разработка технологии проектирования семейства КМОП СФ блоков звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле», № 010/02-мэ от 1 марта 2002 г, шифр «Тон-СФ».
Научная и практическая значимость работы.
Автору неизвестно о наличии законченных разработок СДАЦП звукового диапазона в России. Сведения о практическом опыте проектирования такого рода устройств в нашей стране практически отсутствуют. Получение же конкретных готовых зарубежных методик и программных пакетов для проектирования сигма-дельта преобразователей
затруднительно, так как это, как правило, является конфиденциальной информацией фирм-разработчиков.
Диссертация носит комплексный характер и условно делится на две части: первая - разработка программ расчета структур сигма-дельта модуляторов АЦП звукового диапазона на основе оригинальной методики расчета параметров разрабатываемого сигма-дельта модулятора для АЦП с учетом реальных электрических характеристик устройств, вторая - создание набора библиотечных элементов для аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона для использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектировании сигма-дельта АЦП.
Научная значимость состоит в следующем:
разработаны модели в среде Matlab аналоговых блоков входящих в состав сигма-дельта модулятора, позволяющие учитывать электрические особенности схем при расчете передаточных характеристик модулятора и выборе набора коэффициентов модулятора.
разработана методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе созданных автором программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками;
создана методика, позволяющая выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.
Практическая значимость заключается в том, что:
создан набор библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона в среде САПР Cadence;
разработана программа расчета рационального набора коэффициентов модулятора с учетом его конкретного схемотехнического исполнения. Расчет с помощью предложенной программы дает выигрыш во времени по сравнению с аналогичным расчетом в программе spectre в САПР Cadence по меньшей мере в 40 раз.
Результаты работы применяются при проектировании широкого класса КМОП СБИС типа «система на кристалле» и могут быть легко использованы при производстве микросхем сигма-дельта АЦП.
Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы.В первой главе излагаются обзор развития и применения сигма-дельта преобразования, тенденции развития современных преобразователей, использующих сигма-дельта преобразование.
Во второй главе рассматриваются вопросы формирования кривой распределения шума, устойчивости модуляторов высоких порядков. Описывается механизм модуляции в сигма-дельта модуляции. Рассматриваются различные архитектуры модуляторов и их сравнительные особенности.
Третья глава посвящена математическому моделированию сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП звукового диапазона. Анализируются параметры реальных электрических схем, влияющие на качество преобразования. Обосновываются модели, отражающие данные схемы. Описывается расчет архитектуры модуляторов сигма-дельта АЦП, приводятся основные результаты моделирования.
В четвертой главе рассматривается схемотехника аналогового ядра сигма-дельта АЦП, применявшаяся при проектировании семейства сигма-дельта АЦП звукового диапазона. Анализируются различные структуры интеграторов с точки зрения их влияния на качество преобразования модулятора.
Тенденции развития сигма-дельта АЦП звукового диапазона
В настоящее время сигма-дельта АЦП и ЦАП, вследствие малого быстродействия, целиком заполнили нишу для обработки низкочастотных сигналов. На рис. 1.3 показано абсолютное и относительное число микросхем АЦП общего назначения с разной разрядностью. Из анализа этого рисунка следует, что из общего числа микросхем данного класса более половины составляют АЦП с относительно низкой разрядностью (12, 10 и 8 бит).
Анализ номенклатуры выпускаемых ведущими мировыми производителями АЦП позволяет сделать вывод, что около 30% преобразователей составляют АЦП с разрядностью 16 и выше. Реализовать такую точность преобразования проще всего с использованием сигма-дельта преобразователей. Традиционно такие преобразователи используются на частотах от нуля до нескольких мегагерц. Отличительным свойством сигма-дельта АЦП является возможность увеличивать скорость преобразования за счет разрешающей способности, либо увеличивать и скорость и разрешение за счет потребляемой мощности. Область применения сигма-дельта АЦП довольно обширна: во-первых это большинство современных устройств обработки звуковых сигналов и кодеки, во-вторых промышленное оборудование, где основной задачей является прецезионное измерение сигналов малых уровней на низких частотах.
Класс Основные характеристики Области применения низший Разрядность: 12... 14 битУровень шумов и искажений: 48...84дБКоэффициент нелинейныхискажений: 0,4%Частота выборки: 4... 16 кГцДинамический диапазон: 48...84 дБЧисло каналов: 1 Прием/передача речи, включая мобильные телефоны, слуховые аппараты и портативные аудиоустройства средний Разрядность: 16...18 бит Мобильные и Класс Основные характеристики Области применения
Анализ динамики изменения технических параметров этих микросхем на примере последних по времени разработок позволяет сформулировать следующие тенденции: увеличение разрядности преобразования до 24 с возможностью выбора среди нескольких стандартных форматов представления цифровых данных; увеличение максимальной частоты дискретизации до 192 кГц для обеспечения режима воспроизведения с удвоенной частотой; увеличение вариантов частот системных синхросигналов для обеспечения возможности компромисса между потребляемой мощностью и техническими параметрами конечных изделий; увеличение сложности микросхем для аудио- и аудио/видеоприложений, косвенным подтверждением чему являются потребляемая мощность и число выводов в корпусе, а также некоторое увеличение числа навесных компонентов при типовых включениях (увеличивается, в частности, число навесных конденсаторов большой емкости); уменьшение энергопотребления. Учитывая тенденции развития конечной аудиоаппаратуры (в частности, постепенный прогнозируемый рост доли МРЗ плееров среди других типов мобильных проигрывателей), можно сформулировать следующие собственные направления работы в данном направлении:
1. Создание линейки КМОП микросхем сигма-дельта АЦП на основе общего "ядра" в виде готовых отработанных топологических фрагментов для отдельных функциональных узлов. Характеристики микросхем должны перекрывать потребности наиболее массовых областей применения микросхем данного класса.
2. Дополнение упомянутой линейки микросхемами аудиопроцессоров для преобразования форматов сжатых данных (стандарт МРЗ и будущие стандарты сжатия аудиосигналов) с целью реализации функционально-полных наборов микросхем.
3. Разработка и изготовление других типов КМОП микросхем преобразователей (АЦП, кодеков) и сопутствующих микросхем на основе накопленных схемотехнических и топологических решений (библиотек). Только такой подход в сочетании с постоянным анализом динамично меняющегося рынка аудиоустройств позволит создавать конкурентоспособные изделия, отвечающие как текущим, так и перспективным потребностям на этом рынке.
Работы, выполняемые в ЗАО ЦП "Ангстрем-СБИС", во многом соответствуют намеченной программе. 1.3. СФ блоки как интегральные повторно используемые блоки
В настоящее время непрерывно возрастают требования к функциональной сложности и уменьшению стоимости продуктов микроэлектроники, поэтому компания, которая первой выходит на рынок с функционально более сложным продуктом по сравнению с другими компаниями является лидером и, значит, обладает большей прибылью. Последнее побуждает к уменьшению времени проектирования и подготовки к выпуску устройства на рынок.
С постоянным развитием технологии создания микроэлектронных устройств возрастает количество транзисторов на кристалле. В настоящий момент уже более 100 миллионов транзисторов может находиться в одной микросхеме. Наиболее эффективным является объединение различных интегральных модулей (как цифровых, так и аналоговых) в одном кристалле - так называемая Система-на-Кристалле (СнК) [15]. Хотя размещение аналоговых компонентов среди цифровых узлов значительно усложняет процесс проектирования СнК, мировой опыт демонстрирует примеры в проектировании сложных аналогово-цифровых систем относительно небольшой стоимости с минимальными временными затратами. Одним из вариантов решения этой проблемы является повторное использование готовых наработок других фирм. В итоге кристалл будет состоять из отдельных компонентов, которые были либо разработаны самостоятельно, либо куплены у других компаний-разработчиков.
Альтернативные структуры сигма-дельта модуляторов
В классической схеме сигма-дельта модулятора разница между входным и выходным сигналом квантователя считается ошибкой квантования и вычитается с помощью обратной связи из входного сигнала. Недостаток схемы заключается в том, что погрешности аналоговых сумматоров сильно влияют на характеристики сигма-дельта модулятора. Однако, эта схема может быть использована в качестве сигма-дельта модулятора в ЦАП, так как в СДЦАП обрабатываются только цифровые сигналы [29].
Характеристики сигма-дельта модулятора могут быть улучшены путем измерения его шума, преобразованием измеренного шума в цифровую форму во втором модуляторе и комбинированием выходов двух модуляторов так, чтобы уменьшить шум первого модулятора. Такие модуляторы стали называть MASH модуляторами (Multi-stAge noiSe-sHaping). На рис. 2.12 показано каскадирование двух сигма-дельта модуляторов первого порядка. Выходной сигнал с интегратора первого модулятора поступает на второй модулятор. Выходной сигнал второго модулятора вычитается из выходного сигнала первого модулятора. Цифровые блоки формирования (цифровые фильтры) STF2d и NTFld, проектируются таким образом, чтобы NTFl(z) = NTFld(z), a STF2(z) = STF2d(z). Таким образом, шум первого модулятора не появляется на выходе всей системы. Оставшийся шум - это ошибки квантования второго модулятора, который выражается в той же форме, что и шум модулятора второго порядка [17]. Однако, точное соответствие между передаточными функциями NTF(z), STF2(z) аналоговых блоков и NTFld(z) и STF2d(z) цифровых фильтров не достижимо на практике из-за разброса параметров аналоговой схемы. Поэтому шум квантования первого каскада не будет полностью подавляться и будет «просачиваться» на выход модулятора.
Возникает вопрос: насколько близко к единице должна быть величина (g), характеризующая совпадение характеристик цифровых фильтров и аналоговых частей? Это можно определить из рисунка 2.13. Допустим необходимо разработать модулятор со структурой, приведенной на рис. 2.12 с разрешением 15 разрядов, что соответствует шуму на уровне -90 дБ. Чтобы достигнуть такого разрешения достаточно модулятора второго порядка с коэффициентом передискретизации 120 (точка А на рисунке 2.13). Шум модулятора первого порядка при той же частоте дискретизации будет равен -57 дБ (точка В). Полагая, что при полном совпадении характеристик цифровых фильтров и аналоговых частей коэффициент g=l, необходимо обеспечить высокую точность компонентов, для того чтобы (І-g) был много меньше 57-90 = -37дБ. То есть g не должно отличаться более, чем на 2% от единицы. На практике это требование ужесточается. Разброс компонентов должен быть меньше 0,1%, а коэффициент усиления усилителя должен превышать 10000 [29, 30].
Требования к точности смягчаются увеличением частоты дискретизации: например коэффициент передискретизации 256 соответствует на графике точкам С и D. Шум модулятора второго порядка находится на уровне -108 дБ. Шум в модуляторе первого порядка находится на уровне -68 дБ, и таким образом, (І-g) должен быть меньше чем -22 дБ, то есть g не должно отличаться более чем на 8% от единицы.
Если возможно обеспечить требуемую точность параметра g, то каскадный модулятор имеет ряд преимуществ над традиционным. Например, если (l-g)=0, то схема на рисунке 2.12 обеспечивает такие же характеристики как и модулятор второго порядка при том, что в этой схеме модуляторы первого порядка с двухуровневым квантованием. Добавление третьего модулятора может обеспечить модуляцию третьего порядка без проблем нестабильности, появляющихся в сигма-дельта модуляторах третьего порядка [31].
Большинство первых работ по передискретизации проводилось с использованием дельта модуляции. Однако по мере развития методов передискретизации стали уделять внимание сигма-дельта модуляции, так как такие схемы более устойчивые. Основные различия методов заключаются в том, что сигма-дельта модуляторы, изменяют спектр шума, не меняя при этом сам сигнал. В отличие от них, дельта модуляторы формируют спектр модулированного сигнала, но оставляют неизменным спектр шума. Это необходимо чтобы фильтр мог восстанавливать сигнал. Однако это приводит к тому, что такие модуляторы становятся уязвимыми к неточностям аналоговых компонентов. Фильтры имеют высокое усиление в полосе сигнала и, таким образом, увеличивают искажение, внесенное в сигнал. 2.4. Анализ шумовой характеристики сигма-дельта модуляторов высокого порядка, расчет коэффициентов, устойчивость преобразования
Фундаментальной проблемой, с которой приходится сталкиваться проектировщику сигма-дельта модуляторов высокого порядка, является его устойчивость. Передаточная функция шума сигма-дельта модулятора п-го порядка в общем случае выглядит так: H(z) = (1 - z"1)". Система с такой передаточной функцией принципиально всегда неустойчива с одноуровневым квантователем и порядком модулятора выше, чем второй. Дело в том, что строгая математическая модель существует только для описания модулятора первого порядка. При проектировании модуляторов высокого порядка приходится пользоваться приближенными моделями. Как правило, фирма изготовитель, занимающаяся проектированием сигма-дельта модуляторов, разрабатывает собственный программный пакет для синтеза математической модели модулятора по заданным техническим характеристикам [16].
Маршрут проектирования устройств смешанной обработки сигналов
На рис.3.1 показана схема маршрута проектирования устройств смешанной обработки сигнала. В настоящее время на смену традиционному линейному типу проектирования приходит на смену спиралевидная методология проектирования. В линейной модели, прежде чем перейти к следующему этапу проектирования, должны быть завершены все работы на предыдущем этапе, на практике же, как правило, проектирование системы идет параллельно по нескольким направлениям. При этом в процессе работы зачастую приходится возвращаться к уже пройденному ранее этапу и совершать новую итерацию прохождения маршрута проектирования для модификации какого-нибудь отдельного блока или устройства в целом. Исходной информацией на первом этапе проектирования является набор характеристик будущего устройства, прежде всего функциональных. На этом этапе определяется какие усилия надо приложить чтобы спроектировать устройство, можно ли его построить на основе уже ранее спроектированных и т.д. Выбираются возможные архитектуры, которые в состоянии обеспечить параметры будущего устройства, удовлетворяющие техническому заданию.
Моделирования на языке высокого уровня На данном этапе проектирования происходит макромоделирование всего устройства на уровне абстракций или идеальных элементов, выясняются взаимосвязи между устройствами внутри данной системы, формулируются требования к электрическим характеристикам устройств. Выясняются «узкие» места в будущей схеме и наиболее критичные для работы всего устройства блоки. Как правило для макромоделирования используют программный пакет MatLab или встроенные в состав САПР программные пакеты по макромоделированию смешанных или аналоговых устройств ( Verilog-A в САПР Cadence)
Разбиение аналоговых блоков на функциональные субблоки, проектирование электрических схем После того, как макромоделирование дало положительные результаты, можно приступать уже к непосредственному проектированию принципиальных электрических схем отдельных функциональных субблоков, выделившихся уже на предыдущей стадии проектирования. Аналоговое моделирование
Этап, без которого не обходится ни одно проектирование аналоговой схемы - аналоговое моделирование в spice-подобных программах. По результатам моделирования разработчик может возвращаться на предыдущий этап проектировании и вносить изменения как в электрическую схему субблоков, так и менять предыдущее разбиение на субблоки на более рациональное. Как правило, в процессе проектирования происходит несколько таких итераций. По окончании расчетов можно переходить к следующему этапу.
Разработка топологии, экстракция паразитных параметров Заключительная фаза проектирования включает в себя создание топологии как отдельных функциональных блоков, так и общую сборку и верификацию. Имеется в виду размещение, трассировка межсоединений, физическая верификация (Design Rule Cheking), проверка соответствия топологии и схемы - Layout Vs. Schematic. При необходимости проводится экстракция паразитных параметров из топологии и производится моделирование схемы уже с учетом известных паразитных эффектов.
Архитектура модулятора определяется требованиями к параметрам модулятора. Параметрами, влияющим на тип архитектуры, являются полоса входного сигнала и технология, по которой планируется производить устройство. Автором предложена следующая методика проектирования модулятора: 1 этап. Анализ задания, выбор архитектуры. 2 этап. Определение передаточной функции модулятора, в которую входят коэффициенты модулятора. 3 этап. Расчет шумовой и сигнальной передаточных характеристик. 4 этап. Поведенческое моделирование сигма-дельта модулятора с учетом влияния неидеальностей реальной электрической схемы.
Аналоговое ядро СФ блоков сигма-дельта АЦП звукового диапазона
Аналоговое ядро СФ блока СДАЦП среднего класса выделено на рис.4.1. - 2 тракта обработки входного аналогового сигнала до цифрового фильтра. Аналоговое ядро включает в себя такие функциональные блоки как внутренний источник опорных напряжений, блок формирования из входного сигнала парафазного аналогового сигнала и модулятор 5-го порядка в каждом канале .
В отличие от СДАЦП среднего .класса в СДАЦП низшего класса (рис.4.4) обработка аналогового сигнала идет только по одному каналу, поэтому она существенно меньше по объему. Функциональное назначение выводов аналогового ядра СФ блока СДАЦП низшего класса такое же как и в СФ блоке СДАЦП среднего (см. табл. 4.1). На рис 4.5 показана структурная схема СДАЦП низшего класса, состоящая из блока формирования опорного напряжения, блока формирования парафазного сигнала, и собственно, самого модулятора со схемой управления коммутацией ключей. Предусмотрен также режим коррекции нуля передаточной характеристики АЦП, осуществляющийся в начале работы устройства и при каждом срабатывании сигнала сброса.
Источник опорных напряжений Источник опорных напряжений обеспечивает все опорные напряжения, необходимые для работы преобразователей входных (правого и левого каналов) аналоговых сигналов в парафазные сигналы, а также определяет диапазон преобразования аналогового сигнала. Упрощенная принципиальная схема блока источника опорных напряжений, поясняющая принцип его работы, приведена на рис.4.6 [53].
Принцип работы такой схемы основан на использовании в цепи обратной связи диодов, работающих в запрещенной зоне и осуществляющих температурную стабилизацию токов, протекающих через резисторы R1 и R2.
Анализируя выражение (4.7), можно сделать следующие вывод: с ростом окружающей температуры ток через сопротивление R1 увеличивается, но при этом происходит уменьшение напряжения на диоде D1. Видно, что одно слагаемое с ростом окружающей температуры увеличивается, а другое, соответственно, уменьшается. Таким образом, при надлежащем выборе параметров элементов схемы, в частности размеров диодов, можно добиться, чтобы в необходимом температурном диапазоне величина опорного напряжения была постоянной.
Данный блок позволяет формировать температурно-независимые напряжения на выходах V+ и V- относительно напряжения среднего уровня VCMO. Согласно проведенным расчетам средний температурный коэффициент упомянутых напряжений составляет несколько десятков микровольт на градус в диапазоне температур от -10С до +40С. Расчетный график зависимости опорного напряжения высокого уровня приведен на рис.4.7 Исследования данного блока в составе тестового кристалла целесообразно, поскольку позволит на практике определить величину сопротивления резистора R9, которая и определяет величину дрейфа.
Дрейф выходных напряжений 01 и 02 составляет 0,64 мкВ/град и 1,04 мкВ/град соответственно в диапазоне температур от -40 до +85С. Напряжение смещения используемых операционных усилителей не превышает значения младшего значащего разряда и составляет по результатам расчетов 25мкВ. Интегратор
Сигма-дельта модулятор в СДАЦП среднего и низшего классов был реализован по схеме с переключаемыми конденсаторами на МОП-ключах. На коммутируемых конденсаторах были реализованы сопротивления в интеграторах, это связано с тем, что постоянные времени интегрирования довольно велики, поэтому реализовывать сопротивления на резисторах было бы нецелесообразно с точки зрения топологии. Подробно достоинства и недостатки интегратора на коммутируемых конденсаторах были рассмотрены в третьей главе.
Первая фаза переключения ключей («phi») - фаза, в которой происходит интегрирование, когда заряд переносится в интегрирующую емкость С4. Во время этой фазы работы интегратора емкость С2 заряжается до напряжения на входе Vin , а емкость СЗ заряжается до напряжения на выходе интегратора Vout. Во время следующей фазы («ph2»), одна из обкладок интегрирующей емкости С4 остается неподключенной и, следовательно, заряд на ней сохраняется. В то же время емкость СЗ, заряженная во время предыдущего такта до выходного напряжения Vout, подключается к инвертирующему входу интегратора. Входная обкладка конденсатора С1 заряжается до входного напряжения, но заряд, оставшийся на второй обкладке, стекает через переключившуюся емкость С2 на «землю». Если С1=С2, то напряжение на инвертирующем входе усилителя останется таким же, как и в предыдущей фазе. Таким образом «лишний» заряд, накапливающийся на обкладках С1 из-за ограниченного коэффициента усиления, будет стекать через емкость С2. Такая схема интегратора позволяет уменьшить влияние шумов типа І/f и напряжение смещения между входами операционного усилителя.
Такая реализация интегратора позволяет устранить нежелательные эффекты, связанные с несимметричностью преобразования входного сигнала в схемах с недифференциальным входным сигналом, уменьшить влияние ошибки смещения между входами операционного усилителя путем перекоммутации входных сигналов на разные входы. Применение схемы коррекции (рис.4.10.) в аналоговом интеграторе в составе модулятора первого порядка с дифференциальным входным сигналом позволило улучшить расчетное отношение сигнал/шум в рабочей полосе частот 0-20кГц с 34дБ до 37дБ. Напряжение смещения между входами операционного усилителя уменьшилось с 6 мкВ в схеме интегратора без коррекции до ЗмкВ в схеме интегратора с коррекцией. Стоит заметить, что при проектировании модуляторов выше первого порядка такого рода коррекция необходима только в первом интеграторе.
Моделирование показало, что использование аналогового интегратора на коммутируемых конденсаторах со схемой коррекции и дифференциальным входом является наиболее предпочтительным вариантом при проектировании сигма-дельта модуляторов с высококачественными характеристиками преобразования [53, 55].
Интегратор построен на основе операционного усилителя с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу и парафазным выходом [54]. Управление ключами, построенными на основе р- и п-канальных транзисторов, осуществляется сигналами si и s2. Электрическая схема интегратора показана на рис. 4.12.
