WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«ГУМЕНЮК АНТОН СЕРГЕЕВИЧ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОНВЕЙЕРНОГО ТИПА С ПОНИЖЕННОЙ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТЬЮ ...»

На правах рукописи

ГУМЕНЮК АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

КОНВЕЙЕРНОГО ТИПА С ПОНИЖЕННОЙ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ

МОЩНОСТЬЮ

05.27.01 -Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор: 'L/S ОС Москва-2009 г .

Диссертация выполнена в «Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Бочаров Юрий Иванович, НИЯУ МИФИ, г. Москва

Официальные оппоненты:

Шелепин Николай Алексеевич, доктор технических наук, Заместитель генерального директора по науке Главный конструктор ОАО «НИИМЭ и Микрон»

Куликов Дмитрий Васильевич, кандидат технических наук, инженер-конструктор ОАО «ИТМиВТ»

Ведущая организация: ФГУП «НИИМА «Прогресс», г. Москва

Защита состоится 15 февраля 2010 г. в 15:00 в конференц-зале К-608 на заседании диссертационного совета Д 212.130.02 НИЯУ МИФИ по адресу 115409, г. Москва, Каширское ш., д. 31 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ .

Автореферат разослан «29» декабря 2009 г .

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенным печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ .

Ученый секретарь диссертационного совета НИЯУ МИФИ, Д.Т.Н., (^^Ln профессор & ~^л^ Скоробогатов П. К .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы Основная часть задач обработки сигналов сейчас решается цифро­ выми средствами. Вместе с тем, аналого-цифровые устройства, обеспечи­ вающие преобразование сигналов датчиков и радиосигналов в цифровую форму, остаются важнейшими элементами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Одной из главных тенденций развития РЭА в настоящее время является повышение энергоэффективности элементной базы. Это обу­ словливает актуальность задачи снижения энергопотребления аналогоцифровых преобразователей (АЦП). Наряду с общим стремлением к по­ вышению энергоэффективности и к энергосбережению, есть ряд областей, где достижение предельно низких уровней энергопотребления АЦП явля­ ется критически важным .

Например, устройства, применяемые в современных установках для физических экспериментов, часто содержат большое число первичных преобразователей (до полутора миллионов), каждый из которых обслужи­ вается отдельным каналом считывания и предварительной аналоговой обработки. Создание системы сбора данных такого масштаба диктует не­ обходимость выполнения всей электроники считывания на базе так назы­ ваемых «систем на кристалле» (СНК). Типовые АЦП в составе таких мно­ гоканальных систем имеют разрядность (7 - 9) бит, быстродействие (10 МГц. Ввиду большого числа каналов (128 и более) потребляемая мощность АЦП ограничивается уровнем (10 - 20) мВт, в то время как АЦП традиционной архитектуры с такими характеристиками потребляют (30-50) мВт .

Уменьшение энергопотребления АЦП в составе многоканальных систем сбора данных на базе СНК осложняется переходом к процессам с меньшими проектными нормами и более низкими напряжениями питания .





С одной стороны уменьшение проектных норм ведет к повышению быст­ родействия цифровых и аналоговых схем, с другой, если не принимать специальных мер, это приводит к увеличению потребляемой мощности аналоговых узлов. Поэтому возможности улучшения качественных пока­ зателей АЦП благодаря применению субмикронных технологий оказыва­ ются ограниченными ростом энергопотребления .

В области коммуникаций наблюдается тенденция решать основную часть задач обработки сигналов цифровыми средствами, а аналоговые использовать лишь там, где применение цифровых технологий пока огра­ ничено. Это, в частности находит отражение в развитии современных ра­ диочастотных приложений, где минимизируется число аналоговых блоков в тракте обработки сигнала. Например, в радиоприемниках последнего поколения, в которых настройка и системная реконфигурация при смене частот и коммуникационных стандартов обеспечивается программными л средствами, граница между аналоговой и цифровой частью смещена мак­ симально близко к антенне. Такое решение позволяет увеличить функ­ циональную гибкость устройств, сделав их более универсальными, повы­ сить точность, надежность, снизить потребляемую мощность и стоимость .

С другой стороны это ведет к ужесточению требований к аналогоцифровым преобразователям, которые должны обеспечивать высокую частоту преобразования, иметь широкую полосу пропускания и большой динамический диапазон. Универсальный АЦП в составе приемных трак­ тов связных микросхем должен иметь разрядность не менее 12 бит и обеспечивать частоту выборки не менее 60 МГц (целевой показатель МГц). Такое сочетание параметров должно достигаться при возможно меньшем энергопотреблении, чтобы эффективно использовать АЦП в мобильных устройствах с автономным питанием .

Среди АЦП с частотой выборки более 10 МГц и разрядностью бо­ лее 6 бит самое широкое применение нашли преобразователи конвейерно­ го типа, в которых тракт обработки сигнала состоит из последовательно включенных каскадов малой разрядности .

Таким образом, традиционно актуальная задача энергосбережения в промышленности и других сферах жизнедеятельности сейчас выдвину­ лась на первый план, что подчеркивает важность обеспечения энергоэф­ фективности электронной аппаратуры в целом и микроэлектронных кон­ вейерных АЦП, использующихся в коммуникационных системах и мно­ гоканальных системах сбора данных, в частности. Настоящая диссертаци­ онная работа посвящена проектированию таких АЦП, отличающихся по­ ниженным энергопотреблением и реализуемых по субмикронным КМОП технологиям .

Цель и задачи диссертации Целью диссертации является снижение энергопотребления быстро­ действующих АЦП конвейерного типа на основе развития методов дина­ мического конфигурирования и автокалибровки блоков .

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи .

. 1, Исследовать основные блоки конвейерных АЦП с целью нахож­ дения зависимости между их энергопотреблением и характери­ стиками АЦП в целом, оценить пределы снижения потребляемой мощности этих блоков без снижения быстродействия и разрядно­ сти преобразователя .

2. Разработать схемные решения, реализующие предложенный ме­ тод снижения энергозатрат блоков компараторов, основанный на динамическом конфигурировании их структуры .

3. Разработать алгоритм и схемные решения, обеспечивающие рабо­ ту предложенной системы цифровой автокалибровки АЦП кон­ вейерного типа, предназначенной как для снижения погрешностей преобразования, так и для снижения потребляемой мощно­ сти АЦП .

4. На базе КМОП технологии с проектными нормами 180 нм и предложенных методов разработать 12-битный АЦП с быстро­ действием ЮОМвыб/с, а также сложно-функциональный блок (СФ-блок) 9-битного АЦП с быстродействием 20Мвыб/с и по­ требляемой мощностью 9 мВт для многоканальной СНК .

5. Разработать линейный микромощный регулятор напряжения для обеспечения локального питания СФ-блоков АЦП в составе СНК с распределенным питанием .

На защиту выносятся следующие положения:

1. Аналитические соотношения, устанавливающие связь между пара­ метрами конвейерных АЦП и потребляемой мощностью базовых блоков .

2. Алгоритм цифровой автоматической коррекции погрешностей пре­ образования (автокалибровки), который позволяет также снизить потребляемую мощность АЦП благодаря минимизации емкостей конденсаторов в каскадах и, соответственно, токов, требуемых для их перезарядки .

3. Метод уменьшения числа блоков компараторов конвейерных АЦП, основанный на совместном использовании их в смежных каскадах конвейера, позволяющий достичь снижения потребляемой мощно­ сти и уменьшения площади, занимаемой схемой на кристалле .

Научная новизна диссертации:

1. Соотношения, устанавливающие связь между точностными и ди­ намическими параметрами АЦП и потребляемой мощностью базо­ вых блоков: входного УВХ и МЦАП .

2. Метод повышения энергоэффективности конвейерных АЦП, осно­ ванный на совместном использовании компараторов в смежных каскадах одного или двух параллельных трактов .

3. Алгоритм цифровой автоматической коррекции погрешностей пре­ образования, позволяющий наряду с повышением точности АЦП снизить потребляемую мощность каскадов благодаря уменьшению емкостей конденсаторов и, соответственно, токов, требуемых для их перезарядки. Дополнительные погрешности, связанные с уменьшением номиналов емкостей, снижаются системой автока­ либровки .

Практическая значимость диссертации

1. Сокращение временных затрат при выборе архитектуры преобразо­ вателя с минимальным энергопотреблением благодаря предвари­ тельным оценкам основных параметров схем в начальной стадии проектирования, которые могут быть сделаны с помощью получен­ ных соотношений, устанавливающих связь между параметрами АЦП и потребляемой мощностью базовых блоков .

2. С использованием предложенных методов разработан СФ-блок 9-битного АЦП конвейерного типа с максимальной частотой пре­ образования 20 МГц и потребляемой мощностью 9 мВт. СФ-блок спроектирован для реализации по КМОП технологии с проектными нормами 180 нм и предназначен для использования в составе мно­ гоканальной СНК .

3. На основе предложенных методов разработана интегральная мик­ росхема 12-битного конвейерного АЦП с максимальной частотой преобразования 100 МГц, системой автокалибровки и потребляе­ мой мощностью 733 мВт .

4. Разработан СФ-блок быстродействующего линейного регулятора с малым падением напряжения между входом и выходом для исполь­ зования в СНК с распределенной системой электропитания, реали­ зуемой по КМОП технологии с проектными нормами 180 нм. Ми­ нимальная величина тока, потребляемого регулятором, составляет 130 мкА. При максимальном токе нагрузки 150 мА собственное по­ требление блока не превышает 0,5 мА. Применение разработанного регулятора для управления питанием блоков АЦП позволяет улуч­ шить динамические характеристики и повысить эффективность системы управления электропитанием СНК .

Результаты диссертации внедрены в Институте точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН при разработке ИМС быстродействующего АЦП высокой точности, а также при создании биб­ лиотеки функциональных блоков для реализации по 180 нм КМОП техно­ логии предприятия ОАО «НИИМЭ и Микрон» .

Апробация диссертации Основные результаты диссертации были доложены на конференци­ ях «Научная сессия МИФИ», проведенных в 2006 - 2009 годах, а также на 11-ой Международной конференции «Цифровая Обработка Сигналов и ее Применение DSPA-2009», проходившей 25 - 27 марта 2009 года в Моск­ ве .

Публикации По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ .

Структура и объем диссертации Диссертация содержит 166 страниц, в том числе 90 рисунков, и со­ стоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 95 на­ именований .

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение Во введении обоснована актуальность темы, определена цель дис­ сертации. Поставлена задача исследования и сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Указаны научная новизна и практиче­ ская значимость диссертации .

1. Анализ методов снижения потребляемой мощности конвейерных АЦП Способы снижения энергопотребления конвейерных КМОП АЦП, представленные в литературе, можно условно разделить на две группы (рис. 1). В первую группу включены методы, направленные на структур­ ную и параметрическую оптимизацию традиционной конвейерной архи­ тектуры. К структурным методам можно, например, отнести исключение из тракта обработки сигнала входного УВХ. К параметрическим методам относятся масштабирование и оптимизация разрядности каскадов. Спосо­ бы, отнесенные ко второй группе, используют оригинальные схемные решения, дающие возможность или снизить до минимума потребляемую мощность ОУ в каскадах АЦП, например, путем эффективного динамиче­ ского перераспределения энергоресурса между элементами, или даже со­ всем исключить операционные усилители из МЦАП .

Развитие и эффективное применение методов снижения энергопо­ требления позволили за последние годы достичь значительного прогресса в области проектирования конвейерных КМОП АЦП с очень низким уровнем потребляемой мощности. Вместе с тем, даже на основе имеюще­ гося технологического базиса есть перспективы дальнейшего повышения их энергетической эффективности .

–  –  –

Основные пути в этом направлении представляются следующими .

Первый путь — развитие методов, основанных на динамическом перерас­ пределении энергетического и компонентного ресурсов схемы .

Второй путь заключается в существенном упрощении аналоговых блоков за счет проведения цифровой постобработки. Действительно, ана­ логовые блоки являются основными потребителями энергии в конвейер­ ной архитектуре, причем рассеиваемая ими мощность возрастает при пе­ реходе на меньшие проектные нормы и напряжения питания .

С другой стороны, современные технологии дают преимущество цифровым схемам. Энергия, затрачиваемая на такт преобразования АЦП, эквивалентна энергии, потребляемой за тот же период схемой, содержа­ щей до 105 цифровых вентилей. Поэтому тенденция к отказу от ряда сложных и энергоемких аналоговых блоков в пользу цифровых узлов нелинейных, но простых в схемотехнической реализации и обладающих низким энергопотреблением, вероятно, будет преобладать. Поэтому акту­ альным представляется направление, связанное с разработкой цифровых алгоритмов калибровки нелинейности аналоговых блоков .

В основе методов снижения энергопотребления конвейерных АЦП, предложенных в настоящей работе, - совершенствование традиционной архитектуры и разработка системы цифровой калибровки, которая позво­ ляет ослабить требования к параметрам аналоговых блоков .

Одно из перспективных направлений исследований и разработок в области проектирования СНК - развитие методов организации распреде­ ленного питания таких систем. Традиционный подход, предполагающий подачу различных номиналов постоянных по величине питающих напря­ жений на микросхему с печатной платы, становится менее эффективным в условиях повышения требований к энергоэффективности СНК .

В настоящее время также находит применение альтернативный подход, позволяющий независимо устанавливать и регулировать режим­ ные параметры различных частей устройства, эффективно разделять пи­ тание цифровых и аналоговых блоков, что дает возможность динамиче­ ского управления режимами отдельных узлов СНК с целью оптимизации распределения энергоресурса системы и оптимизации режимов питания компонентов .

Организация системы распределенного питания аналого-цифровых СНК, позволяет повысить энергоэффективность составляющих их СФблоков, в том числе АЦП. Показателем эффективности может служить снижение совокупных энергозатрат на аналого-цифровое преобразование .

Для организации распределенного питания необходима соответст­ вующая элементная база, в частности линейный регулятор (стабилизатор) напряжения с малой допустимой разностью напряжений вход - выход и низким уровнем собственного энергопотребления .

2. Исследование структурных блоков АЦП Входные устройства выборки-хранения (УВХ) позволяют зафикси­ ровать аналоговый сигнал на определенное время, требуемое для его об­ работки. От параметров УВХ зависят, разрешающая способность и дина­ мические характеристики АЦП, поэтому УВХ является самым критичным блоком, как с точки зрения точности работы конвейерного АЦП, так и потребляемой мощности .

К наиболее существенным составляющим погрешности УВХ мож­ но отнести нелинейные искажения коммутирующих элементов, прямое прохождение сигнала управления ключом в цепь выборки через емкости перекрытия затвор-исток и затвор-сток, инжекция заряда в цепь прохож­ дения сигнала, тепловой шум конденсаторов выборки, апертурное дрожа­ ние управляющего сигнала. Существует множество вариантов реализации схем выборки-хранения, в которых используется ряд способов повышения точности: коммутация со стороны нижней обкладки, применение ключей с вольтодобавкой, использование дифференциальных структур. Большин­ ство их основано на использовании операционного усилителя (ОУ), охва­ ченного цепью обратной связи (ОС). Различают УВХ с переворачиваю­ щимся конденсатором и с перераспределением заряда. Оба варианта от­ личаются глубиной ОС, и, следовательно, коэффициентом передачи .

Основным элементом УВХ такого типа является ОУ. Его характе­ ристики (статический коэффициент усиления, напряжение смещения, по­ лоса пропускания) напрямую влияют на погрешность выборки-хранения .

Потребляемая мощность УВХ определяется мощностью, рассеиваемой ОУ. Следовательно, предельное значение потребления УВХ, при котором обеспечивается требуемая скорость и точность преобразования, также определяется характеристиками ОУ.

В настоящей работе показано, что для Л'-битного преобразователя при условии экспоненциального установ­ ления напряжения на выходе ОУ минимальная потребляемая мощность определяется выражением:

P^=A-VDD-^---GBW\ W mm DD т р п і * где А - константа, зависящая от параметров технологии и температуры;

VDD - напряжение питания; GBW- произведение полосы пропускания на статический коэффициент усиления ОУ; FS — размах шкалы преобразова­ ния. Минимальное значение GBW определяется требованиями к быстро­ действию АЦП и величиной нагрузочной емкости, которая в свою очередь определяется допустимым тепловым шумом.

Поэтому, зависимость ми­ нимальной потребляемой мощности УВХ от параметров АЦП имеет вид:

Р аВ.Г.у 44^+1)1, (2) min JS DD CO где В - константа;^ - частота дискретизации .

Наиболее критичный блок каскада АЦП - многофункциональный умножающий цифроаналоговый преобразователь (МЦАП), выполняющий функции преобразования в аналоговую форму результата сравнения, а также его вычитания из входного сигнала и усиления. Точность работы и потребляемая мощность МЦАП напрямую влияет на соответствующие параметры АЦП. В основе работы МЦАП так же, как и УВХ, лежит про­ цесс перераспределения заряда между конденсаторами, который обеспе­ чивается за счет поддержания состояния «виртуального нуля» с помощью ОУ. Поэтому основными источниками неидеальности МЦАП являются конечные характеристики ОУ, а также технологический разброс конден­ саторов каскада .

Минимальное энергопотребление МЦАП напрямую зависит от но­ миналов используемых конденсаторов.

Если наименьший размер этих конденсаторов ограничивается тепловым шумом, то, предполагая, что выходное напряжение каскада устанавливается экспоненциально, мини­ мальная мощность, рассеиваемая первым каскадом, определяется сле­ дующим соотношением:

Р -с-г- Hz*±lL 4 '. ?

где N- разрядность АЦП; к- разрядность каскада; С - константа .

В преобразователях высокой точности необходимо учитывать тех­ нологический разброс конденсаторов. Величина вызванных этим искаже­ ний обратно пропорциональна квадратному корню из номинала конденса­ торов, используемых в каскаде.

Рассчитав минимальный размер конден­ саторов, можно показать, что в данном случае предельная мощность, рас­ сеиваемая первым каскадом, определяется не (3), а выражением:

P^DNL=^fs-VDD-4N-{N-k+\f.2k, (4) где D - константа .

Другим важным блоком в составе каскада АЦП является компара­ тор. Наличие цифровой коррекции позволяет во многих случаях исполь­ зовать простые динамические компараторы на базе регенеративных кас­ кадов типа триггер-защелка, которые при низкой точности отличаются минимальным статическим энергопотреблением и занимают минималь­ ную площадь. Однако их применение затруднительно в каскадах с высо­ ким разрешением и в прецизионных АЦП. В первом случае требуется компенсация напряжения смещения компаратора, а во втором - введение входного буферного каскада для подавления искажений в аналоговом тракте в момент срабатывания компаратора. Подобные меры приводят к существенному увеличению потребляемой мощности и занимаемой ком­ параторами площади, что может стать преградой для снижения потреб­ ляемой мощности АЦП в целом .

С целью более эффективного использования компонентного и энергетического ресурсов АЦП предложено часть схем компараторов смежных каскадов выделить в общий разделяемый ресурс, совместно ис­ пользуемый обоими каскадами. Такая возможность обеспечивается тем, что в конвейерных преобразователях происходит периодическая смена функциональных состояний четных и нечетные каскадов — одни в режиме выборки, другие в режиме хранения и наоборот. Поэтому узлы, которые не используются в одном из каскадов в соответствии с его текущим со­ стоянием, могут быть переданы соседнему каскаду. Аналогичный метод применяют, используя в качестве разделяемого ресурса операционный усилитель в схеме МЦАП. Предлагается применить его для уменьшения количества блоков компараторов .

3. Снижение потребляемой мощности АЦП с помощью цифровой ав­ токалибровки Традиционно использование автокалибровки, как правило, имеет целью обеспечить линейность преобразования, приводя зачастую к уве­ личению рассеиваемой мощности. В работе предложен метод цифровой автокалибровки, который может быть использован как для улучшения линейности, так и снижения энергопотребления многоканальных АЦП .

Предложенный алгоритм предполагает измерение и занесение в память калибровочных коэффициентов в режиме самотестирования при подаче питания на схему. В АЦП с несколькими конвейерами все каналы калибруются независимо. Определение поправочных коэффициентов для каждого из калибруемых каскадов производится следующими за ним кас­ кадами конвейера. Если несколько каскадов подлежат калибровке, то оп­ ределение коэффициентов выполняется последовательно, начиная с конца конвейера. Принципиальная схема каскада с автокалибровкой приведена на рис. 2 .

Самотестирование каскада осуществляется с помощью дополни­ тельного конденсатора Cs,4 (рис. 2). Для измерения погрешности ACs,i конденсатор последовательно подключается к источникам +FR и — VR, в то время как измеряемый конденсатор Cs,i подключается, соответственно к к и +KR. Остальные конденсаторы и аналоговый вход подключаются к общей шине. Таким образом, в отсутствие погрешностей выходное на­ пряжение каскада во время самотестирования равно ±KR/2. Отклонение от этого значения измеряется АЦП, состоящим из цепочки каскадов, кото­ рые расположены в конвейере после калибруемого каскада. Аналогично измеряются отклонения номиналов остальных конденсаторов каскада, в том числе дополнительного Cs,4, что позволяет учесть его погрешность при вычислении коэффициентов .

–  –  –

Рис. 2. Схема МЦАП разрядности 2,5 бит с дополнительным конденсатором, предназначенным для автокалибровки В конце процедуры вычисляются и заносятся в память поправоч­ ные коэффициенты, закрепленные за каждым из конденсаторов каскада .

Какой из коэффициентов будет применен во время основного режима преобразования, зависит от способа формирования остатка на выходе кас­ када. После калибровки остается только мультипликативная составляю­ щая погрешности и дальнейшая коррекция не требуется, если АЦП имеет архитектуру с одним конвейером .

Передаточные характеристики каскада разрядностью 2,5 бит, а также всего АЦП до и после калибровки показаны на рис. 3. Идеальные характеристики отмечены пунктирными линиями .

Предложенный метод цифровой автокалибровки требует мини­ мальных энергозатрат, так как не предполагает добавления в схему анало­ говых блоков. Вместе с тем, он позволяет устранить погрешности, вы­ званные технологическим разбросом конденсаторов. Так как величина этих искажений обратно пропорциональна квадратному корню из номи­ нала конденсаторов, используемых в каскаде, внедрение метода позволяет снизить данный номинал без ухудшения линейности преобразователя .

) г) Рис. 3. Передаточная функция каскада разрядностью 2,5 бит (а) до и (в) после ка­ либровки; передаточная функция АЦП (б) до и (г) после калибровки Теоретически снижение номиналов конденсаторов можно ограни­ чить только тепловым шумом, среднеквадратичное значение которого должно находиться в пределах шума квантования. Воспользовавшись вы­ ражениями (3,4), можно найти выигрыш по энергопотреблению в первом каскаде, т.е. во сколько раз потребляемая мощность без калибровки боль­ ше соответствующей величины с калибровкой:

X2 -FS2 1 1 (5)

- ^ = 4'.-— 4МВТ 2* р 2** пап,к где х - константа, определяемая технологией; кв - постоянная Больцмана;

Г - температура; к - разрядность каскада .

В современных КМОП технологиях с проектными нормами 0,18 мкм константа % имеет порядок 10"9 Ф1/2, следовательно при FS-2 В и Т = 300 К величина \|/ ~ 10. Таким образом, теоретически в рамках приня­ той модели калибровка позволяет достичь почти 5-кратного снижения энергопотребления первого каскада (при к = 1) .

С ростом температуры эффективность метода снижается, а при увеличении диапазона входных сигналов увеличивается .

4. Разработка конвейерных АЦП с пониженным потреблением тока На рис. 4. представлена упрощенная структурная схема СФ-блока АЦП, разработанного для использования в составе БИС СНК для между­ народного физического эксперимента СВМ. Данная специализированная БИС применяется в системе считывания сигналов микрополосковых ко­ ординатных детекторов и содержит 128 каналов аналоговой обработки сигналов и несколько быстродействующих АЦП .

Предложенная архитектура преобразователя позволяет добиться высокой эффективности с точки зрения минимизации рассеиваемой мощ­ ности.

Этого удалось достичь с использованием следующих методов:

• совместное использование ОУ смежными каскадами АЦП;

• масштабирование емкостей конденсаторов каскадов;

• эффективное использование компараторов - метод, предложенный в настоящей диссертационной работе .

Рис. 4. Структурная схема 9-битного АЦП с низким энергопотреблением В результате применения указанных методов потребляемую мощ­ ность АЦП удалось снизить до уровня менее 9 мВт при частоте выборки 20 МГц. Даже с учетом мощности, рассеиваемой вспомогательными бло­ ками и выходными драйверами, можно говорить о более чем двукратном снижении энергопотребления по сравнению с традиционной архитекту­ рой. Другие параметры разработанного СФ-блока АЦП представлены в табл. 1 .

Прототип 12 битного АЦП с быстродействием 100 Мвыб/с, струк­ турная схема которого приведена на рис. 5, разработан с применением рассмотренных методов снижения потребляемой мощности, в т.ч. пред­ ложенных в настоящей работе .

Метод эффективного использования компараторов позволил сни­ зить их энергопотребление и занимаемую площадь в два раза. Реализация алгоритма калибровки позволила уменьшить номиналы конденсаторов более чем в два раза без ухудшения линейности преобразования, что дало существенный выигрыш в энергопотреблении .

Применение этих и других методов позволило снизить потребляе­ мый АЦП ток с 331 мА до 208 мА. Спектр на выходе АЦП, полученный в результате моделирования работы устройства при частоте дискретизации 100 МГц и частоте входного сигнала 9,77 МГц, представлен на рис. 6. Из него получены значения основных динамических характеристик разрабо­ танного АЦП: динамический диапазон, свободный от гармоник, равен 72 дБ и эффективная разрядность - 10,2 бит .

Параметры разработанного АЦП, определенные по результатам моделирования полной схемы на уровне транзисторов, с использованием проектных библиотек компании X-FAB представлены в табл. 2 .

–  –  –

В табл. 3 приведены параметры разработанных АЦП в сравнении с параметрами конвейерных КМОП преобразователей, серийно выпускае­ мых ведущими мировыми производителями и имеющих близкие к разра­ ботанным АЦП разрядность, быстродействие и функциональные возмож­ ности. Уровень потребляемого тока разработанных АЦП ниже уровня тока потребления серийных промышленных микросхем .

–  –  –

5. Разработка линейного регулятора напряжения для управления питанием СНК Для организации распределенной системы электропитания СНК, что, как было отмечено, позволяет повысить энергоэффективность анало­ го-цифровых блоков системы, необходимо разработать СФ-блок линейно­ го регулятора напряжения (ЛРН). Он должен обеспечивать стабильность напряжений питания АЦП при изменении напряжений внешних источни­ ков, обеспечивать подавление импульсных помех, иметь малое время ус­ тановления для организации режимов активно-пассивного питания и обеспечивать необходимый для питания обслуживаемых блоков выход­ ной ток при минимальном собственном энергопотреблении. В табл. 4 приведены характеристики СФ-блока ЛРН, разработанного автором в рамках проекта по созданию библиотеки базовых КМОП компонентов и блоков для отечественной технологической линии предприятия «НИИМЭ и «Микрон» с проектными нормами 0,18 мкм. Данные получены путем моделирования с помощью симулятора spectre. Разработанный регулятор может быть использован в СНК с несложной сетью распределенного пи­ тания. Достигнутые значения потребляемой мощности регулятора позво­ ляют его применение для питания массивов СФ-блоков АЦП с низким энергопотреблением .

Табл. 4. Характеристики разработанного регулятора напряжения В 2,7-5,5 Напряжение питания Выходное напряжение при токе нагрузки 150 мА В 1,78-1,83 Относительная нестабильность выходного напряжения 0,63 %/В при изменении напряжения на входе, не более Относительная нестабильность выходного напряжения %/мА 0,17 при изменении тока нагрузки, не более Потребляемый ток при токе нагрузки (0 - 150) мА 130-500 мкА Заключение Основной научный результат диссертационной работы заключается в развитии методов проектирования конвейерных КМОП аналогоцифровых преобразователей с пониженной потребляемой мощностью .

Основные теоретические результаты

1. Получены соотношения, устанавливающие связь потребляемой мощности базовых блоков конвейерных АЦП с другими парамет­ рами этих блоков и параметрами АЦП в целом. Они позволяют сделать предварительные оценки основных параметров схем в на­ чальной стадии проектирования и сократить временные затраты при выборе архитектуры преобразователя, позволяющей миними­ зировать его потребляемую мощность .

2. Предложен метод снижения энергозатрат блоков компараторов, по­ требляемой мощности и уменьшения площади АЦП конвейерного типа, основанный на динамическом конфигурировании их структу­ ры .

3. Предложен алгоритм цифровой авто калибровки конвейерных АЦП, позволяющий повысить точность преобразования при одновремен­ ном снижении потребляемой мощности .

Частные теоретические результаты

1. Определены погрешности основных блоков АЦП, реализуемых по КМОП технологии (УВХ различных типов и МЦАП), показаны способы повышения их точности. Получены оценки предельных значений потребляемой мощности этих блоков в зависимости от характеристик каскадов АЦП и параметров всего преобразователя .

Установлено следующее .

а. В каскадах с эффективной разрядностью от одного до трех бит минимальные значения емкостей конденсаторов МЦАП опреде­ ляются требованиями к линейности преобразования. При повы­ шении точности АЦП емкости конденсаторов должны увеличи­ ваться. Для сохранения быстродействия необходимо соответственно увеличивать рабочие токи усилителей. Поэтому наблюда­ ется почти экспоненциальный рост энергопотребления каскадов с увеличением разрядности АЦП .

Ь. В каскадах с эффективной разрядностью свыше трех бит мини­ мальные значения емкостей конденсаторов МЦАП ограничены уровнем шумов и могут быть меньше, чем в предыдущем случае .

Однако, из-за повышенных требований к точности каскадов, тре­ бования к точности усилителей также оказываются выше, что не позволяет уменьшить их рабочие токи. Анализ показывает, что с увеличением точности АЦП энергопотребление многоразрядных каскадов растет быстрее, чем энергопотребление каскадов малой разрядности .

Оптимальная величина эффективной разрядности каскадов по кри­ терию минимизации потребляемой мощности - от 1 до 2 бит .

2. Предложен метод уменьшения числа блоков компараторов в АЦП конвейерного типа, основанный на совместном использовании их в смежных каскадах трактов обработки сигналов. Благодаря динами­ ческому перераспределению энергетического и компонентного ре­ сурсов, предложенный метод позволяет уменьшить потребляемую мощность и занимаемую площадь АЦП более чем на 12 % .

3. Предложен способ схемной реализации алгоритма цифровой авто­ калибровки конвейерных АЦП, который позволяет в фоновом ре­ жиме корректировать нелинейные искажения, вызванные техноло­ гическим разбросом конденсаторов, а также уменьшить погрешно­ сти, вносимые операционными усилителями и аналоговыми клю­ чами. Введение автокалибровки позволяет также снизить потреб­ ляемую мощность каскадов. Выполненные оценки показывают, что при малой разрядности каскадов конвейера теоретически возможно снижение энергопотребления первого каскада АЦП почти в 5 раз .

Основные практические результаты

1. С применением предложенных методов снижения энергопотребле­ ния АЦП конвейерного типа разработан СФ-блок АЦП разрядно­ стью 9 бит с быстродействием 20 Мвыб/с и потребляемой мощно­ стью 9 мВт. СФ-блок создан для использования в составе 128-канальной СНК, которая проектируется для реализации по 180 нм КМОП технологии компании UMC и предназначена для считывания сигналов кремниевых детекторов в установке траекторных измерений планируемого международного физического эксперимента СВМ .

2. С помощью предложенных методов снижения потребляемой мощ­ ности и с использованием предложенного способа автокалибровки разработана ИМС прецизионного быстродействующего АЦП. ИМС выполнена по двухканальной конвейерной схеме с мультиплекси­ рованием выборок между каналами и реализована по КМОП техно­ логии компании X-FAB с проектными нормами 180 нм. Данная версия АЦП имеет разрядность 12 бит, быстродействие 100 Мвыб/с и потребляемую мощность 733 мВт при напряжении питания ана­ логовых блоков 5 В. Разработка использована Институтом точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН .

Частные практические результаты Предложенный метод эффективного использования компараторов конвейерных АЦП позволил снизить суммарную потребляемую мощность компараторов в составе СФ-блока 9-битного АЦП на 32 %, а занимаемую ими площадь на 38 %. Тот же метод позволил на 47 % снизить энергопотребление и на 42 % уменьшить площадь, занимаемую компараторами на кристалле ИМС 12-битного АЦП .

Реализация алгоритма автокалибровки показала возможность уменьшения погрешностей, вызванных технологическим разбросом номиналов компонентов, и улучшения линейности АЦП более чем в 60 % случаев. Использование метода позволило уменьшить емко­ сти конденсаторов первого каскада на 60 %, что дало возможность снизить потребляемый ток каскада на 34 % и занимаемую каскадом площадь на 36 %. Совместно с другими методиками это привело к снижению потребляемой мощности АЦП на 57 % .

На базе цифровой КМОП технологии с проектными нормами 180 нм разработан СФ-блок линейного регулятора напряжения с малым падением напряжения между входом и выходом при токах до 150 мА. При максимальном токе нагрузки устройство потребля­ ет менее 500 мкА, при нулевом токе нагрузки - около 130 мкА. Ре­ гулятор сохраняет стабильность при малых значениях емкостей конденсаторов фильтров в цепях нагрузки и отличается повышен­ ным быстродействием. Он предназначен для задания и стабилиза­ ции уровней питающих напряжений блоков СНК, имеющих рас­ пределенную систему электропитания. Применение разработанных регуляторов позволяет быстро переключать режимы питания бло­ ков АЦП и тем самым эффективно управлять распределением энер­ горесурсов системы. Повышенное быстродействие регулятора по­ зволяет обеспечить необходимые динамические характеристики, а низкое собственное энергопотребление - улучшить энергетическую эффективность системы. Разработанный СФ-блок регулятора на­ пряжения использован Институтом точной механики и вычисли­ тельной техники им. С.А. Лебедева РАН при создании библиотеки функциональных блоков, предназначенной для выполнения проек­ тов на базе КМОП технологии ОАО «НИИМЭ и Микрон» .

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И., Устройства выборки-хранения быстро­ действующих АЦП. // Микроэлектроника, 2007, том 36, № 5, с. 390 - 400 .

2. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И., Методы снижения потребляемой мощ­ ности конвейерных КМОП АЦП. // Микроэлектроника, 2008, том 37, № 4, с. 287-299 .

3. Бочаров Ю.И., Гуменюк А.С., Лапшинский В.А., Осипов Д.Л., Сима­ ков А.Б., Архитектура специализированной БИС считывания сигналов многоканальных датчиков. // Датчики и Системы, 2008, № 10, с. 47 - 50 .

Статьи и материалы конференций

4. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И., Повышение эффективности использо­ вания компараторов в конвейерных АЦП. // Сборник научных трудов ИТМиВТ РАН им. С.А. Лебедева, 2008, № 1, с. 87 - 90 .

5. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И. Проектирование дифференциальных КМОП усилителей для АЦП. // Схемотехника, 2006, № 12, С. 2 - 6 .

6. Гуменюк А. С, Бочаров Ю. И. Методика анализа Фурье при модели­ ровании аналого-цифровых схем с помощью средств проектирования Cadence // ChipNews, 2007, № 9, С. 22 - 25 .

7. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И. Оптимизация конструктивных и топо­ логических параметров конвейерных КМОП АЦП. // ChipNews, 2009, № 1, С. 29-32 .

8. Проектирование БИС класса «Система на кристалле»: Учебное посо­ бие. // Ю.И. Бочаров, А.С. Гуменюк, А.Б. Симаков, П.А. Шевченко. - М.:

МИФИ, 2008.188 с .

9. Гуменюк А.С, Бочаров Ю.И. Влияние системы калибровки на по­ требляемую мощность конвейерных АЦП. // Труды Российского научн.техн. общества им. А.С. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск: XI - 2. / Доклады 11-й Международной конфе­ ренции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - Москва, 2009 .

С. 556-559 .

10. Е. Atkin, Yu. Bocharov, A. Gumenyuk, D. Osipov, A. Polyakov, A. Simakov, M. Simakov, V. Shunkov and A. Voronin. Low Power Pipelined ADC IPblocks. // CBM Progress Report 2007. GSI Report 2008-4. DSI Darmstadt 2008. P. 50. ISSN: 0171-4546, ISBN: 978-3-9811298-5-4 .

http://www.gsi.de/documents/DOC-2008-May-3-l.pdf

11. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И. Сравнительный анализ вариантов схе­ мотехнической реализации аналоговых ключей по субмикронной КМОП технологии. // Научная сессия МИФИ-2006. Сб. научных трудов. Т. 1. М.: МИФИ, 2006, с. 113 - 115 .

12. Бочаров Ю.И., Гуменюк А.С., Симаков А.Б., Горбунов М.С., Шунков В.Е., Поляков А.В. Анализ методов построения и разработка КМОП БИС аналого-цифровой многоканальной «системы на кристалле». // Научная сессия МИФИ-2007. Сборник научных трудов. В 17 томах. Т.1 Автомати­ ка. Микроэлектроника. Электроника. Электронные измерительные систе­ мы. Компьютерные медицинские системы. - М.: МИФИ, 2007, С. 1 1 1 Гуменюк А.С., Шунков В.Е., Бочаров Ю.И. Топологическое проекти­ рование конвейерного АЦП по субмикронной КМОП технологии. // На­ учная сессия МИФИ-2007. Сборник научных трудов. В 17 томах. Т.1 Ав­ томатика. Микроэлектроника. Электроника. Электронные измерительные системы. Компьютерные медицинские системы. - М.: МИФИ, 2007, С .

117-118 .

14. Бочаров Ю.И., Гуменюк А.С., Симаков А.Б., Шунков В.Е., Поляков А.В., Борзунова Е.А., Осипов Д.Л., Бойнов В.Н. Исследование архитек­ турных и схемных решений, направленных на снижение потребляемой мощности многоканальной «системы на кристалле» для координатных детекторов. // Научная сессия МИФИ-2008. Сборник научных трудов. В 15 томах. Т.8 Автоматика и электроника в атомной технике. Микро- и наноэлектроника. - М.: МИФИ, 2008. С. 174 - 175 .

15. Гуменюк А.С., Дьяченко В.А., Смородинов А.В., Бочаров Ю.И. Двухканальное устройство выборки-хранения для быстродействующего кон­ вейерного АЦП. // Научная сессия МИФИ-2008. Сборник научных трудов .

В 15 томах. Т.8 Автоматика и электроника в атомной технике. Микро- и наноэлектроника. - М.: МИФИ, 2008. С. 178 - 179 .

16. Гуменюк А.С., Симаков А.Б., Бочаров Ю.И., Борзунова Е.А. Асин­ хронная архитектура многоканальной системы-на-кристалле для считыва­ ния сигналов координатных детекторов. // Научная сессия МИФИ-2008 .

VI Конференция Научно-образовательного центра CRDF. Фундаменталь­ ные исследования материи в экстремальных состояниях. Физика ядра и элементарных частиц. Сборник научных трудов. - М.: МИФИ, 2008. С. 69

-70 .

17. Гуменюк А.С., Бочаров Ю.И. Линейный регулятор напряжения для управления питанием БИС типа «система на кристалле». // Научная сессия МИФИ-2009. Нанофизика и нанотехнологии. Секция 2-4. Микро- и нано­ электроника .

Подписано в печать 24.12.2009 Печать трафаретная

–  –  –

Типография «11-й ФОРМАТ»

ИНН7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56




Похожие работы:

«Персональный алкотестер Динго А-055 Руководство по эксплуатации www.med-magazin.ru 8 (800) 100-53-10 СОДЕРЖАНИЕ 1 ОПИСАНИЕ И РАБОТА 1.1 Назначение 1.2 Технические характеристики 1.3 Упаковка 2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПО НАЗНАЧЕНИЮ 2.1 Важные предупреждения...»

«Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) Департамент химико-технологического Руководителям организаций комплекса и биоинженерных технологий (по списку) Китайгородский проезд, д. 7, г. Москва, 109074 Телефон: 632-88-30 №_ На №_ О проведении конференции главных техническ...»

«Архипова Елена Ивановна ЭТНОКУЛЬТУРНЫЕ КОЛЛОКАЦИИ В ЛЕКСИКОГРАФИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ (на русском и англо-американском языковом материале) Специальность 10.02.19 – теория языка АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание уч...»

«ТЮРИН ВИКТОР АНАТОЛЬЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ДОБЬГОАЕМЫХ ФЛЮОРИТОВЫХ РУД С УЧЕТОМ СЛОЖНОСТИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ Специальность 25.00.16 "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр" Автореферат диссертации...»

«Дагестанский государственный университет народного хозяйства ОТЧЕТ о самообследовании МАХАЧКАЛА – 2018 Дагестанский государственный университет народного хозяйства СОДЕРЖАНИЕ Введение.....»

«127 У Д К 8 1 1.1 1 2.2 '373.611 Д И С К У РС И В Н А Я С П ЕЦ И Ф И К А Ф У Н К Ц И О Н И РО В А Н И Я К О М П О ЗИ ТО В СО В РЕМ ЕН Н О ГО Н ЕМ ЕЦ К О ГО Я ЗЫ К А Воронина Лариса Владимировна кандидат филологических наук, доцент Белгородский госуда...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Инженерная школа Природных ресурсов Отделение Нефтегазового дела...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.