МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 3, с. 228-240
- СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.396
МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ И КОРРЕКЦИИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (ОБЗОР) © 2014 г. А. С. Коротков
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет E-mail: korotkov@rphf.spbstu.ru Поступила в редакцию 22.03.2013 г.
В обзоре рассматриваются системы калибровки и коррекции основных классов аналого-цифровых преобразователей: параллельных, конвейерных, последовательного приближения, на основе дельта-сигма-модуляторов. В том числе анализируются вопросы построения схем с избыточностью и автокалибровкой. Приводятся технические характеристики современных преобразователей в целом, выделяются перспективные направления развития.
DOI: 10.7868/S0544126914030041
1. ВВЕДЕНИЕ
Построение систем на кристалле предполагает уменьшение доли аналоговых устройств и, как следствие, размещение аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в приемно-передающем тракте максимально близко к антенне. Данная тенденция имеет место как в высокочастотных приложениях, например, в системах связи, в которых требуются скоростные АЦП со сравнительно низким разрешением (6—8 разрядов), так и низкочастотных приложениях, например, в сенсорных сетях сбора данных, в которых требуются сравнительно низкоскоростные АЦП с высоким разрешением (12—16 и более разрядов). Сдерживающими факторами при построении систем с подобной архитектурой являются ограничения по потребляемой мощности, площади кристалла, технологический разброс параметров элементов. Так, в работе [1] отмечается, что при использовании МОП-технологий с разрешением 180—90 нм построение АЦП с разрядностью более 12 при тактовой частоте более 100 МГц не оправдано по критерию "цена-качество". Действительно, результаты, приведенные в [2], позволяют сделать следующую оценку: в типовой цифровой ячейке — двухвходовой схеме И-НЕ, выполненной по МОП-технологии с разрешением 90 нм, в среднем затрачивается
2.5 фДж на одну операцию. Для 10-разрядного АЦП требуется мощность 0.25 мВт на 1 МГц, что эквивалентно 0.25 нДж для каждого преобразования. Таким образом, с энергетической точки зрения одно преобразование эквивалентно 0.25 нДж/2.5 фДж = 100000 цифровых ячеек. Анализ результатов работы [2] позволяет составить зависимость числа элементарных цифровых ячеек, эквивалентная потребляемая мощность которых равна потребляемой мощности АЦП с заданной разрядностью, от типа МОП-технологии (см. табл. 1). Представленная зависимость показывает, что дальнейшее уменьшение допустимых технологических размеров позволяет перераспределить энергетический ресурс системы в пользу цифровых устройств. Как следствие, появляется возможность применения цифровых методов для улучшения параметров аналоговых устройств, в первую очередь — АЦП.
В целом, в обзоре анализируются способы калибровки и коррекции АЦП. В первом разделе обзора приведена классификация, характеристики и обобщенные структурные схемы АЦП. В последующих разделах рассмотрены методы калибровки и коррекции каждого из основных типов АЦП. В заключении представлены выводы и рекомендации.
Таблица 1. Зависимость числа элементарных цифровых ячеек от типа МОП-технологии
Кол-во ячеек, тысячи штук 30 100 330 10 40 130 10 40 130 10 50 170
Разрядность АЦП 8 10 12 8 10 12 10 12 14 12 14 16
МОП-технология, нм 90 130 180 250
1. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОБОБЩЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ АЦП
В зависимости от принципа действия и структуры выделяют 4 основных класса преобразователей: параллельные или мгновенного действия АЦП (flash), конвейерные АЦП (pipeline), АЦП последовательного приближения (successive approximation register — SAR), АЦП на основе дельта-сигма-модуляторов. Для качественной оценки АЦП и его характеристик используется комплексный параметр, связывающий потребляемую мощность, динамический и частотный диапазоны АЦП (figure of merit — FOM):
FOM =
P
2 Fs
где P — потребляемая мощность, ENOB — эффективное разрешение (effective number of bits), FS — тактовая частота.
Параллельные АЦП обладают наибольшей скоростью преобразования. Используются для преобразования сигналов в широком спектре частот при сравнительно невысоком разрешении. Так, в работах [3—6] представлены 6-разрядные параллельные АЦП, обеспечивающие преобразование при тактовых частотах 0.8—1.6 ГГц. В ряде применений, например, в системах связи стандартов UWB, параллельные АЦП являются наиболее эффективными. Известную проблему представляет высокая потребляемая мощность параллельных АЦП, которая может достигать в отмеченном частотном диапазоне до 150 мВт и более. Параметр FOM составляет для параллельных АЦП не менее единиц пДж на преобразование.
Конвейерные АЦП, как правило, используются при тактовых частотах 10—500 МГц при разрешении 8—14 разрядов и параметре FOM от сотен фДж до единиц пДж [1, 7—11]. Так, FOM составляет на преобразование 442 фДж [7], 1—2 пДж в полосе рабочих частот до 91 МГц [8], 310 фДж в полосе рабочих частот до 250 МГц [9], 680 фДж в полосе рабочих частот до 50 МГц [10]. Применяются в драйверах накопителей, цифровых камерах, приемниках беспроводных систем связи. Это типичный АЦП, который включают в состав заказных микросхемах. Точность преобразования определяется характеристиками усилителей в сумматорах АЦП. При использовании транзисторов с коротким каналом сравнительно несложно построить усилительный каскад с усилением до 20 дБ. Однако, для операционных усилителей (ОУ) 10-разрядного АЦП коэффициент усиления должен быть не менее 70 дБ, то есть требуется ОУ, построенный по 2 или 3 каскадной схеме, возможно кас-кодного типа [7]. Как следствие, ОУ такого типа будет забирать до 80% мощности, потребляемой
АЦП. По этой причине оказывается целесообразным использовать ОУ простейшего типа с невысоким усилением, но компенсировать влияние неидеальностей с помощью цифровых схем калибровки и коррекции.
АЦП последовательного приближения обладают очень простой структурой, поскольку не содержат ОУ, но ключи, конденсаторы и компараторы. Как следствие, схемотехника АЦП последовательного приближения хорошо совместима с наноразмерными (субмикронными) МОП-технологиями. Интересно отметить, что структура АЦП не менялась на протяжении нескольких десятилетий. Однако, пристальное внимание последних лет к АЦП последовательного приближения обусловлено разработанными методиками уменьшения площади на кристалле, занимаемой конденсаторной матрицей, и калибровки для компенсации технологического разброса параметров конденсаторов. Потенциально АЦП последовательного приближения обеспечивают наилучший параметр FOM при разрешении до 10 разрядов. В целом, АЦП данного типа используются на низких частотах при разрешении до 10—12 разрядов, например, в медицинской технике [12, 13], или при низком разрешении на высоких частотах, например, для систем UWB с тактовыми частотами до 0.5—1 ГГц при 5 разрядах и параметре FOM, равном 36—57 фДж на преобразование [14].
АЦП на основе дельта-сигма-модуляторов широко используются в системах управления и в системах связи различных стандартов, обеспечивая высокое разрешение — до 18—20 разрядов в сравнительно узкой полосе частот при малой мощности потребления [15—18]. Как правило, тактовая частота после операции децимирования составляет единицы МГц. Однако, применение МОП-технологий с разрешением 130 нм и менее позволило повысить тактовую частоту до десятков МГц для обработки сигналов в полосе до 10— 20 МГц. Обобщая результаты сопоставительного анализа характеристик АЦП на основе дельта-сигма модуляторов, приведенные в работе [18], отметим, что в зависимости от разрядности и тактовой частоты АЦП-параметр FOM составляет от десятков фДж до единиц пДж на преобразование.
Особенности построения АЦП определяют физические эффекты, которые приводят к возникновению ошибок преобразования и, как следствие, делают необходимым введение в состав АЦП соответствующих цепей калибровки и коррекции. Под калибровкой понимается режим установления параметров АЦП; под коррекцией понимается режим исправления ошибок преобразования. Основными источниками ошибок преобразования являются технологический разброс параметров пассивных элементов и неидеальности активных
ВХ1
Рис. 1. Обобщенная схема АЦП с цепью калибровки и коррекции.
компонентов схемы АЦП, в том числе: нелинейные искажения ОУ, напряжения смещения ОУ, конечные величины коэффициентов усиления ОУ, напряжения смещения на выходах компараторов.
Обобщенная структурная схема АЦП с учетом цепи калибровки и коррекции показана на рис. 1. Схема включает следующие компоненты: АЦП1 — калибруемый (корректируемый) АЦП, АЦП2 — эталонный АЦП (прецизионный АЦП, в котором малая ошибка достигается за счет высокого разрешения и низкой тактовой частоты), таблица данных калибровки, ключ, коммутирующий входной (ВХ1) и тестовый (ВХ2) сигналы, сумматор/вычи-татор сигналов АЦП1 и АЦП2.
В режиме калибровки на входы АЦП1 и АЦП2 поступает тестовый сигнал, который в предположении идеальности АЦП2 формирует разностный сигнал, обусловленный ошибками преобразования АЦП1. Разностный сигнал записывается в таблицу данных. Для коррекции динамических ошибок в таблицу данных записывается также информация о производной, то есть о скорости изменения, сигнала. В рабочем режиме с выхода АЦП1 поступает сигнал, определяющий адрес данных в таблице, с которого считывается сигнал коррекции. Сигнал коррекции суммируется с выходным сигналом и вносит соответствующее исправление в цифровой код. Данный подход широко используется на практике. Однако эффективность методики существенно снижается при увеличении полосы рабочих частот АЦП, поскольку априори предполагается использование эталонного АЦП с низкой тактовой частотой.
Для коррекции ошибок дифференциальной нелинейности применяются АЦП с избыточностью (с избыточной разрядностью) и АЦП с автокалибровкой. В общем случае, АЦП с избыточностью может генерировать две кодовые последовательности. В идеальном случае разница между двумя кодовыми последовательностями равна нулю. Если разница отлична от нуля, имеется сигнал ошибки преобразования, который используется для кал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.