^^^^^^^^^^^^ СХЕМОТЕХНИКА ^^^^^^^^^^^^
И СИСТЕМОТЕХНИКА
621.382
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ КОНВЕЙЕРНЫХ КМОП АЦП
© 2008 г. А. С. Гуменшк, Ю. И. Бочаров
Московский инженерно-физический институт E-mail:asgumenjuk@ipmce.ru Поступила в редакцию 22.01.2008
Представлены результаты сравнительного анализа основных методов снижения потребляемой мощности конвейерных АЦП. Среди них выделены методы, направленные на структурную и параметрическую оптимизацию традиционной конвейерной архитектуры, а также методы, которые, используя оригинальные схемные решения, позволяют минимизировать потребляемую мощность узлов АЦП.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 4, с. 287-299
УДК
1. ВВЕДЕНИЕ
Конвейерная архитектура служит основой для построения аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с быстродействием (3-300) Мвыб/с и разрядностью (8-16) бит. Они находят массовое применение в самых разных областях, таких как видеотехника, медицина, широкополосная проводная и беспроводная связь, измерительное и тестовое оборудование, во многих других сферах. АЦП этого типа широко используются в составе мобильных устройств с автономным питанием, для которых уровень энергопотребления оказывается наиболее критичным показателем, во многом определяющим характеристики и ограничения на величину потребляемой мощности всех узлов, включая АЦП.
В настоящее время устройства и системы, в состав которых входят конвейерные АЦП, часто реализуют как интегральные микросхемы (ИМС) высокой и сверхвысокой степени интеграции типа си-стема-на-кристалле (СНК). Выбор технологии изготовления аналого-цифровых СНК направлен на оптимизацию цифровой части, обычно преобладающей по количеству элементов и энергопотреблению. Поэтому основной тенденцией является переход к процессам с меньшими проектными нормами и более низкими напряжениями питания. Если уменьшение проектных норм ведет к повышению быстродействия и цифровых, и аналоговых схем, то снижение напряжения питания, если не принимать специальных мер, приводит к увеличению потребляемой мощности аналоговых узлов [1]. Возможности улучшения качественных показателей АЦП благодаря применению субмикронных технологий оказываются ограниченными ростом энергопотребления.
Таким образом, традиционная проблема снижения потребляемой мощности быстродействующих АЦП становится еще более актуальной в связи с их
массовым применением в мобильных устройствах и особенностями технологической реализации.
Есть два пути решения проблемы: структурно-параметрическая оптимизация АЦП при сохранении традиционной архитектуры основных узлов и блоков и использование новых схемотехнических принципов их построения - более эффективных с точки зрения энергопотребления. В рамках этих направлений к настоящему времени предложено большое число различных способов снижения потребляемой мощности конвейерных АЦП, выполненных по КМОП технологии, однако обобщение результатов, их систематизация и анализ отсутствует.
2. ТРАДИЦИОННАЯ КОНВЕЙЕРНАЯ АРХИТЕКТУРА
Типовой вариант конвейерной архитектуры АЦП приведен на рис. 1. Она содержит входное устройство выборки-хранения (УВХ), цепочку последовательно включенных каскадов, каждый из которых формирует часть разрядов выходного кода, а также блок цифровой коррекции результата. Основная функция УВх - зафиксировать аналоговый сигнал в моменты времени, соответствующие частоте дискретизации. В состав каждого каскада входит параллельный АЦП небольшой разрядности, обычно не превышающей четырех бит. Выходной код АЦП преобразуется обратно в аналоговый эквивалент, вычитается из входного сигнала, а сформированный остаток умножается на коэффициент усиления и подается на вход следующего каскада. Все эти операции осуществляются многофункциональными умножающими цифро-аналоговыми преобразователями (МЦАП). Последний каскад, не требующий формирования остатка, представляет собой АЦП параллельного типа. Выходной двоичный код каждого каскада
Каскад 1 Каскад 2 Каскад N
Управляющий сигнал
-1 г
)
М 1
V™
Рис. 2. Принцип построения УВХ и МЦАП на переключаемых конденсаторах.
кроме последнего является избыточным, что позволяет осуществлять цифровую коррекцию результата и значительно снизить требования к точности элементов каскадов, в частности, к разрешающей способности компараторов [2]. Наибольшее применение получила архитектура, в которой эффективная разрядность всех каскадов кроме, возможно, первого и последнего равна 1.5 бита, то есть избыточность кодирования составляет 0.5 бита.
Реализация АЦП в технологическом базисе КМОП основана на концепции использования схем на переключаемых конденсаторах (ПК), которые позволяют с большой точностью осуществлять усиление и суммирование выборок аналоговых сигналов [3]. На рис. 2 приведена типовая схема, иллюстрирующая принципы построения входного УВХ и МЦАП в архитектуре с 1.5-битными каскадами на переключаемых конденсаторах [4]. Все каскады конвейерных АЦП, как правило, полностью диф-
ференциальные, но для упрощения они показаны на схеме в недифференциальном виде.
УВХ осуществляет выборку входного сигнала Ущ в течение первого временного интервала, соответствующего фазе ¥1. В течение второго интервала, соответствующего фазе ¥2, на выходе УВХ сохраняется запомненный уровень сигнала, который оцифровывается АЦП и поступает на вход МЦАП. Выход АЦП управляет выбором одного из трех уровней опорного напряжения, который аппроксимирует входной сигнал. На третьем временном интервале в фазе ¥1, выходное напряжение МЦАП, поданное на вход следующего каскада Уои1, соответствует удвоенной разности входного и аппроксимирующего сигналов.
Схемы УВХ и МЦАП содержат операционные усилители (ОУ), которые имеют наибольшую потребляемую мощность по сравнению с другими элементами. Это связано со следующими
Рис. 3. Классификация методов снижения потребляемой мощности конвейерных КМОП АЦП.
обстоятельствами. Осуществление высокоточного преобразования с низким уровнем шума диктует необходимость использовать в таких схемах конденсаторы относительно большой емкости. Перезарядка их с высокой скоростью обусловливает значительные уровни переключаемых токов и потребляемой мощности. Малоразрядные АЦП, входящие в состав всех каскадов и содержащие обычно от 2 до 7 компараторов, потребляют меньшую мощность, чем операционные усилители. Это объясняется тем, что наличие цифровой коррекции позволяет применить простые схемы компараторов с низким разрешением и, соответственно, низким уровнем энергопотребления [2].
Таким образом, основные пути снижения энергопотребления конвейерных АЦП связаны с оптимизацией архитектуры аналоговых узлов, прежде всего, с сокращением числа и более эффективным использованием быстродействующих операционных усилителей в тракте обработки сигнала.
3. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ АЦП
Способы снижения энергопотребления конвейерных КМОП АЦП можно условно разделить на две группы (рис. 3).
В первую группу включены методы, направленные на структурную и параметрическую оптимизацию традиционной конвейерной архитектуры. К структурным методам можно, например, отнести исключение из тракта обработки сигнала входного УВХ. К параметрическим методам относятся масштабирование и оптимизация разрядности каскадов. Способы, отнесенные ко второй группе, используют оригинальные схемные решения, дающие возможность или снизить до минимума потребляемую мощность ОУ в каскадах АЦП, например, путем эффективного динамического перераспределения энергоресурса между элементами, или даже совсем исключить операционные усилители из МЦАП.
4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАДИЦИОННОЙ АРХИТЕКТУРЫ
4.1. Масштабирование каскадов
Метод масштабирования каскадов (stage scaling) широко применяется для оптимизации схем конвейерных АЦП [2, 5]. В его основе лежит то, что вклад погрешности каждого каскада в суммарную ошибку преобразования уменьшается с увеличением номера каскада. Общая ошибка, приведенная к входу АЦП:
Ve,2 = V,
£, 1
+ ТТ V е, 2 G1
+
G1G2
V е, 3+ ... +
1
Gi... Gn -1
■V р
где Уе, г - погрешность, вносимая г-каскадом, Ог - коэффициент усиления г-каскада. Если все каскады
идентичны, то погрешность первого каскада является доминирующей.
Составляющими погрешности каскадов являются тепловой шум и случайный разброс емкостей конденсаторов. Средний квадрат напряжения теплового шума конденсаторов обратно пропорционален величине их емкости:
Т кТ 6N = С'
здесь к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, С - емкость конденсатора.
Отсюда следует ограничение на минимальный размер используемых конденсаторов. Увеличение емкостей конденсаторов с целью снижения уровня шумов приводит к необходимости увеличения выходных токов ОУ. Результатом является повышение энергопотребления схемы. Это одно из фундаментальных ограничений уровня минимальной потребляемой мощности АЦП [6].
Однако каскады не обязательно должны быть идентичными. Значительная экономия энергоресурса и занимаемой площади может быть достигнута при такой методике проектирования, когда размеры конденсаторов масштабируются - уменьшаются при увеличении номера каскада [2]. Шумовой вклад всех каскадов можно сделать одинаковым, что достигается выбором коэффициента масштабирования равным О2. Это, однако, чрезмерно завышает требования к первому каскаду. Поэтому предпочтительнее меньшее значение коэффициента, например, близкое к О. Анализ показывает, что оптимальная с точки зрения минимизации потребляемой мощности величина коэффициента масштабирования находится в пределах от О до О15 [7].
Масштабирование можно применить и к другим компонентам АЦП, в частности, к ОУ, снижая коэффициент усиления и полосу пропускания от каскада к каскаду. Несмотря на то, что коэффициент масштабирования ОУ меньше, чем коэффициент масштабирования конденсаторов, метод позволяет достичь дополнительной экономии энергоресурса. Из-за трудоемкости индивидуального проектирования всех каскадов АЦП обычно ограничиваются масштабированием первых четырех из них. Следует отметить, что чрезмерное снижение номиналов конденсаторов нежелательно, поскольку приводит к повышению влияния паразитных емкостей, в частности
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.