УДК 621.382
МИКРОМОЩНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ АЦП ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ1
Ю. И. Бочаров, В. А. Бутузов, Д. Л. Осипов
Рассмотрен принцип построения АЦП с повышенной энергоэффективностью и уменьшенной занимаемой площадью. Благодаря совместному использованию усилителей и компараторов в смежных каскадах конвейера удалось создать девятибитный АЦП при использовании только 4 усилителей и 11 компараторов (вместо 8 и 17 соответственно в обычной конвейерной схеме). Прототип АЦП с частотой выборки 20 МГц для многоканальных систем изготовлен по аналого-цифровой КМОП-технологии с проектными нормами 180 нм. Устройство занимает площадь 0,55 мм2 и рассеивает мощность 9 мВт от источника с напряжением 1,8 В.
Ключевые слова: аналого-цифровое преобразование, конвейерный АЦП, архитектура АЦП с повышенной энергоэффективностью, КМОП-технология, многоканальная система.
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня одной из главных тенденций развития радиоэлектронной аппаратуры является повышение энергоэффективности элементной базы. Это обусловливает актуальность задачи снижения энергопотребления аналого-цифровых преобразователей. Наряду с общим стремлением к повышению энергоэффективности и к энергосбережению, есть ряд областей, где достижение предельно низких уровней энергопотребления АЦП критически важно. Например, устройства, применяемые в современных установках для физических экспериментов, часто содержат сотни тысяч датчиков, каждый из которых обслуживается отдельным каналом считывания, включающим средства предварительной аналоговой и цифровой обработки [1]. Создание системы сбора данных такого масштаба диктует необходимость выполнения электроники считывания на базе аналого-цифровых микросхем высокой степени интеграции типа "система на кристалле" (СНК). Типовые АЦП в составе таких многоканальных систем имеют разрядность 8... 10 бит, быстродействие 10...30 МГц. Из-за большого числа каналов в микросхеме (128 и более) предельная потребляемая мощность каждого АЦП ограничивается уровнем порядка 10 мВт на канал.
В рамках работ по созданию СНК считывания и обработки сигналов датчиков станций траектор-ных измерений для международного физического эксперимента CBM [2] разработан в среде проектирования Cadence Virtuoso сложно-функциональный блок (СФ-блок) быстродействующего АЦП конвейерного типа с низким энергопотреблением. Прототип АЦП изготовлен с использованием КМОП технологии аналого-цифровых и ра-
1 Использованы результаты НИР, выполняемых НИЯУ МИФИ
в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 гг.
диочастотных микросхем компании иМС (Тайвань) с проектными нормами 180 нм.
АРХИТЕКТУРА АЦП
АЦП имеет полностью дифференциальную конвейерную архитектуру. Его номинальная разрядность 9 бит, максимальная частота выборки 20 МГц. Структурная схема АЦП приведена на рис. 1. Для наглядности тракт обработки сигнала показан не дифференциальным. На рисунке также не показаны периферийные блоки: источник опорных напряжений, генератор тактовых импульсов, выходной интерфейс. АЦП разработан на основе традиционной конвейерной архитектуры, но с применением специальных методов снижения потребляемой мощности.
Тракт преобразования включает конвейер из семи одинаковых по структуре каскадов АЦП низкого разрешения с эффективной разрядностью 1,5 бита, а также АЦП параллельного типа разрядностью 2 бита в качестве последней ступени конвейера. Все каскады кроме двух первых и последнего идентичны. Они объединены в группы, как показано на рис. 1. Часть элементов в группе из двух смежных каскадов, такие например, как многофункциональные ЦАП умножающего типа (МЦАП) входят в состав каждого из них, а часть элементов являются общими. Благодаря реализации методов совместного использования общих разделяемых компонентных и энергетических ресурсов смежных каскадов (совместно используемых усилителей и компараторов), достигнуто существенное снижение потребляемой мощности АЦП.
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ
Возможность совместного использования разделяемых ресурсов каскадов основана на том, что в АЦП конвейерного типа функциональные состояния каскадов с четными номерами в любой
Рис. 1. Структурная схема АЦП конвейерного типа с низким энергопотреблением
момент времени отличны от состоянии каскадов с нечетными. В течение первоИ половины тактового периода нечетные каскады находятся в режиме выборки, а четные — в режиме формирования выходного сигнала, преобразуемого последующими каскадами конвеИера. В течение второИ половины тактового периода их роли меняются. В состоянии выборки входящие в состав каскадов операционные усилители (ОУ) и компараторы либо находятся в режиме запоминания собственного смещения, либо вообще не используются. Если не требуется коррекция смещения, усилители могут переключаться попеременно между смежными каскадами, подключаясь к тому из них, которыИ находится в режиме формирования выходного сигнала. Поскольку смежные каскады конвеИера всегда находятся в разных состояниях, то для них усилители и компараторы могут быть выделены в общий разделяемый ресурс. Это позволяет вдвое снизить число усилителей. Первый ОУ разделен между входным устроИством выборки-хранения (УВХ) и первым МЦАП, второй ОУ разделен между вторым и третьим каскадами и т. д.
Для повышения точности преобразования (компенсации напряжения смещения и подавления эффекта памяти), усилители, разделяемые между входным УВХ и первым МЦАП, а также между вторым и третьим каскадами, разделяются только частично. Эти усилители (рис. 2) содержат два идентичных входных каскада (ПУ1 и ПУ2), подключенных через ключи к совмещаемой части, в которую входят выходной каскад (ВУ), цепь обратной связи по синфазному сигналу и схема
установки режима (УР). Усилители в остальных каскадах разделяются полностью. Таким образом, число ОУ уменьшено вдвое (с восьми до четырех) в сравнении с классической конвейерной архитектурой.
Компараторы также совместно используются смежными каскадами [3]. Такая возможность обеспечивается благодаря тому, что фиксация результата сравнения в выходных регистрах компараторов производится в начале фазы выборки, по переднему фронту соответствующего тактового сигнала, а после этого в течение всей фазы выборки компараторы находятся в режиме хранения результата. Поскольку результат сравнения хранится в регистрах, в это время на него уже не могут повлиять никакие изменения на выходах компараторов.
Таким образом, компараторы каскадов, находящихся в фазе выборки, не активны и могут быть
Рис. 2. Структурная схема усилителей первых каскадов АЦП
Датчики и Системы • № 5.2011 - 49
Рис. 3. Спектр на выходе АЦП при подаче на вход сигнала частотой 400 кГц и частоте выборки 20 МГц
использованы в смежных каскадах, находящихся в режиме формирования выходного сигнала. Для этого сигнал стробирования компараторов должен иметь частоту вдвое большую основной тактовой частоты. Так удалось уменьшить число компараторов с 17 до 11. Предложенный метод позволил снизить суммарную потребляемую мощность компараторов на 32 %, а занимаемую ими площадь — на 38 %.
Еще один метод снижения энергопотребления АЦП — масштабирование емкостей конденсаторов первых каскадов. Последовательное уменьшение номиналов емкостей конденсаторов УВХ и МЦАП от 0,8 пФ в первом каскаде до 0,25 пФ в четвертом и последующих каскадах позволило не только уменьшить площадь чипа, но и использовать в каскадах с третьего по седьмой ОУ с минимальным энергопотреблением [4].
Моделирование АЦП с учетом особенностей его технологической реализации на основе результатов экстракции паразитных параметров топологии выполнено с использованием симуля-тора Cadence Spectre. Спектр выходного сигнала АЦП при подаче на вход синусоидального сигнала и динамические параметры, определенные по результатам анализа спектра типовыми программными средствами, приведены на рис. 3.
Разработанный АЦП при частоте выборки 20 МГц имеет потребляемую мощность 14,4 мВт, причем 5,4 мВт из них приходится на источник опорных напряжений. Поскольку АЦП предназначен для использования в составе СНК, блок формирования опорных напряжений — общий для 8 каналов АЦП. Таким образом, потребляемая мощность АЦП составляет менее 10 мВт на канал. Топологическое проектирование АЦП выполнено в среде Cadence Virtuoso [5].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработан быстродействующий АЦП конвейерного типа с низким энергопотреблением для многоканальных систем. Благодаря реализации методов совместного использования общих разделяемых компонентных и энергетических ресурсов смежных каскадов достигнут уровень энергопотребления менее 10 мВт на канал. Прототип изготовлен с использованием КМОП-технологии аналого-цифровых и радиочастотных микросхем компании иМС (Тайвань) с проектными нормами 180 нм.
Основные технические характеристики АЦП
Номинальная разрядность, бит................ 9
Максимальная частота выборки, МГц.......... 20
Отношение сигнал /(шум и искажения), дБ...... 49,8
Эффективная разрядность, бит................ 7,9
Динамический диапазон, свободный от гармоник, дБ 58,5
Напряжение питания, В..................... 1,8
Потребляемая мощность (без источника опорных напряжений), мВт........................... 9
Диапазон входных дифференциальных сигналов, В . . ±0,5
Занимаемая площадь, мм2................... 0,55
Технология............................... КМОП;
0,18 мкм
ЛИТЕРАТУРА
1. Heuser J. M., Deveaux M., Muntz C., Stroth J. Requirements for the Silicon Tracker System CBM at FAIR // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A. — Vol. 568. — 2006. — P. 258—262.
2. Бочаров Ю. И., Гуменюк А. С., Лапшинский В. А. и др Архитектура специализированной БИС считывания сигналов многоканальных датчиков // Датчики и системы. — 2008. — № 10. — С. 47—50.
3. Гуменюк А. С., Бочаров Ю. И. Повышение эффективности использования компараторов в конвейерных АЦП // Сб. научн. тр. ИТМиВТ им. С. А. Лебедева РАН. — 2008. — № 1. — С. 87—90.
4. Бутузов В. А, Бочаров Ю. И., Гуменюк А. С., Осипов Д. Л. Быстродействующий АЦП с низким энергопотреблением для многоканальных систем обработки сигналов
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.