МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 5, с. 345-350
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ^^^^^^^^ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
УДК 621.335.2:6213.04977
АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ КОНВЕЙЕРНОГО ТИПА
© 2007 г. Ю. Б. Рогаткин
Московский инженерно-физический институт (государственный университет), ЗАО ЦП "Ангстрем-СБИС"
rogatkm@kaf3.mephi.ru Поступила в редакцию 11.12.2006 г.
Представлены результаты использования алгоритмической макромодели аналого-цифрового преобразователя (АЦП) конвейерного типа при разработке сложно-функциональных блоков для аналого-цифрового преобразования. Приведены результаты расчетов.
Одной, но весьма существенной, из трудностей, с которой встречается разработчик сложных аналого-цифровых систем, является относительно большое время их моделирования. Этот недостаток в полной мере присущ и сложно-функциональным блокам (СФ-блокам) цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых преобразователей. Для того чтобы обойти эту проблему хотя бы на начальных этапах маршрута проектирования, целесообразно использовать макромодели, замещающие функциональные блоки в сложном аналого-цифровом устройстве. Важно, чтобы используемые макромодели отражали основные свойства аналого-цифровых блоков и позволяли оценивать их основные статические и динамические характеристики.
Ниже приведены результаты использования алгоритмической макромодели для АЦП конвейер-
ного типа с использованием коммутируемых конденсаторов. Моделирование такого рода устройств требует использования временного анализа, который, как известно, является одним из наиболее затратных с точки зрения процессорного времени при расчетах. В качестве примера использован 6-разрядный АЦП конвейерного типа, который содержит на входе схему выборки и хранения, два последовательно включенных каскада (2.5-битный и 1.5-битный), 3-разрядный АЦП параллельного типа и схему цифровой коррекции. Структурная схема АЦП приведена на рис. 1.
Рассмотрим основные причины, которые приводят к возникновению статических ошибок передаточной характеристики АЦП, таких как сдвиг передаточной характеристики, дифференциальная и интегральная нелинейности. Напряжение смещения компараторов, которые исполь-
D
5
Do
Рис. 1. Структурная схема 6-разрядного АЦП конвейерного типа.
346
РОГАТКИН
Рис. 2. Влияние напряжения смещения на передаточные характеристики 2-х битного (штриховая линия) и 2.5-битного (сплошная линия) каскадов.
зуются в составе встроенных в каскады АЦП, а также в составе АЦП параллельного типа, приводит к сдвигу пороговых уровней компаратора и, следовательно, к ошибкам квантования. Отклонение опорных напряжений от идеальных величин оказывает такое же влияние на передаточную характеристику, как и напряжение смещения компаратора. Следовательно, их влияние может рассматриваться как одна ошибка. Для коррекции этих ошибок применяется цифровой алгоритм коррекции, называемый кодирование с излишнем значащим разрядом (RSD-кодирование) [1]. RSD-кодирование с однобитной избыточностью (r = 1) в каждом каскаде используется в конвейерных АЦП для ослабления требований к точностным характеристикам квантования в АЦП. Добавление лишнего бита означает увеличение разрешение каскада на 1 бит минус 1 уровень квантования, таким образом, величина избыточности обычно обозначается как 0.5 бита.
Эффект RSD-кодирование проиллюстрирован на рис. 2, где передаточные характеристики 2-х битного и 2.5-битного каскада построены при наличии одинаковой ошибки квантования, которая представляет напряжение смещение компаратора напряжения VOS. Передаточная характеристи-
ка 2-х битного каскада изображена пунктирной линией, напряжение смещения компаратора вызывает переполнение выхода каскада (Тоот- > ±ККЕР) и насыщает следующий каскад и приводит к ошибочному квантованию. Однако, в 2.5-битном каскаде (сплошная линия) такое же напряжение смещения приводит к тому, что выходное напряжение превышает Р*кер/2, но меньше Р*КЕР. Таким образом, информация не теряется, и скорректированный результат квантования может быть получен, используя цифровой выход следующего каскада. Величина допустимого напряжения смещения при Я^Б-кодировании в этом случаи ±КЕЕР/8, что гарантирует, что выход каскада находится в пределах ±Р*КЕР. В общем случае, величина допустимого напряжения смещения К08 для /-ого каскада равняется половине разности между двумя уровнями квантования (при К5Б-кодировании) и определяется следующим образом:
Vos = ±-
■Vr
2
(1)
Восстановление КЗБ-кодированных цифровых выходов каскадов выполняется сложением задержанных выходов "С" с однобитным пере-
к я
ч О ш а м я н
ч О
Н
к
я А
% 5
о о о
Конденсаторы О
Схема выборки и хранения
Ш+
< «
Ш-
52
13
51
ш+ оит+ в^
S1 OTA_mod
Ш- оит-12
я
52
1
11
Cs
140 (0:5)
Встроенный АЦП
EIAS
51
52 VREF+ VREF-
В(0:2)
ш+ оит+
BIAS
S1 OTA_mod
Ш- оит--
оит+ оит-
н
р
0
1
NQ(0.5)
л м с*
СП и >
и <
117
м
СУ (И 2 >СУ
м с* > о
Cf
Мульти-ЦАП
Конденсаторы О
>
Й ч О ч К н 2 К Л и о я
о и и Й й4
Рис. 3. 2.5-битный каскад конвейерного АЦП со схемой выборки и хранения на входе.
и) -Й-
и) -Й-
00
к я
ч О Ш У М Я Т
ч О
д д я А
IN+
Ш-В1АБ
VREF+
VREF-Б2
BQ
В1
Q<0:5> NQ<0:5>
ч О ч
Я
Ё д
Рис. 4. Структурная схема макромодели встроенного АЦП.
о о о
АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
349
крытием: т.е. старший значащий разряд каскада i складывается с младшим значащим разрядом (МЗР) предыдущего каскада i _ 1. МЗР последнего каскада не корректируется, считается, что последний каскад должен быть без избыточности или D0 исключается из выходного цифрового кода. На рис. 3 приведена структурная схема 2.5-битного каскада со схемой выборки и хранения на входе, которая содержит макромодели основных блоков, описанных с помощью стандартной программы verilog-A в среде САПР CADENCE. Используются следующие макромодели:
- модель аналогового ключа, в которой учитывается времена включения и выключения ключа, а также его сопротивление в открытом и закрытом состояниях;
- модель "adc_mod" встроенного в каскад АЦП (приведена на рис. 4);
- модель "OTA-mod" операционного усилителя с токовым выходом, которая более подробно описана в [2].
Модель "adc_mod" встроенного АЦП реализована на стандартных, предоставляемых средствами САПР с описанием в программе Verilog-A, блоках компараторов и логических элементах, в которых можно задавать как быстродействие этих блоков, так и статические ошибки (для компараторов). Отличительной особенностью встроенного АЦП является наличие выходов динамического управления ключами в мульти-ЦАП. В качестве модели АЦП параллельного типа, который используется на выходе в качестве последнего каскада, используется стандартная модель АЦП с возможностью задания величин статических ошибок. В состав каскада АЦП конвейерного типа входит, так называем, мульти-ЦАП. Мульти-ЦАП обычно строят на основе переключаемых конденсаторов [3, 4]. На рис. 3 упрощенная схема мульти-ЦАП для 2.5-битного каскада состоит из дискретизирующего конденсатора CS, конденсатора обратной связи C, конденсаторов Ci (i = 1.. .6), операционного усилителя и нескольких ключей. Управление ключами, подключенными к конденсаторам Ci, осуществляется выходным сигналом встроенного АЦП, входящего в состав каскада. Из-за технологического разброса величины емкости конденсаторов мульти-ЦАП нелинейность проявляется в главных кодовых переходах. В результате, если менее значимые цифровые выходные коды конвейерного АЦП группируются как сегменты, каждый сегмент сдвигается на определенную величину от идеальной прямой линии.
Для проверки работоспособности разработанной алгоритмической макромодели конвейерного АЦП, на примере 6-разрядного АЦП, было прове-
Величина емкости, фФ 30.08 г
30.06 -
30.04 - П
30.02 -
30.00- п П п П г
29.98 - П
29.96- п п п
29.94 -29.92 -
29 901 1 'I 1 1 1 1 1 1 1 'I 1 1 1 1 1 1 ' 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Номер выборки
Рис. 5. Технологический разброс емкостей конденсаторов.
дено ее моделирование с целью определения влияния технологического разброса величины емкости конденсаторов на статическую передаточную характеристику АЦП. Случайный разброс величин емкостей всех конденсаторов формировался с нормальным распределением и заданной относительной погрешностью. Пример полученного распределения величины емкости одного из конденсаторов с номинальным значением емкости 30 фФ для 16 случайных выборок приведен на рис. 5. Результаты расчета передаточной характеристики конвейерного АЦП приведен на рис. 6 (начальный участок). По оси ординат откладывался аналоговый эквивалент выходного цифрового кода. Наличие разброса емкостей конденсаторов, как и ожидалось, проявилось в возникновении дифференциальной нелинейности, величина которой, ввиду мало-разрядности анализируемого АЦП, не превысила величину его младшего значащего разряда (МЗР).
Ошибка определялась по отклонению передаточной характеристики АЦП, построенной для его макромодели, по сравнению с передаточной характеристикой идеального АЦП. Отметим, что для проведения статистических расчетов требуется большое количество прогонов. Время одного прогона для высокоразрядного (до 14 разрядов) и относительно быстродействующего (до нескольких десятков мегагерц) конвейерного АЦП может составлять на современном оборудовании до нескольких часов. Таким образом, основное достоинство использования адекватных макромоделей для моделирования основных характеристик АЦП-конвейерного типа состоит в существенном уменьшении (в разы) времени моделирования при незначительном ухудшении точности расчетов, что
350
РОГАТКИН
500 г
Аналоговый эквивалент выходного кода АЦП
400-
300-
200-
100-
Ошибка АЦП
5u
10u
15u
20u Время
Рис. 6. Ошибки передаточной характеристики АЦП в результате технологического разброса емкостей конденсаторов.
позволяет существенно повысить эффективность процесса разработки сложно-функциональных блоков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Waltari M. Circuit Techniques for Low-voltage and High-speed A / D Converters // Helsinki University of Technology, Electronic design Laboratory report 33. 2002.
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.