Архитектуры бесконденсаторных кмоп-кни-ацп для космического применения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК681.324.687

АРХИТЕКТУРЫ БЕСКОНДЕНСАТОРНЫХ КМОП-КНИ-АЦП ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО

ПРИМЕНЕНИЯ

В.С. Кононов

Приведены основные механизмы деградации точностных характеристик КМОП-АЦП. Рассмотрена конструкция источника опорного напряжения с повышенной стойкостью к воздействию одиночных частиц космического происхождения. Предложены архитектуры 8-18-разрядных бесконденсаторных КМОП-КНИ-АЦП с напряжением питания 1,8 В и частотой преобразования до 1 ГГц

Ключевые слова: АЦП, КМОП-КНИ, секция, разрядность, деградация

Интерес к разработке бесконденсаторных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) возник из опыта эксплуатации КМОП-АЦП с переключаемыми конденсаторами в составе космической аппаратуры. Было обнаружено, что точностные характеристики таких АЦП существенно деградируют с течением времени, а простое использование структуры «кремний-на-изоляторе» (КНИ) не приводит к принципиальному улучшению наблюдаемой ситуации.

Как было установлено [1], в КМОП-АЦП наблюдаются 3 доминирующих механизма деградации характеристик (рис. 1).

Д

Вых

Вх

Вх

Вых

Вых

в)

Рис. 1. Иллюстрация механизмов деградации характеристик АЦП:

а) - образование утечек в сток/истоковых рп-переходах;

б) - деградация характеристик рпр-транзисторов и диодов в источниках опорного напряжения (ИОН);

в) - деградация характеристик ММОП и РМОП-транзисторов в операционных усилителях (ОУ)

Из этих механизмов наибольшую опас-

Кононов Владимир Сергеевич - ОАО «СКТБ ЭС», канд. техн. наук, науч. сотрудник, тел. 8(473) 223-46-79

ность представляет утечка тока в стоковом рп-переходе ключевого МОП-транзистора (рис. 1, а), которая непосредственно влияет на зарядовое состояние переключаемого конденсатора, использующегося для хранения промежуточной информации в процессе аналого-цифрового преобразования. Если механизмы (рис. 1, б, в) можно достаточно успешно компенсировать путем автокалибровки, то предотвратить деградацию стокового рп-перехода в результате старения и воздействия космических излучений не представляется возможным. Поэтому отказ от использования переключаемых конденсаторов в КМОП-КНИ-АЦП является наиболее рациональным, что в итоге привело к появлению термина «бесконденсаторные КМОП-АЦП».

Вернемся, однако, к рассмотрению механизмов (рис. 1, б, в). В бесконденсаторных КМОП-КНИ-АЦП эти механизмы являются также доминирующими. Для минимизации их влияния на точностные характеристики КМОП-КНИ-АЦП кроме упомянутой выше автокалибровки необходимы специальные решения как, например, решение (рис. 2) для ИОН [1].

Основная идея этого решения основана на использовании опорных диодов (диоды Dl, D2 на рис. 2, а), созданных непосредственно в р-подложке под скрытым окислом (слой 9 на рис. 2, б, в). Такой подход позволяет существенно уменьшить распределенные сопротивления п-областей диодов (область 13 на рис. 2, в), которые создаются до формирования транзисторов и других компонентов в тонком слое кремния (слой 6 на рис. 2, б), и, благодаря этому, стабилизировать характеристики диодов при более высоких прямых токах, что снижает чувствительность диодов к воздействию одиночных частиц космического происхождения.

Так как в ИОН используется ОУ (рис. 2, а), то с учетом (рис. 1, в) становится очевидным, что без создания высокоточных ОУ невозможно обеспечить на приемлемом уровне точност-

ные характеристики не только ИОН, но и АЦП в целом.

АС

1 2 3

-к

10

в)

Рис. 2. Блок-схема ИОН (а) и полупроводниковая структура ИОН до (б) и после (в) формирования п-кармана:

I - поликремниевый затвор; 2 - подзатворный окисел;

3 - первый слой фоторезиста; 4 - карман ММОП-транзистора; 5 - глубокий окисел; 6 - тонкий слой кремния; 7 - сток РМОП-транзистора; 8 - карман РМОП-транзистора; 9 - скрытый окисел; 10 - несущая подложка;

II - сток ММОП-транзистора; 12 - второй слой фоторезиста; 13 - диодная п-область (п-карман)

Техника достижения высокой точности ОУ и ее связь с точностными характеристиками АЦП хорошо известны [2].

Целью данной статьи является оценка предельно достижимой разрядности бесконденсаторного АЦП исходя из требуемого коэффициента усиления ОУ на нижней (А0) и верхней (А) частотах в полосе до ~ 1 ГГц.

Так как А0 во многом определяет точность всего АЦП, а Ау - разрядность его секций [3]:

А0 > 2М_В+1 • Ау,

А.

1

,

у

(1) (2)

где N - разрядность АЦП, В - разрядность секции АЦП, к выходу которой подключен ОУ, а у - коэффициент обратной связи в ОУ, то с учетом (1), (2) развитие бесконденсаторных архитектур выглядит следующим образом (рис. 3).

Например, 12-разрядный АЦП можно создать на основе двухсекционной архитектуры, в которой в качестве первой секции будем использовать 8-разрядный АЦП [4], а в качестве второй секции - 5-разрядный АЦП из того же 8-разрядного АЦП (рис. 3, а).

Секционный 8-разрядный АЦП Секционный 5-разрядный АЦП

* ' 8 / ' 5

Блок корректировки ошибок

^12 ЦС

а)

АС

Секционный Секционный

8-разрядный 8-разрядный

АЦП АЦП

/ ' 8 / ' 9

Блок корректировки ошибок

'16

ЦС

б)

АС

Секционный Секционный Секционный

8-разрядный 8-разрядный 2-разрядный

АЦП АЦП АЦП

/ ' 8 / ' 9 / ' 3

Блок корректировки ошибок

7

18

ЦС в)

Рис. 3. Блок-схемы многоразрядных бесконденсаторных КМОП-КНИ-АЦП: АС - аналоговый сигнал; ЦС - цифровой сигнал

Оценим «жизнеспособность» архитектуры (рис. 3, а). Пусть входная шкала 8-разрядной секции составляет 0-1,6 В, а 5-разрядной секции - 0-250 мВ. При этих условиях коэффициенты усиления А0 и Ау ОУ в 8-разрядной секции (на рис. 3, а не показан) с учетом (1), (2) должны составлять

3,7; (3)

> 210_5+1 • 3,7 ^ 237, (4)

что для 0,18 мкм-КМОП-КНИ-технологии и 2-ступенчатого ОУ на основе, например, сложенного каскода [2] не представляет больших трудностей.

В выражении (4) при вычислении А0 при-

и

5

9

нято N = 10 и В = 5, так как требования по точности ОУ определяются на самом деле двумя 5-разрядными секциями, находящимися в непосредственной конвейерной связи. При этом одна из них входит в состав 8-разрядной секции.

Из проведенных рассуждений естественным образом напрашивается архитектура (рис. 3, б).

Если учесть, что шаг изменения опорных напряжений во второй секции составляет ~10 мВ, то при Ау = 3,7 появляется возможность использования 2-разрядной третьей секции (рис. 3, в).

С учетом этой секции требование к А0 для

ОУ на выходах первых двух секций 18-разрядного АЦП возрастает до

Ап > 2

12-5+1

3,7 ^ 947,

(5)

что вполне приемлемо.

В (5) учтено, что общая разрядность секций, находящихся в непосредственной конвейерной связи, повысилась до 12 бит.

В заключение более подробно остановимся на технике вычисления ошибок преобразования в секциях АЦП на рис. 3.

Для упрощения рассуждений воспользуемся блок-схемой гипотетического 10-разрядного АЦП, приведенного на рис . 4 .

10 ЦС

Рис. 4. Иллюстрация техники вычисления ошибок преобразования: ДШ - дешифратор; ТС - тактовый сигнал; иоп+ и иоп- - опорные напряжения верхнего и нижнего уровней

На этом рис. 5-разрядные секции почти такие же, как на рис. 3. Отличие состоит только в том, что на рис. 4 по отмеченным выше соображениям обе секции имеют униполярные входы, хотя на практике такие входы чаще бывают биполярными. Однако в контексте намеченного обсуждения техники вычисления ошибок пре-

образования это упрощение не имеет принципиального значения.

В результате процесс вычисления ошибки преобразования выглядит следующим образом. При появлении тактового импульса на входе ТС происходит оцифровка аналогового сигнала с помощью 24 компараторов (на рис. 4 не пока-

заны) и появляется термокод, который сразу же передается в блок свертывания и дальнейшего преобразования информации, а также в блок формирования «бегущей» единицы (код «1 из 24»).

В свою очередь сигнал «бегущей» единицы открывает один из ключей цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) на основе опорной цепочки резисторов на входе первой 5-разрядной секции, обеспечивая таким образом передачу соответствующего опорного уровня на один из входов ОУ. При этом на другой вход ОУ подается задержанный аналоговый сигнал, что приводит к появлению на выходе ОУ усиленного сигнала ошибки и началу процесса преобразования информации во второй секции практически одновременно с первой секцией.

Необходимость упомянутой задержки хорошо известна из теории конвейерных АЦП [2]. Здесь следует отметить два важных обстоятельства.

Во-первых, в нашем случае необходимо использовать RC-цепочку на основе поликремниевых резисторов, которые из-за особенностей своей структуры не содержат паразитных рп-переходов и поэтому не могут привести к появлению утечек тока как в случае ключевых МОП-транзисторов.

Во-вторых, RC-цепочка имеет смысл, если внутренняя задержка по цепи «термокод - код «1 из 24» - ЦАП» будет составлять

твн = ткс < (0,5 - 0,7) • ти, (6)

где твн - внутренняя задержка, тас - задержка RC-цепочки, а ти - длительность тактового импульса. В противном случае амплитуда задерживаемого сигнала будет уменьшаться из-за эффекта интегрирования, что в итоге приведет к ухудшению точности преобразования.

Условие (6) является достаточно жестким

в полосе частот до 1 ГГц. В этом случае минимальная длительность тактового импульса составляет всего 0,5 нс, что дает

твн = trc = 0,25 — 0,35нс.

Реализация данного требования находится на пределе возможностей имеющейся технологии 0,18 мкм-КМОП-КНИ.

Выход из создавшегося положения можно найти, если воспользоваться техникой чередования [2], которая обеспечивает дополнительное повышение точности преобразования и стойкости к воздействию одиночных частиц космического происхождения и хорошо интегрируется в архитектуру 5-разрядной секции. Однако подробное описание этой техники выходит за рамки данной статьи.

Выводы. Возможности стандартной технологии 0,18 мкм-КМОП-КНИ достаточны для создания низковольтных бесконденсаторных АЦП с разрядностью 12-18 бит и частотой преобразования до ~ 1 ГГц.

Литература

1. Кононов В.С. Радиационно-стойкие КМОП-КНИ-АЦП разрядностью 12-16 бит и частотой преобразования 100-1000 МГц с автоматической калибровкой [Текст] / В.С. Кононов // Международная конференция «Микроэлектроника 2015» (г. Алушта, Крым, 28 сентября -3 октября 2015 г.). - М.: Техносфера, 2015. - С. 88-90.

2. Rudy van de Plassche. CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters [Text] / Rudy van de Plassche. - Kluwer academic publishers, 2003. - 588 c.

3. Chunlei Shi. Data converters for wireless standards [Text] / Shi Chunlei, Ismail Mohammed // Kluwer academic publishers, 2002. - 126 p.

4. Рембеза С.И. Высокоскоростной безконденсатор-ный КМОП-АЦП с интерполирующими защелками и реверсируемым тактированием [Текст] / С.И. Рембеза, В.С. Кононов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - №2, С. 23-26.

ОАО «Специализированное конструкторско-технологическое бюро электронных систем», г. Воронеж

ARCHITECTURES OF CMOS-SOI-ADC WITHOUT SWITCHED-CAPACITORS

FOR SPACE APPLICATIONS

V.S. Kononov

Basic mechanisms of CMOS-ADC accuracy degradation are shown. Design of voltage reference hardened to cosmic rays impact is considered. Architectures of 1-GHz 1,8-V 8-18 bits CMOS-SOI-ADC without switched-capacitors are offered

Key words: ADC, CMOS-SOI, section, resolution, degradation