CC BY
59
УДК681.324.687
Радиотехника и связь
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ БЕCКОНДЕНСАТОРНЫХ КМОП-КНИ-АЦП КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В.С. Кононов
Отмечены основные механизмы деградации КМОП-КНИ-АЦП при воздействии ионизирующих излучений космического пространства. Рассмотрен метод повышения точности и устойчивости преобразования бесконденсаторного 12-разрядного КМОП-КНИ-АЦП для космического применения
Ключевые слова: ионизирующие излучения, АЦП, КМОП-КНИ
Ионизирующие излучения космического пространства (ИИКП) являются источником многих проблем при создании бортовой аппаратуры (БА) с высокой сбое- и отказоустойчивостью [1]. Как отмечено в [1], для повышения стойкости БА к ИИКП используют различные методы, в том числе применяют защитные экраны, аппаратное и программное резервирование, а также специальные технологические, конструкторские и схемотехнические решения при создании сбое- и отказоустойчивой элементной базы. В случае аналого-цифровых преобразователей (АЦП) эти проблемы приобретают особую значимость, так как в отличие от цифровых микросхем чувствительность АЦП к ИИКП существенно выше [2].
Определенные успехи в снижении чувствительности АЦП к ИИКП были достигнуты применением полупроводниковой структуры "кремний на изоляторе" (КНИ). Такая структура предотвращает образование тиристорного эффекта и расширяет возможности по противодействию влиянию ИИКП, которые вызывают деградацию характеристик АЦП (рис. 1).
При использовании КМОП-КНИ-структуры так называемого 1-го типа, в которой основания сток/истоковых областей примыкают к "скрытому" диэлектрику, отделяющему верхний приборный слой (слой, в котором реализуются схемные элементы: транзисторы, резисторы, конденсаторы и т.д.) от р-подложки, токи утечки сток/истоковых рп-переходов оказываются существенно ниже по сравнению с обычной КМОП-структурой на объемном кремнии. Благодаря этому заряды на переключаемых конденсаторах (рис. 1, а) в режиме хранения сохраняются дольше и, соответственно, долговременная стабильность точностных характеристик АЦП улучшается. Для
Кононов Владимир Сергеевич - ОАО «СКТБ ЭС», канд. техн. наук, науч. сотрудник, тел. 8(473) 223-46-79
достижения дополнительного эффекта размеры ключевых МОП-транзисторов (стоковых областей) стараются выбирать как можно меньше, а емкости конденсаторов, наоборот, как можно больше. Однако такой подход приводит к снижению частоты преобразования АЦП, что отрицательно сказывается на производительности БА.
T
J _ГТ
Вых
б)
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)
Изложенное выше объясняет тот факт, что в космической аппаратуре до сих пор широко используют низкочастотные АЦП с архитектурами "двойного наклона" и "рекурсивного" типа [3]. В то же время, следует отметить, что такие архитектуры позволяют существенно снизить потребляемую мощность многоразрядных АЦП и в этом смысле их применение является оправданным. Тем не менее, задача повышения частоты преобразования АЦП (особенно
многоразрядных) для БА космического применения является чрезвычайно актуальной.
Целью данной статьи является разработка метода повышения точности и стойкости к воздействию ИИКП КМОП-КНИ-АЦП с высокой частотой преобразования.
По мнению ряда разработчиков космической БА в такой аппаратуре целесообразно использовать АЦП с частотами преобразования 200-1000 МГц и разрядностью не менее 12-16 бит. Однако наиболее распространенные АЦП с такими характеристиками имеют конденсаторную архитектуру и потребляют около 1,5-2,5 Вт, что по соображениям, изложенным выше, делает их малопригодными для космической БА, тем более, если учесть необходимость резервирования.
В качестве альтернативы предлагается использовать бесконденсаторную архитектуру, которая обеспечивает увеличение разрядности до 12-14 бит и частоты преобразования до ~ 1 ГГц [4-6]. Термин "бесконденсаторная" в данном случае означает отсутствие переключаемых конденсаторов, которые в так называемых конденсаторных АЦП используются для хранения промежуточной информации в виде заряда на конденсаторах.
Основная идея бесконденсаторной архитектуры заключается в устранении влияния утечек тока на точность преобразования АЦП и в использовании двух важных обстоятельств, которые рассматриваются ниже.
Первое обстоятельство основано на том, что в бесконденсаторной архитектуре количество внутренних аналоговых блоков, в первую очередь высокоточных ОУ, существенно меньше по сравнению с конденсаторной архитектурой. Если сравнить архитектуры типичного конвейерного АЦП [3] и бесконденсаторного АЦП [4-6], то можно увидеть, что в каждой секции конвейерного АЦП для вычисления ошибки преобразования используется высокоточный ОУ. Например, в 12-разрядном конвейерном АЦП количество таких ОУ может достигать 12-ти, в то время как в бесконденсаторном АЦП аналогичной разрядности [6] их всего 3 (рис. 2).
При этом в 8-разрядной секции АЦП высокоточные ОУ не применяются по принципиальным соображениям. Вместо них используются так называемые складывающие усилители [7] (в английской терминологии - folding), требования к точности которых существенно ниже по сравнению с ОУ.
В результате при разработке бесконденсаторных АЦП у разработчиков оказывается
больше возможностей для повышения точности ОУ, достижение которой обычно сопровождается увеличением потребляемой мощности. Однако при малом количестве ОУ это обстоятельство не приводит к заметному увеличению потребляемой мощности АЦП в целом.
Рис. 2. Блок-схема 12-разрядного бесконденсаторного КМОП-АЦП:
АС - аналоговый сигнал; ЦС - цифровой сигнал
Второе обстоятельство, упомянутое выше, основано на использовании метода повышения точности преобразования, который заключается в многократном дублировании процедуры свертывания преобразуемой информации в процессе преобразования [5, 6]. Такой подход, как будет показано ниже, напоминает так называемое структурное резервирование, часто используемое для повышения сбое- и отказоустойчивости БА [1]. Однако в отличие от традиционного резервирования БА на постоянной основе или путем замещения избыточными блоками, находящимися в "спящем" режиме до отказа основных блоков, в бесконденсаторной архитектуре АЦП все блоки, реализующие упомянутую процедуру свертывания, не являются избыточными. При этом отказ одного или нескольких таких блоков при попадании в них одиночных частиц космического происхожде-н ия с высокой долей вероятности не приведет к сбою. Сбой произойдет только при отказе всех блоков, что маловероятно. В данном случае можно ожидать только некоторого ухудшения точности преобразования. Однако, если учесть, что бесконденсаторная архитектура на практике предполагает использование более высокой частоты дискретизации и 4-6-кратного дублирования процедуры свертывания, ожидаемые потери точности будут незначительными.
Для иллюстрации предлагаемого подхода
воспользуемся блок-схемой и временной диаграммой синхросигналов 5-разрядной секции 8-разрядного бесконденсаторного АЦП с одним каналом свертывания преобразуемой информации [5] (рис. 3).
Вх фд Вых
1 1 - 5
Блок компараторов (24 шт) ДШ
/ "24 / ' 32
1-я
ступень свертывания
24
2-я
ступень свертывания
канал свертывания информации
/ 4
|фв1- Фв4
а)
А
1
фд фв1 Фв2 б)
Фв3 Фв4
Рис. 3. Блок-схема 5-разрядной секции 8-разрядного бесконденсаторного АЦП (а) и временная диаграмма синхросигналов (б):
ДШ - дешифратор; фо - основной (внешний) синхросигнал; фд - сигнал дискретизации; фв1-фв4 - сигналы выборки информации из последней ступени свертывания
Как видно из диаграммы (рис. 3, б), частота дискретизации в 12 раз ниже частоты выборки, которая в свою очередь в 2 раза выше частоты основного синхросигнала. При работе с монотонными входными сигналами в обычных условиях эксплуатации такая диаграмма обеспечивает приемлемую точность и устойчивость преобразования. Однако при работе с быстро-изменяющимися входными сигналами используемое соотношение частот дискретизации и основного синхросигнала является неоправданным с точки зрения обеспечения высокой точности преобразования. В контексте проведенного обсуждения архитектура (рис. 3, а) и вре-
менная диаграмма (рис. 3, б) не в полной мере отвечают требованиям космического применения.
Для устранения отмеченного недостатка в исходную 5-разрядную секцию (рис. 3, а) необходимо добавить 5 дополнительных каналов свертывания информации (рис. 4), работа которых синхронизируется сигналами дискретизации фд1-фд6, а выборка преобразованной информации производится как и в первом случае по сигналам фв1-фв4.
Вх
фо
Вых
ДШ
т
фд1-д6
' 32
Мультиплексор 24 КСВ 32 Демультиплексор
/ 24 / 32
КСВ
/ 24 / 32
КСВ
/ 24 / 32
КСВ
/ 24 / 32
КСВ
/ 24 / 32
КСВ
/ /
т-
фв1-в4
Рис. 4. Блок-схема модифицированной 5-разрядной секции АЦП:
КСВ - канал свертывания информации;
В принципе достаточно добавить 3 дополнительных канала. Однако в этом случае фазовый сдвиг сигналов дискретизации станет равным 1,5 периодам основного синхросигнала, что усложнит разработку блока синхронизации. При 5 дополнительных каналах такая необходимость не возникает. Более того, выборка информации по сигналам фв1-фв4 будет точнее и достовернее. Подробное объяснение этого эффекта выходит за рамки данной статьи.
Рассмотренная модификация не нарушает принцип построения бесконденсаторной архитектуры, согласно которому в течение одного периода дискретизации обеспечивается выполнение процедур свертывания информации и формирования текущих термокодов на входе и выходе каждого канала. При этом потребляемая мощность 5-разрядной секции АЦП увеличивается незначительно, так как эта мощность в основном потребляется блоком компараторов.
Использование модификации (рис. 4) в со-
ф
о
ставе 12-разрядного АЦП привело к дополнительному повышению его точности. Этот эффект объясняется тем, что в исходном 12-разрядном АЦП (рис. 2) обмен информацией между блоком прогноза и 5-разрядной секцией с одним каналом свертывания (рис. 3, а) происходит на частоте дискретизации, которая в 6 раз ниже частоты основного синхросигнала. При быстром изменении входного сигнала трудно ожидать высокой точности вычисления прогноза на такой частоте.
В модифицированном 12-разрядном АЦП обмен информацией между блоком прогноза и 5-разрядной секцией (рис. 4) происходит на частоте основного синхросигнала. Поэтому точность прогнозирования и, следовательно, точность АЦП в целом будет выше.
Выводы. Предложенный метод повышения точности и стойкости к воздействию космической радиации, основанный на использовании бесконденсаторной архитектуры КМОП-КНИ-АЦП с малым количеством операционных усилителей и многократным дублированием процедур дискретизации входного сигнала и свертывания преобразуемой информации, является более эффективным по сравнению с известными методами.
Литература
1. Анашин В.С. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на
бортовую аппаратуру космических аппаратов [Текст] / В.С. Анашин, В.В. Бодин, В.Ф. Герасимов [и др.]; под науч. ред. докт. техн. наук, проф. Г.Г. Райкунова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 256 с.
2. Raymond J.P. Comparison of neutron, proton and gamma ray effects in semiconductor devices [Text] / J.P. Raymond, E.L. Petersen // IEEE Trans. on Nucl. Sci. - 1987. - V. 34. - P. 1622-1628.
3. Кестер, У. Аналого-цифровое преобразование [Текст] : монография / У. Кестер; пер. с англ. Е.Б. Володина. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 c.
4. Рембеза С.И. Высокоскоростной безконден-саторный 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.
5. Рембеза С.И. Цифровое прогнозирование входного аналогового сигнала в 16-разрядном КМОП-АЦП с КНИ-подложкой [Текст] / С.И. Рембеза, В.С. Кононов // Вестник Воронежского государственного технического университета.
- 2013. - Т. 9. - №2. - С. 27-32.
6. Рембеза С.И. 12-разрядный безконденсатор-ный КМОП-АЦП с КНИ-структурой [Текст] / С.И. Рембеза, В.С. Кононов // Моделирование систем и процессов. - Воронеж. - 2013. - №4.
- С. 53-55.
7. Taft R.C. A 1,8-V 1,6-GS/s 8-b Self-calibrating Folding ADC with 7,26 ENOB at Nyquist frequency [Text] / R.C. Taft, C.A. Menkus, M.R. Tursi [et al.] // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2004. - Vol. 39.
- №12. - P. 2107-2115.
ОАО «Специализированное конструкторско-технологическое бюро электронных систем», г. Воронеж
TECHNIQUE FOR INCREASE OF ACCURACY AND RADIATION HARDNESS OF CMOS-SOI-ADC WITHOUT SWITCHED CAPACITORS FOR SPACE APPLICATIONS
V.S. Kononov
Basic mechanisms of CMOS-SOI-ADC degradation under impact of cosmic ionizing radiation are considered. A technique for increase of accuracy and radiation hardness of conversion in 12-bit CMOS-SOI-ADC without switched capacitors for space applications is described
Key words: ionizing radiation, ADC, CMOS-SOI
