Цифровое прогнозирование входного аналогового сигнала в 16-разрядном КМОП-АЦП с кни-подложкой Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК681.324.687

ЦИФРОВОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВХОДНОГО АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА В 16-РАЗРЯДНОМ КМОП-АЦП С КНИ-ПОДЛОЖКОЙ С.И.Рембеза, В.С.Кононов

Предложены способ цифрового прогнозирования входного аналогового сигнала и нерекурсивная архитектура 16-разрядного КМОП-АЦП на его основе

Ключевые слова: аналоговый сигнал, прогнозирование, КМОП-АЦП, архитектура

В настоящее время в специальной

аппаратуре широкое распространение получили КМОП-АЦП с конденсаторной архитектурой, которые рассматриваются как наиболее экономичные и

конкурентно-способные по точности и скорости преобразования. Однако опыт

эксплуатации таких АЦП, накопленный за

последние годы, говорит о недостаточно

высокой надежности и стабильности точностных характеристик из-за влияния токов утечки р-п переходов, которые существенно деградируют в процессе эксплуатации.

В результате этого возникло мнение, что применение конденсаторных архитектур следует ограничить низкоскоростными АЦП с большими значениями емкостей встроенных конденсаторов и по возможности использовать такие конденсаторы только в устройствах выборки и хранения (УВХ). В специальных высокоскоростных КМОП-АЦП с частотой преобразования выше 100 МГц даже такая возможность не всегда приемлема. В [1...7] предлагается использовать вместо УВХ устройства предсказания величины входного аналогового сигнала, которые позволяют полностью исключить использование конденсаторов в составе АЦП. Однако реализация таких устройств в многоразрядных (12...16 бит) АЦП предполагает использование двухсекционной архитектуры и усилителей сигналов ошибок преобразования (УСОП) с высокими коэффициентами усиления КУк 2п, где п-разрядность секции АЦП. К сожалению это условие можно выполнить только при использовании биполярной или Би-КМОП технологий, которые мало пригодны для специальной аппаратуры. В тоже время КМОП технология, как показывает практика проектирования УСОП, не позволяет достичь

Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8 (473) 243-76-95 Кононов Владимир Сергеевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (473) 223-46-79

КУ>7...8 в полосе частот 100...200 МГц (при проектных нормах 0,18 мкм). Поэтому полностью исключить УВХ в КМОП-АЦП пока не представляется возможным. Однако известно, что наибольшее влияние на точностные характеристики КМОП-АЦП оказывает входное УВХ. Отсюда

напрашивается вывод, что в КМОП-АЦП целесообразно исключить входное УВХ и заменить его устройством предсказания аналогового сигнала. При этом во внутренних (конвейерных) секциях сохраняется

возможность использования УВХ, но уже с более низкими требованиями по точности. Такая идея, в частности, рассматривается в [8]. Однако на наш взгляд идея [8] сложна в реализации и, в целом, недостаточно эффективна.

I. Способ цифрового прогнозирования

Основная идея предлагаемого способа заключается в том, что прогнозное значение входного сигнала определяется на основе двух предварительных оцифровок аналогового сигнала, предшествующих ближайшему отсчету этого сигнала.

Определение прогнозного значения входного сигнала осуществляется в следующей последовательности (рис. 1) :

- в момент 11-1с помощью малоразрядных(3.. .4

бит) АЦП и ЦАП производится цифровая оценка иа;_г (иц1-г) и обратное

преобразование иц;_г в аналоговую форму (иа;_х) по, так называемой, грубой шкале. Вычисленные таким образом значения иц;_х и иа;_х запоминаются;

- в момент ^аналогичным образом

определяется Ш; и, одновременно,

вычисляется и запоминается аналоговый прогноз на момент 1:1+1 :

иа;+1 = + 2(Ш; - ,

Рис. 1. Иллюстрация построения прогнозного значения входного сигнала

который в общем случае отличается от своего точного эквивалента иа;+1(см. рис. 1);

- в момент 1:1+1 вычисляется сигнал ошибки

Диа1+1 = иа

¡+1

иаГ+1

Затем этот сигнал усиливается и фиксируется УВХ.

В следующие моменты времени осуществляется конвейерное преобразование и коррекция результата по известному алгоритму.

II. Архитектура 16-разрядного КМОП-АЦП с цифровым прогнозом входного сигнала

На рис. 2, 3 показаны блок-схема

КМОП-АЦП и временная диаграмма его работы. СинхронизацияКМОП-АЦП выполняется с использованием 8 тактовых сигналов с одинаковым сдвигом по фазе. Такая организация процесса синхронизации позволяет совместить в одном конвейере различные по архитектуре секции АЦП.

Первая секция построена на основе двух 4-разрядных АЦП, подключенных к аналоговому входу и тактируемых сигналами Ть Т2, двух аналогичных по разрядности ЦАП, соединенных с этими АЦП, двух аналоговых вычитателей и двух усилителей по модулю 2 и 8 соответственно. Эта секция осуществляет цифровой прогноз входного сигнала, вычисляет сигнал ошибки и запоминает его в УВХ, тактируемом сигналом Т3. С этого УВХ начинается вторая секция, а с УВХ, тактируемого сигналом Т6, - третья секция.

Рис.2. Блок-схема 16-разрядного КМОП-АЦП: Т1. Т8 - тактовые сигналы;

Вх - аналоговый вход;

Вых - цифровой выход

Блок цифровой коррекции

Т1

_п.

Рис.3. Временная диаграмма 16-разрядного КМОП-АЦП:

Т1.Т8

тактовые сигналы

Как видно из рис. 2, эти секции построены на основе известного метода конвейерного преобразования с использованием в рассматриваемойархитектуре унифицированных АЦП и ЦАП разрядностью 4 бит.

Вторая и третья секции совместно с блоком цифровой коррекции обеспечивают вычисление 16-разрядного кода по точной шкале.

Определение цифрового прогноза (момент ^на рис. 1) осуществляется при первом

цифровом отсчете с помощью 4-разрядного АЦП, тактируемого сигналом Т1 (активный уровень - лог. 0). Код цифрового прогноза передается по заднему фронту Т1(при переходе отлог. 0 к лог. 1) в блок цифровой коррекции и, одновременно, в 4-разрядный ЦАП, который осуществляет обратное преобразование

цифрового кода в аналоговую форму (иа^_1). Так как компараторы в 4-разрядном АЦП сохраняют свое состояние до прихода очередного импульса Ть то напряжение иа ¡_1 также сохраняет свое значение в течении этого времени.

Второй цифровой отсчет (момент ^на рис.1) осуществляется с помощью

аналогичного АЦП по тактовому сигналу Т2 (активный уровень - лог. 0). Цифровой код с выхода этого АЦП передается по заднему фронту Т2 в 4-разрядный ЦАП, который преобразует его в аналоговую форму (иа?). После этого с помощью усилителя по модулю 2 и аналогового вычитателя вычисляется и

сохраняется аналоговый прогноз на момент прихода тактового сигнала Т3 :

иа ;+1 = 2Ш; - иа ;_1.

Сохранение значений иа; и

иа^+і

обеспечивается аналогично иа ¡_1.

В момент прихода сигнала Т3 (момент Ъ+1на рис. 1) происходит сравнение входного сигнала иа;+1 с иа^+1. Одновременно с помощью аналогового вычитателя и усилителя по модулю 8 вычисляется и усиливается сигнал ошибки

Диа,+1= иа1+1-иа?+1,

а затем усиленное значение этого сигнала запоминается в УВХ, тактируемом сигналом Т3. Так как максимальное значение Диа;+1 может составлять около 1 емр (единица младшего разряда) по грубой шкале (шкале 4-разрядного АЦП) и, в общем случае, как показали исследования, даже превышать это значение на 20.25%, то коэффициент масштабирующего усиления усилителя выбран равным 8. Это условие необходимо для того, чтобы усиленный сигнал ошибки заполнил половину входного диапазона 4-разрядного АЦП, тактируемого сигналом Т4. В результате 3 младших разряда этого АЦП направляются непосредственно в блок цифровой коррекции, а старший разряд используется при коррекции ошибки по известной технологии [9]. Аналогичным образом осуществляется коррекция ошибок во второй и третьей секциях 16-разрядного КМОП-АЦП. Подробное рассмотрение работы этих секций не представляет особого интереса, так как они построены по известной конвейерной архитектуре. В завершение рассмотрения архитектуры отметим, что в качестве УВХ были использованы устройства, рассмотренные в [10] (рис. 4).

Т

Вх .

-Вых

—— С

--1— '-'хр

Рис.4. Принципиальная электрическая схема УВХ (половина):

Т0- ключевой транзистор;

Схр- емкость хранения;

Т - тактовый сигнал;

Вх, Вых- вход и выход

Т

2

Т

3

Т

4

Т

5

Т

6

Т

7

Т

8

III. Заключение

Литература

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

1. Традиционные конвейерные

КМОП-АЦП с конденсаторной архитектурой не в полной мере отвечают требованиям по точности и надежности преобразования, предъявляемым к аппаратуре специального назначения. Для улучшения этих характеристик предложено минимизировать использование встроенных конденсаторов в АЦП, а вместо входного УВХ использовать устройство цифрового прогноза аналоговых сигналов.

2. Предложен способ цифрового

прогнозирования, отличающийся от

существующих тем, что прогнозные значения аналоговых сигналов определяются на основе двух оцифровок сигналов, предшествующих вычислению и усилению сигнала ошибки преобразования.

3. Предложена нерекурсивная архитектура 16-разрядного КМОП-АЦП с КНИ подложкой, в которой встроенные конденсаторы (4 шт) используются только в двух внутренних УВХ с невысокими требованиями по точности преобразования.

1. U.S. Patent №5,266,952 - WadeJ. Stone et. al. (1993): Feed forward predictive Analog-to-digital converter.

2.U.S. Patent №6,100,834 - Lanny L. Lewyn (2000): Recursive multi-bit ADC with predictor.

3. U.S. Patent №6,590,517B1 - Eric J. Swanson (2003): Analog to digital conversion circuitry including backup conversion circuitry.

4. U.S. Patent №6,590,513B2 - Philip S. Stetson et. al. (2003): Data acquisition system using predictive conversion.

5. United States Patent Application Publication №US2006/0158365 - Kent Kernahanet. al. (2006): Predictive analog-to-digital converters and methods of using.

6. United States Patent Application Publication №US2007/0188364A1 - Bruce A. Fette (2007): High dynamic range analog-to-digital converter architecture.

7. U.S. Patent №7,609,185B2 - Kent Kernahanet. al.

(2009): Methods of using predictive analog-to-digital

converters.

8. Волков И.В. Оценка параметров модели

многоразрядного быстродействующего

аналого-цифрового преобразователя, использующего метод предсказания / И.В. Волков, С.В. Румянцев, Ю.М. Фокин // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковыеприборы. - 2011. - вып. 1 (226), с.36-44.

9.У. Кестер. Аналого-цифровое преобразование / пер. с англ. / - М.: Техносфера. - 2007. - 1016 с.

10.РембезаС.И.Влияние импульсных ионизирующих излучений на усилители выборки/хранения с КМОП-структурой и подложкой «кремний на изоляторе» / С.И. Рембеза, В.С. Кононов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. -Т.7. - №3.С. 8-11.

BopoHe^CKHHrocygapcTBeHHbiHTexHHHecKHHyHHBepcHTeT

DIGITAL PREDICTION OF ANALOG INPUT SIGNAL IN 16-BIT SILICON-ON-INSULATOR CMOS ADC S.I. Rembeza, V.S. Kononov

A technique for digital prediction of analog input signal and non-recursive architecture of 16-bit ADC, based on this technique, are offered

Key words: analog signal, prediction, CMOS-ADC, architecture