автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование возможностей создания прецизионных АЦП на коммутируемых конденсаторах

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

На правах рукописи Сидоров Андрей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОЗДАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ АЦП НА КОММУТИРУЕМЫХ КОНДЕНСАТОРАХ

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в аанкт-Пвтербургском государственном электротехническом университете имени р.И.Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

кандидат технических наук дЬцент ГРУШВИЦКИЙ Р.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор ЧЕРНЯВСКИЙ Е.А.

кандидат технических наук ВОРОТОВ A.A.

Ведущая организация - Научйо-исследовательский институт "ГИРИКОНД", г. Санкт-Петербург.

Защита состоится "3/" {Ab&p'MtL 1995г. в Ц_ часов на-заседании диссертационного совета'К 063.36.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического укиверситета имени В.И.Ульянова (Ленина) по адребу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д.5. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрков Ю.В,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность- проблемы. При создании на основе средств вычислительной техники современных автоматизированных систем управления технологическими процессами' (АСУТП), информационно-измерительных систем (ШС), а также высококлассных изделий бытовой электроники важнейшей задачей является улучшение качественных показателей подсистемы ввода-вывода аналого-цифровой информации, основными- узлами которой являются преобразователи формы информации (ЦФИ). Наиболее распространенные представители современных ГШ - аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи. Постоянно возрастают требования по обеспечению работы АЦП и ЦАП в жестких эксплуатационных, условиях при сохранении0вы-сокой точности преобразования, по повышению быстродействия и надежности, по'снижению габаритно-массовых показателей и энерго- о потребления. Это'доказывает целесообразность разработки отечественных- прецизионных АЦП Jf ЦАП с диапазоном быстродействия в пределах 5-20 мкс при разрешающей способности 14-18 двоичных разря-' дов.'

В настоящей работе исследуются -проблемы создания прецизионных высокопроизводительных АЦП, построенных на схемотехнике коммутируемых конденсаторов в интегральном исполнении.

Современная технология обеспечивает получение достаточно высоких точностных характеристик АЦП. Однако возможности схемотехники и технологии-, связанные с разработкой и применением высококачественных элементов и узлов преобразователей, имеют определение пределы. Даже при использовании сложных и дорогостоящих опергций подгонки ПФИ с целью повышения точности, современные технологические способы не обеспечивают в настоящее время создание прецизионных АЦП, сохраняющих высокую точность преобразования (0,002 процента и выше) при долговременной эксплуатации в широкои температурном диапазоне.

В настоящее время сформировалась и относительно быстро достигла фелости новая область электроники, опирающаяся на применение коммутируемых конденсаторов (КК). Конденсаторы с поликремниевыми обкладками .отличаются стабильностью характеристик, а

значения емкостей, получаемых в ходе технологического процесса, хорошо согласуются с заданными номиналами. По технологической точности изготовления, а также по температурной и временной стабильности конденсаторы не уступают, а в разработках ряда фирм превосходят высокоточные элементы других типов и, в частнйсти, тонкопленочных резисторов.. Характеристики цепей на переключаемых конденсаторах определяются отношением емкостей конденсаторов, которые выдерживаются значительно легче, чем их абсолютные Значения. .Кроме того, конденсаторы более технологичны для интегральной реализации, чем резисторы.

В связи с этим перспективна реализация высокопроизводительных интегральных АЦП на основе схемотехники КК. Преимущество схем на коммутируемых конденсаторах по сравнению с АЦП на резис-тивных делителях тока и напряжения состоит в совместимости по технологии с современными стандартными КМОП цифровыми узлами, малом потреблении мощности и возможности совмещения функций преобразования и запоминания аналогового сигнал??. Недостатки интегральной реализации АЦП КК, состоящие в Трудности обеспечения точных геометрических размеров конденсаторов на кристалле и значительном влиянии паразитных емкостей могут быть преодолены за счет использования структурных методов улучшения характеристик.

Структурные методы улучшения характеристик АЦП, 6 том числе повышение точности и быстродействия, а также улучшение помехозащищенности и надежности, нашли широкое отражение в работах научных. коллективов, руководимых А.Н.Кондалевым, В.Б.Смоловым, А.П.Стаховым , А.Н.Касперовичем и другими. Известны разработки в этом направлении и ряда ведущих зарубежных фирм (Analog Devices Inc., Вшт-Вгота Reasearch Corp., Crystal Semiconductors Оэгр, и др.). Однако описания реализации этих методов конкретно для АЦП КК носят разрозненный и поверхностный характер, что делает актуальными исследования структурных, алгоритмических и схемотехнических особенностей построения прецизионных преобразоватэлей на основе схемотехники коммутируемых конденсаторов.

¿Специфика схем на коммутируемых конденсаторах требует пересмотра вопросов, уже исследованных для резистивных /ЦП, и решения целого ряда новых проблем. Необходимо на различил, уровнях детализации (от структуры до схемотехники) проанализировать пути

достижения совокупности показателей разрядность-быстродействие. Большую важность при этом приобретает как структурная реализация схемы преобразователя, так и выбор метода и структурно-алгоритмического построения процедуры коррекции, обеспечивающих при сложившейся технологии минимизацию погрешностей. Для рассматриваемых диапазонов точности и быстродействия большую важность имеет исследование влияния коммутационных помех, точности перезаряда емкостной матрицы даже для предельно упрощенной схемы АЦП КК, сведенной к цепи типа ключ-конденсатор-усилитель.

Свойственные для преобразователя йа коммутируемых конденсаторах комбинации специфических и традиционных режимов работы АЦП КК требуют поиска новых структур и методик разработки для построения компаратора, входящего в состав преобразователя. Сложность такого устройства и противоречивые требования к компаратору в различных режимах требуют найти решения, позволяющие реализовать блоки компаратора с приемлемыми характеристиками, а также .исследовать зависимость последних от параметров компонент. Дополнительного исследования требуют особенности построения типовых фрагментов компаратора. Актуальной является задача создания методики проектирования устройств подобного класса.

Проектирование и производство ИС прецизионных АЦП существенно отличается от традиционных. Совокупность специфических свойств преобразователей выдвигает задачу создания и использования специальных средств проектирования и исследования на различных этапах создания.высокопроизводительных АЦП от предварительной разработки схемы до' серийного выпуска изделия. Многовариантность задач проектирования и большие затраты на обработку и проверку рабочих версий требуют организации автоматизированных исследований. Необходимо осуществить правильный выбор уровней и средств моделирования, а также адекватных каждому уровню параметров моделей компонент. При интегральной реализации БИС АЦП возникает проблема сложности, а иногда и невозможности прямого определения источников ухудшения характеристик. В связи с этим необходима разработка специфической структуры тестовых образцов, методики их экспериментального исследования. Требуется разработка структуры и взаимодействия аппаратных и программных средств, совокупность которых может применяться для исследования тестовых.

кристаллов, испытаний опытных образцов, тестирования и измерения параметров готовых изделий как в процессе производства, так и во время эксплуатации. Большой интерес представляет оценка возможной организации встроенной схемы самодиагностики АЦП и разработки на ее основе методики контроля и тестирования БИС АЦП.

Цель работы. Исследование применимости существующих и разработка новых структурных и схемотехнических решений и .методик, используемых при создании интегральных прецизионных АЦП с учетом реализации последних на кошутируемых конденсаторах.

Методы исследования. Научные исследования в рамках диссертационной работы проводились с использованием теории электрических цепей, теории погрешностей и математической статистики, а также с применением элементов теории устойчивости.и математического моделирования. Применялись натурные эксперименты и компьютерная обработка-результатов.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в развитие теории и схемотехники коммутируемых конденсаторов применительнс к прецизионным интегральным АЦП. Основные научные результаты, выносимые на защиту: -

1. Структура и схемотехнические особенности реализации мно-гоступёнчатых схем АЦП на коммутируемых конденсаторах, ориентированных на достижение разрешающей способности 14-18 разрядо! при быстродействии 5-20 мкс.

2. Комбинированный метод коррекции погрешностей АЦП КК^ его алгоритмическая и схемотехническая реализация для многоступенчатых структур преобразователя.

3. Структурные решения для построения компаратора, входящег го в состав АЦП КК и обеспечивающего работу преобразователя г специфических режимах.

4. Методика автоматизации исследований и совокупность аппаратно-программных средств для организации разноплановых комплексных экспериментов с тестовыми•образцами и серийными изделиями.

практическая ценность, разработаны структуры и схемотехнические решения типовых фрагментов, позволяющие на основе стандартных КМОП-технологий строить АЦП с временем преобразования е диапазоне 5-20мкс при разрешающей способности 14-18 двоичных

разрядов. Разработан и отлажен комплексный стенд, состоящий иЗ аппаратных средств и программного обеспечения и позволяющий исследовать прецизионные АЦП на различных этапах создания серийного изделия. Даны рекомендации по построению высококачественных АЦП, учитывающие специфику схемотехники коммутируемых конденсаторов.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались:

- в НПО '"Альфа" при создании преобразователей с автокоррекцией;

- в НИР "Исследование методов автоматического контроля и коррекции каналов ввода-вывода аналоговой информации", выполненной в СПбГЭТУ имени В.И. Ульянова (Ленина);

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 48-й научно-технической конференции, посвященной дню Радио (Санкт-Петербург, 1993); на семинаре "Аналого-цифровые преобразователи на коммутируемых конденсаторах" в Щецинском политехническом университете (Польша, Щецин, 1993); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ имени В.И.Ульянова (Ленина) и Мордовского ГУ имени Н.П.Огарева в 1991-1994 гг.

оПубликации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, в том числе -3 статьи и тезисы доклада на конференции.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 138 наименований, и двух приложений. Основная часть«работы изложена на 150 страницах машинописного текста. Работа содержит 4 таблицы и 37 иллюстраций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи диссертации, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе произведен обзор современных тенденций построения и производства высокопроизводительных прецизионных АЦП. Дан краткий анализ основных методов повышения точности интегральных АЦП высокой разрешающей способности. Обоснована перепек-

тивность создания прецизионных преобразователей, реализовании* на коммутируемых конденсаторах по стандартной КМОП-технологии на основе методов уравновешивания с автоматической коррекцией. Определены направления исследований.

Анализ характеристик современных интегральных преобразователей показал, что в настоящее время наилучшими параметрами обладают прецизионные АЦП, построенные либо на на методах дельта-сигма модуляции (ДСМ) либо на методах уравновешивания.

. К достоинствам АЦП ДСМ можно отнести: возможность увеличения разрешающей способности за счет увеличения времени интегрирования, малое количество аналоговых структур, устранение влияния помех от источника питания за счет'наличия ФНЧ. Однако такие преобразователи имеют и существенный недостаток: принципиальная значительная задержка в получении результата, т.е. невозможность работы АЦП в мультиплексном режиме, что неприемлемо для целого ряда применений аналого-цифровых Преобразователей.

Необходимым комплексом свойств по разрешению и быстродействию обладают преобразователи, опирающиеся на методы уравновешивания входного сигнала. Данные АЦП не имеют значительной задержки в получении результата и характеризуются не рекордной, не достаточной для многих приложений разрешающей способностью. Такие преобразователи могут работать в многоканальном режиме с большей (по сравнению с АЦП, построенными на иных методах) скоростью. Хотя и имеются определенные сложности реализации прецизионных блоков АЦП данного класса, но использование методо: подстройки с,целью снижения погрешностей в конечном счете позволяет получить достаточно дешевые и надежные интегральные преоб разователи. Структуры подобных АЦП требуют дополнительных исслг дований на различных уровнях проектирования.

В результате анализа методов повышения точности АЦП выявле ны отличительные особенности технологических и структурных мето дов. Первые метода являются традиционными. Они базируются н развитии и совершенствовании технологии производства ИС преобра зоватйпей и их основных компонентов и определяются уровнем ис пользуемого оборудования. К таковым можно отнести использоваш совмещенных технологий, разновидности функциональной и лазернс подгонки. Значительными недостатками технологических методов яг

ляются: высокая стоимость, устранение только технологических разбросов, необходимость выполнения подгонки до помещения кристалла в корпус и т.д.

В отличие от технологических применение структурных методов преследует своей целью создание высокоточных ГШ на основе компонентов относительно невысокого класса точности с использованием различного рода структурной или алгоритмической избыточности. В связи с этим следует подчеркнуть перспективность использования структурных методов повышения точновти АЦП и ЦАП, так как они могут с успехом применяться при любом уровне технологии. Более того, повышение степени интеграции дает возможность встраивать в структуры АЦП дополнительные аппаратные средства и создавать самокорректирующиеся преобразователи, обладающие высокой точ^Ьстыо преобразования при ограниченной точности своих компонентов.

Среди структурных методов наиболее перспективными являются методы автокоррекции, когда с помощью дополнительных блоков происходит вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин и формирование корректирующего воздействия. Хотя автокоррекция и приводит к усложнению схемы, но это единственный метод, оперативно устраняющий погрешность'независимо от причины возникновения - технологической, временной или температурной. Данный метод переносит внимание с изготовления аналоговых элементов на цифровые, что делает ИС проще и дешевле,упрощает выходной контроль и предварительную разбраковку, увеличивает процент» выхода годных изделий при изготовлении за счет снижения требований к технологии.

В главе показано,что методы автокоррекции достаточно просто" реализуются при построении АЦП на основе схемотехники коммутируемых конденсаторов. Однако в АЦП КК некоторые проблемы достижения необходимого уровня точности существенно смещены, что требует несколько иного (в отлитие от резистивных АЦП) подхода к реализации как на структурном, так и на схемотехническом уровнях.

В АЦП на коммутируемых «конденсаторах может отсутствовать УВХ, т.е. снимается проблема неидеальности передаточных характеристик последнего. Однако возникает задача заряда конденсаторной матрицы с заданной точностью за ограниченный интервал времени.

Для АЦП КК в отличие от традиционных в большей степени сказывается влияние коммутационных помех и паразитных емкостей. Для существующей технологии необходимо выяснить диапазон регулировок и структуру конденсаторной сетки для организации автокоррекции, уточнить схемотехническую реализацию блоков.

Компаратор в АЦП КК для данного уровня прецизионности должен иметь не только разрешающую способность на уровне десятков микровольт, но и высокие динамические характеристики. Необходимо исследовать возможность компенсации дрейфов в различных режимах работы преобразователя. Требуется детальная проработка структуры компаратора и его элементов с учетом специфики АЦП КК.

Ввиду специфичности прецизионных АЦП на коммутируемых конденсаторах необходима разработки методик и рекомендаций, а также средств исследования, охватывающих процесс создания устройства от функционального моделирования до производства серийных изделий.

Во второй главе основное внимание уделено особенностям реализации конденсаторной матрицы АЦП на коммутируемых конденсаторах с автокоррекцией.

При смене базы для эталонного элемента на конденсаторную в результате процедуры кодирования входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код, значение которого пропорционально отношению суммарной емкости конденсаторов, подключенных к источнику опорного напряжения, к суммарной емкости заземленных конденсаторов. Осуществлено сравнение различных вариантов построена АЦП КК и признана наиболее целесообразной реализация устройств на основе схем с перераспределением заряда.

Показано, что для разрешающей способности 14-18 двоичны, разрядов чисто технологически невозможно выдержать требуемые со отношения весовых емкостей в степенях двойки с точность 0,04-0,002 процента. Решение' проблемы состоит.в выборе рацио нальной структуры АЦП и применении методов коррекции.

Произведен анализ особенностей реализации алгоритмов кор рекциипогрешностей для АЦП КК, дано их сравнение по критерш простоты алгоритма, достигаемой точности и параметрам технолоп ческой реализации. Показано, что для построения на основе схем( техники коммутируемых конденсаторов 14-18 разрядных преобразов;

телей с быстродействием 5-20 мкс наиболее целесообразно использование предлагаемого в данной работе комбинированного метода коррекции. При этом погрешности технологической реализации конденсаторов корректируются за счет индивидуальных корректоров, а погрешности суперпозиции компенсируются использованием общего корректора. Несмотря на сложность организации, представляется, что это комбинирование позволит существенно уменьшить зависимость характеристик преобразователя от технологической базы и в перспективе достичь по разрешающей способности рубежей в 18-20 •разрядов.

Проведенный в работе анализ технологической реализуемости в рассматриваемом диапазоне прецизионности показал целесообразность использования активных многоступенчатых схем ЦАП.на основе двоично взвешенных матриц конденсаторов. Описана процедура кодирования для многоступенчатой структуры и признано рациональным, старшую ступень в АЦП Kit строить по процедуре перераспределения заряда, а в младшей ступени -использовать прямое кодирование, т.к. схемы с перераспределением зарядов существенно точнее из-за отсутствия влияния нелинейности интегральных конденсаторов, а схемы с -прямым кодированием проще по организации процедуры и экономичнее по использованию коммутационных элементов. Даны рекомендации по реализации самокорректирующегося АЦП КК с активной младшей ступенью.

Разработаны алгоритмы выполнения известных процедур коррекции применительно к АЦП КК. На их основе предложена наиболее рациональная последовательность корректирующих действий в многоступенчатых АЦП для различных коммутационных элементов. Предложена двухступенчатая система коррекции, даны рекомендации по организации ступеней как самого преобразователя, так и цепей коррекции.

Кроме точности изготовления конденсаторной матрицы в общую погрешность АЦП значительный вклад вносят и другие источники погрешностей: конечность коэффициентов усиления ОУ, неидеальность параметров источников входного и опорного напряжений, паразитные параметры ключей и т.д.

Уменьшение их влияния может достигаться как структурно-схемотехническими, так и схемотехническими методами. В работе оце-

нено возможное снижение (при использовании схемных методов) коэффициента усиления согласующего ОУ в схеме многоступенчатого АЦП КК для различной разрешающей способности преобразователя.

Для режима начального заряда показана целесообразность организации двухтактной (грубой и точной) процедуры с буферизацией в режиме грубого заряда источников входного и опорного напряжений. При этом удается снизить требования как к параметрам источников, так и к зарядным ключам АЦП.

В результате анализа влияния коммутационных помех на процесс перезаряда весовых емкостей в АЦП КК для достижения задан-^ ной разрешающей способности найдены методы подавления помех» состоящие в подключении дополнительных шунтирувдих емкостей и дублировании коммутационных элементов в старших разрядах. Порчены значения шунтирующих емкостей для типовых номиналов весовых конденсаторов АЦП КК. Определено, что минимальная погрешность достигается при соотношении количества параллельных ключевых транзисторов М(М-1)-(М-2)-...-1-1, где М - число ключей в старшем разряде, растущее пропорционально разрешающей способности АЦП. Данные методы позволяют осуществлять кодирование на уровне 14-18 двоичных разрядов.

Третья глава •посвящена специфическим вопросам проектирования компаратора для прецизионного АЦП КК.

Специфические режимы работы преобразователя с автокоррекцией выдвигают различные требования к компаратору. И хотя в каждом из режимов необходимо решить "классические" проблемы разработки, различие приоритетов в характеристиках (имеющих пределы для сложившейся технологии), требует на только традиционного схемотехнического проектирования, но и введения этапа предварительного проектирования компаратора на структурном уровне.

На этапе структурного проектирования оценена применимость основных подходов, целесообразных для Построения сравнивающей части компаратора, совместимого с технологией коммутируемых конденсаторов. Наилучшей совокупностью свойств обладает компаратор, построенный на основе бистабильной ячейки. Проанализированы возможные варианты построения схемы начального заряда емкостей матрицы ЦАП как непосредственно через ключи, так и с участием компаратора. Показано, что в связи со значительным влиянием комму-

тационных помех ключей и паразитных емкостей схемы целесообразно использовать структуры с обратными связями. За счет охвата компаратора петлей обратной связи начальный заряд (ввиду большого коэффициента усиления) осуществляется за счет "виртуальной земли" общей точки конденсаторной матрицы. Блоки компаратора при этом должны работать в специальном режиме, который в дальнейшем будем называть режимом зануления. Отмечено, что понятие "виртуальная земля" в общем случае справедливо с большой точностью лишь для статических схем, что необходимо учитывать при проектировании. Едва ли возможно создать на современной отечественной технологической базе одноканальную активную схему, одновременно имеющую необходимые характеристики для различных режимов работы АЦП. Предложено решать данную проблему за счет структурных изменений схемы, т.е. создания двухканальной структуры, когда в режиме зануления используется один канал компаратора, а в режима! коррекции и кодирования - другой. При этом обеспечивается необходимая устойчивость и минимизация влияния напряжения смещения.

На этапе структурно-схемотехнического проектирования определены характеристики блоков и произведено . исследование рационального временного взаимодействия элементов структуры. Для'-режима кодирования произведено исследование бистабильной ячейки для определения минимального времени срабатывания, а также требований к управляющим сигналам и каскадам предварительного усиления. Для режима начального заряда проведены исследования зависимости длительности времени разряда (через канал зануления) типового конденсатора старшего разряда ЦАП в зависимости от параметров (коэффициент усиления, выходное сопротивление, скорость нарастания выходного напряжения) компаратора. Результаты позволяют определить значения этих параметров, удовлетворяющие заданному быстродействию АЦП. Полученные данные подтвердили целесообразность совмещения схемы, зануления со схемой сравнения на двухканальной основе: быстрый канал предварительного зануления при одновременной буферизации входных сигналов и относительно медленный канал точного зануления. Показано, что для предложенной структуры ЭДС смещения дополнительных блоков, приведенная ко входу компаратора, не оказывает существенного влияния на точность кодирования. Длительность начального заряда при этом лежит

в диапазоне 0,5-2 мкс. Путем моделирования определено рациональное соотношение длительности работы каналов с целью минимизации времени перезаряда для различных разрядностей АЦП.

На схемотехническом этапе произведен анализ применимости стандартных схемотехнических КМОП-элементов для устройств подобного класса точности и быстродействия. К наиболее важным можно отнести рассматриваемые в данной работе вопросы термостабилизации, минимизации шумов, компенсации напряжения смещения нуля (и его дрейфа) и устойчивости.

Исследована реализация дифференциального каскада с улучшен ными (с точки зрения минимизации влияния градиента температуры) характеристиками. Дана методика определения точки температурной автокомпенсации. Произведен анализ шумов различного »рода, иссл£>-: дованы путй их минимизации.

Для.устранения влияния напряжения смещения нуля усилителя выделено два основных способа: расширение соответствующих блоков схем с переключаемыми конденсаторами путем введения дополнительных узлов'или использование усилителей специальной конструкции (с преобразованием, и внутренней коррекцией напряжения смещения нуля и дрейфа)». Произведен анализ и исследоваоие подобных схем и показана область их применимости. Более подробно рассмотрены возможные структуры усилителей с периодической компенсацией дрейфа нуля, обладающие наилучшими точностными свойствами.

Исследована проблема правильного выбора цепи компенсации для обеспечения необходимого запаса устойчивости при работе каскадов проектируемого компаратора на емкостную нагрузку. Наиболее рационально в качестве корректирующей использовать небольшую емкость, номинал которой увеличивается вследствие эффекта Миллера. Произведена оценка зависимости величины корректирующего конден- • сатора от параметров усилительных каскадов. В результате компенсации создается единственный доминирующий полюс и осуществляатся сдвиг всех других полюсов (в том числе и обусловленных паразитными емкостями) в область высоких частот.

Четвертая глава посвящена разработке методов и средств исследований высокопроизводительных АЦП КК в интегральном исполнении.

; Высокая точность аналоговых элементов, достаточно сложная

структура цифровой части, большая разрешающая способность при гвпсоком быстродействии требует создания и использования специальных средств проектирования и исследования на всех этапах создания высокопроизводительных АЦП.

Хотя проектирование высокопроизводительных АЦП подразделяется на предварительную разработку схемы, изготовление и исследование экспериментальных образцов и серийный выпуск изделия, при таком разделении целесообразно предусмотреть единство методов и средств, используемых на каждом из этапов.

Сложность структуры и схемотехники разрабатываемого устройства и невозможность макетирования с помощью дискретных компонентов увеличивают значимость результатов машинного проектирования. При выполнении диссертационной работы в качестве основного инструмента моделирования использовался пакет PSpJ.ce. Такие достоинства пакета, как высокая сходимость процессов моделирования, возможность ввода описания схемы в различном виде и др. позволяют использовать PSpi.ce На различных этапах разработки как отдельных блоков, так и АЦП в целом. Рассмотрены целесообразные уровни детализации исследуемого устройства для получения - адекватных результатов проектирования при обычно существующем компромиссе между сложностью исследуемых схем и временем их моделирования. Предложены рекомендации по возможным упрощениям схемы, дана методика использования пакета для получения требуемых характеристик блоков АЦП.

Одним из важнейших этапов при разработке прецизионных АЦП КК становится получение экспериментальных данных о характеристиках основных компонентов. Традиционным путем получения экспериментальных данных при отработке новых семейств интегральных схем является разработка структуры и схемотехники специальных тестовых кристаллов, а затем их изготовление и комплексное исследование. Невозможность достоверно оценить источники и степень влияния погрешностей в опытном образце приводит к необходимости косвенными методами измерять погрешности основных компонент разрабатываемого АЦП. Это в' свою очередь предопределяет функциональный состав тестовых кристаллов, в которые следует включать как узлы проектируемого АЦП, так и элементы, обеспечивающие проведение исследований. В работе предложена структура и состав та-

кого тестового кристалла. В качестве оснорных особенностей структуры тестовых кристаллов выделены перестраиваемость взаимодействия элементов тестовых кристаллов и гибкость управления (внутреннего и внешнего). Это позволяет рекомендовать данную структуру и методику ее использования как основу для проектирования прецизионных АЦП КК. Показано, что такие тестовые кристаллы совместно с микроконтроллером могут использоваться в качестве законченных преобразователей.

Усложнение структур современных АЦП, а соответственно и тестовых кристаллов, а также непредсказуемость наиболее "узкого" места в тестовых образцах требует разработки адекватного управления с возможностью накопления статистических данных. Представляется целесообразным в едином .программнр-аппаратно^ комплексе совместить модуль для исследований тестовых кристаллов, испытаний опытных образцов, тестирования и измерения параметров готовых изделий как в процессе производства, так и во время эксплуатации. При выполнении данной диссертационной работы разработана структура и произведена отладка аппаратных и программных средств подобного комплекса, которые можно рекомендовать в качестве основы для создания системы проектирования высокопроизводительных АЦП. Требуемая гибкость управляемости получена за счет реализации управления на трех перекрывающихся уровнях: персональная ЭВМ (общая настройка и статистика), микроконтроллер (обмен данными) и микропрограммное управление (специальные тестовые- последовательности). Легкость изменения плана эксперимен-, тов экспериментов достигается за счет развитого программного обеспечения (ПО), состоящего из взаимосвязанного ПО для ведущего IBM PC и управляющего контроллера (в данной разработке К1816ВЕ51). Метрологическая'основа комплекса предусматривает как различные варианты использования встроенного образцового датчика сигнала (ЦАП) и образцового измерителя (АЛЛ), так и предусматривает возможность подключения внешних блоков.

В работе показано, что сложность и длительность тестового контроля конечных образцов АЦП может быть существенно уменьшена, если часть тестирующей системы (при незначительном усложнении схемы преобразователя) будет находиться непосредственно на кристалле, т.е. предложено в состав АЦП ввести встроенную схему са-

модиагностики.

Существуют принципиальные различия в подходах к организации процедуры контроля аналоговых и цифровых элементов. Показано, что контроль аналоговых элементов можно проводить только косвенно, используя память поправок, компаратор и всю систему диагнос-тированйя кристалла. Анализ содержимого памяти поправок и усредненных значений выходного сигнала компаратора позволяет отнести кристалл к одному из классов точности. Рекомендовано из цифровых блоков обязательно тестировать регистр последовательных приближений (РПП), память поправок и схему, ими управляющую■ Для сокращения времени контроля тестирование цифровой части желательно проводить на повышенной тактовой частоте. Предложенная методика построения системы контроля позволяет найти компромисс между сложностью встроенной схемы самодиагностики и большими затратами на тестовый стенД.

В приложения вынесены используемые при исследованиях модели МОП-транзистороп ппкотп РБр1со и результаты моделирования процедуры перерпспродолошш ппрядп с целью минимизации коммутационных помех.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННО- РАБОТЫ

1. Предложены структурные и схемотехнические решения для создания схем 14-18 разрядных АЦП на коммутируемых конденсаторах с быстродействием 5-20 мкс, обладающих долговременной метрологической стабильностью в жестких эксплуатационных условиях.

2. Обоснован комбинированный метод коррекции погрешностей АЦП КК и его алгоритмическая и схемотехническая реализация для многоступенчатых структур преобразователя. Разработана процедура кодирования для многоступенчатой структуры. Даны рекомендации по реализации самокорректирующегося АЦП на коммутируемых конденсаторах с активной младшей ступенью. Для полученных структур предложены схемотехнические методы обеспечения прецизионности преобразования для различных режимов работы.

3. Разработана структура и определены целесообразные схемотехнические особенности построения компаратора, входящего в состав АЦП и удовлетворяющего специфическим требованиям каждого из

режимов 'работы прецизионного преобразователя , на коммутируемых конденсаторах.

4. Сформулированы рсновные направления автоматизации исследований проектируемых АЦП КК на различны? этапах. Предложена методика построения тестовых кристаллов, позволяющих получить сведения о параметрах и характеристиках проектируемого устройства.

5. Разработана структура аппаратных и программных средств стенда для экспериментальных комплексных исрледований тестовых образцов и серийных изделий, позволяющая организовать разноплановые эксперименты, дающи§ высокую информативность.

1. Грушвицкий Р.И,, Сидоров А.А., Цирица И.И. Отработка схемотехники высокопроизводительных АЦП в интегральном исполнении // Изв. ГЭТУ.- 1993.- Вып. 458.- С.13-17.

2. Грушвицкий Р.И., Сидоров А.А., Цилина И.И. Автоматизация исследований проектируемых аналого-цифровых • преобразователей (АЦП) // 48-я науч.-техн. конф. НТОРЭС: Тез. докл. конф. НТОРЭС, 14 апр., 1993.- СПб.", 1993.- С.93-94.

3. Грушвицкий -Р.И., Сидоров А.А. Разработка прецизионных АЦП с привлечением пакета PSpice // Изв. ГЭТУ.- 1994.- Вып. 459.- С.31-37.

4. Mursaedew A., Gruszwickl R., Sidorcw A. Minimisation of capacitances recharging errors in charge-distribution analog;-to-digital converters // Kwart. Elektr. i Telekom. - 1994. - No 4.-S.82-91. ' .

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Подп. к печ. 08.02.95. Офсетная печать. Печ. л. 1,0; Тира» 100 экз. Зак. N17

Формат 60x84 1/16 уч. - изд. л. 1,0. Бесплатно.

Ротапринт МГП "Поликом" 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5