автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.08, диссертация на тему:Методы и аппаратура для измерения динамических параметров быстродействующих интегральных аналого-цифровых устройств

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ Р Г Б (ЭД{СТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

- 3 ИЮЛ 1995

УДК 621.396

АВУБАКЕР АЛЬ-ХАДИ ОМАР

ШТОДЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРА МЕТРОВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

05.11.08 - "Радиоизмерительные приборы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 1995

Работа выполнена на кафедре ядерной физики физического факультета Белгосуниверситета.

и электрон.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ямный В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Носенко В.А., доктор технических наук, Сшздомирасий С.Г.

Ведущая организация: НПО "Интеграл".

Защита состоится " ШОИЛ 1995 г. в часов на заседани специализированного Совета Институте прикладной физик

АНБ по адресу: 220072, г.Минсх. ул.Ф.Скорнны, 16.

Автореферат разослан "Ж-.* 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета каидадат физико-математических

наук --~ М.А.Князев

-1-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время наиболее перспективным направлением развития микроэлектроники является разработка и выпуск аналого-цифровых устройств (АДУ) для различного применения в радиолокации, телевидении, системах обработки и передачи информации в диапазона частот до нескольких сотеи мегагерц. .

Одной из наиболее сложных задач при выпуске интегральных схем является контроль их параметров, которые обычно разделяют на статические, определяемые при воздействии медленно-изменяющихся тестовых сигналов и динамические, определяемые при воздействии синусоидальных сигналов с.частотой до нескольких сотен мегагерц и в виде перепада напряжения. Существуют стандартные методы и аппаратура, которые могут быть использованы для оценки динамических параметров (ДП) по синусоидальному сигналу. В то же время, оценка динамических параметров по тестовому сигналу в виде перепада напряжения встречает определенные трудности из-за отсутствия установившихся методик и стандартной аппаратуры. Это связано, в первую очередь, с высокой требуемой точностью определения переходной характеристики (0,01-0,02%) и малыми интервалами переходного процесса (до 30 не) для наиболее быстродействующих аналого-цифровых устройств, выпускаемых ведущими фирмами США, Германии, Японии.

Цель работы: разработать методы и создать измерительную аппа-# ратуру для автоматизированного измерения динамических параметров сверхбыстродействующих интегральных аналого-цифровых устройств в частотном диапазоне до 350 МГц. * '

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методы и исследовать устройства предназначенные для оценки динамических характеристик сверхбыстродействующих аналого-цифровых устройств.

2. Реализовать предложенные методы и устройства, и провести измерение динамических характеристик ряда, выпускаемых ведущими фирмами США, сверхбыстродействующих аналого-цифровых устройств.

3. Оценить основные источники погрешностей экспериментальной установки, раьрабогать алгоритмы и программы для учета систематических и случайных погрешностей и повышения чувствительности аппаратуры.

Научная новизна работы определяется новизной положенных в ее основу технических решений по оценке динамических параметров аналого-цифровых устройств в частотном диапазоне до 350 МГц, а именно:

1) Предложен усовершенствованный коыпараторно-интеграторный метод, отличающийся повышенной чувствительностью, за счет примененного алгоритма измерения, состоящего из двух этапов: грубого и точного измерения, причем на этапе грубого измерения постоянная интегрирования уменьшается в сотни раз, а на этапе точного измерения применяется дифференциальный метод и медианное усреднение. Таким образом удалось на порядок уменьшить время измерения и повысить ч' эствительность до 40-50 мхВ.

2) Впервые проанализированы погрешности компаратора в компара-торно-интеграторной схеме, возникающие при условии малой величины перевозбуждения, при работе с высокочастотным сигна--лом, в результате чего созданы схемные решения для устранения погрешности компаратора, вызванные его гистерезисом.

3) Впервые установлена на основе экспериментальных данных связь между скоростью изменения выходного сигнала устройства выборки и хранения (УВХ) при переходе от выборки к хранению и началом размыкания ключа УВХ (начало отсчета режима хранения). В результате чего предложена новая методика измерения времени установления выходного сигнала УВХ при переходе от выборки к хранению.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации методы и аппаратура нашли применение в тестерах динамических параметров аналого-цифровых устройств и использованы в Минском научно-исследовательском приборостроительном институте и НПО "Интеграл". Эти результаты будут также использованы в других разработках для оценки динамических характеристик вновь разрабатываемых микросхем и выпускаемых серийно на предприятиях СБ и других стран СНГ. На защиту выносятся следующие основные положения: 1) Усовершенствованный компараторно-интеграторный метод измерения переходной характеристики за счет разделения процесса измерения на грубую и точную фазу измерения, использования переменной постоянной интегрирования и включения делителя напряжения в петлю обратной связи, что позволяет

уменьшить в десять•раз время измерения и повысить на порядок чувствительность метода.

2) Принципиальная схема отключения выходного каскада компаратора, что исключает гистерезис и позволяет увеличить чувствительность схемы при сохранении быстродействия.

3) Методика оценки времени установления-УБХ при переходе от выборки к хранение, при отсутствии информации об эффективном апертурноы времени, -. путем нахождения точек перегиба

. на выходном. сигнале, что существенно упрощает процедуру измерения и уменьшает суыиарну» погрешность измерения.

4) Принципиальная схема и конструкция генератора тестовых сигналов, которая позволяет получить время установления с погрешностью О,02% порядка 11 не, скорость нарастания - 2 В/нс, время нарастания ~ 0,9 не.

5) Методики, алгоритмы и программы , определения нелинейности временной шкалы преобразователя, что позволяет в 2-3 раза уменьшить погрешности измерения,

6) Результаты измерения параметров быстродействующих УВХ №9100, ОУ 0,0400 и А09617.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной Научной Конференции по метрологии, проведенной в г. Минске (Стайки) в сентябре 1992 г., и на международной Научно-Практической Конференции "Метрология-94", проведенной в г. Минске в 1994 г., а также на научных семинарах кафедры ядерной физики и электроники Белгосунивер-ситета.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включая 65 наименований. Объем диссертации 84 страниц основного текста, рисунки и таблицы на 54 страницах, литература на 5 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указаны цели, сформулирована постановка задачи, указана новизна работы, перечислены основные научные положения, выносимые на, защиту и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе перечислены основные динамические параметры ПНУ, приведены типичные значения этих параметров для современных

Выстродействуицих'устройств и кратко рассмотрено состояние пробле-. ми оценки динамических параметров АЦУ, '

Принято, разделять динамические параметры аналого-цифровых устройств на две группы. К первой груше относятся параметры опре- : деляемне при работе с синусоидальным сигналом« - частота среза, частота единичного усиления и частота полной мощности. Ко второй груше динамических параметров относятся параметры, определяемые , по переходной характеристике (ПХ) при работе со ступенчатым сигналом, - время и скорость нарастания выходного сигнала, время установления выходного сигнала с заданной погрешностью. Наиболее важными среди динамических параметров АЦУ является параметры, определяемые по ПХ. Это объясняется тем, что во многих случаях применения АЦУ, например, в аналого-цифровых преобразователях, требуется оценить .их динамические свойства с помощью временных параметров, что представляет значительный интерес для потребителей этих устройств. Кроме этого указанные параметры позволяет выявить как линейные, так и нелинейные свойства АЦУ в динамическом режиме. Поэтому таким параметрам, а' также методам и средствам их оценки уделяют наибольшее внимание.

Указанные параметры для наиболее быстродействующих АЦУ, в настоящее время лежат в наносекундном диапазоне. Так, например, типичное значение времени нарастания составляет величину 2-8 не, а времени установления с точностью 0,01% от максимального значения -порядка 10-20 не.

Одна из основных проблей оценки этих параметров для быстродействующих устройств состоит в том, что необходимо разработать генератор ступенчатых тестовых сигналов, динамические параметры которого должны быть лучше аналогичных параметров испытуемого устройства. Для быстродействующих АЦУ необходимо обеспечить ступенчатый сигнал с временем нарастания порядка 1-2 не, скоростью нарастания ~2 В/нс, временем установления -10-15 не. .' .

Основная трудность оценю! динамических параметров, определяемых по ПХ, заключается в том, что аппаратура, предназначенная для кенгроля и регистрации входных и выходных сигналов испытуемых устройств, должна быть весьма чувствительна к малым сигналам и обладать широкой полосой пропускания. Так, например, при оценке времени. установления выходных сигналов порядка десятка наносекунд с точностью установления 0,01« от 2 В, т.е. с точностью до 200 мкВ,

требуемая чувствительность измерения, сигналов должна быть лучш<: .200 ыхВ, а полоса пропускания должна быть свыше 300 МГц.

К основным проблемам оценки ДП АЦУ относится необходимость автоматизации процесса измерения, так как при этом обеспечивается высокая производительность аппаратуры испытания интегральных АЦУ при серийном выпуске, и существенно упрощается процесс измерения. При этом важным и сложным вопросом является выбор и разработка, алгоритмов работы/ структурных и принципиальных схем средств, обеспечивавших автоматизации процесса измерения. ;

Во втором разделе первой главы описаНы возможные методы и аппаратура . экспериментальной оценки. динамических параметров' АЦУ, определяемых по ПХ, рассматриваются преимущества и недостатки, присущие каждому методу. Определены чувствительность, широкополое-ность каждого метода и возможная область' применения.

Из известных методов оценхи динамических' параметров аналого-цифровых устройств приыеняют осшллографический метод. В зависимости от требуемой чувствительности используют два осциллографича-ских метода измерения параметров. АЦУ - по калиброванным шкалам и выделения переходных процессов. Метод измерения по калиброванным шкалам предполагает непосредственную подачу входного и выходного сигнала испытуемого АЦУ на входы осциллографа и определение необходимых ДП по калиОрационной сетке на экране осциллографа. Данный метод используется для оценки времени и скорости нарастания выходного сигнала АЦУ, а также погрешности переключения УВХ в режиме перехода от выборки к хранению. Для измерения Времени установления с помощью осциллографа в основном используют метод выделения переходных процессов, сущность которого состоит в выделении переходного процесса путем сложения на резистивном делителе выходного сигнала испытуемого устройства с синхронным или калиброванным сигналом, значения которого равны по модулю и противоположны по знаку. Затем разность напряжения после ограничения подается на вход усилителя вертикального отклонения осциллографа. Для уменьшения перегрузки усилителя вертикального отклонения осциллографа, расширения полосы пропускания и увеличения чувствительности метода выделения переходных процессов ' обычно предлагается подключить специальный • буферный каскад на входе усилителя канала вертикального отклонение осциллографа. Ограничение области применения данного метода при измерении малых.времен установления (меньше 70 не) определяется в основном уровнем шумов буферных усилителей и их полосой пропуска-

ния, которые во многом определяется качеством монтажа схемы. Достигнутая в настоящее время полоса пропускания таких усилителей составляет 90-100 МП], Что недостаточно для измерения времени установления менее 50 не. При применении осциллографического метода для оценки динамических параметров ВДУ, процедура измерения осуществляется вручную, что требует значительных затрат времени и является весьма трудоемкой. Это в своо очередь обуславливает низкую производительность метода. Кроме того, данный метод требует достаточно высокой научно-технической подготовки оператора, что может явиться ограничением его применения при серийном выпуске интегральных АДУ.

-В литературе упоминается метод пикового детектирования с трансформацией масштаба времени, который основан на линейном преобразовании масштаба времени сигналов испытуемого АЦУ с помощью стробоскопического преобразователя« работающего по принципу пикового детектирования, с последующим цифровым измерением преобразованных временных интервалов. Для осуществления трансформации мае-, □таба времени применяют два тактовых генератора, несинхронно запускающими тестовый и строб сигналы с частотой повторения, отличающейся на малую величину. Чувствительность данного метода определяется уровнем шумов преобразователя. Доминирующее значение среди этих шумов имеют шумы из-за нестабильности разности частот генераторов. Уменьшение шумов преобразования из-за нестабильности разности частот до,величины 1-2 ыВ, часто Технически нереализуемо, из-за необходимости при этом высокой стабильности разности частот тактовых генераторов при несинхронном запуске.

Оценка времени установления АЦУ возможна также с помощью применения компараторного метода. Однако диапазон измеряемых времен установления с помощью этого метода начинается примерно с 200 не, при этом момент установления определяется с точностью не лучше 2 ' -•.•'•

На основе проведенного анализа существующих методов сделаны выводы, что наиболее Подходящим для оценки динамических параметров бнстродействухиих АЦУ является коыпараторно-интеграторный метод, основанный на отслеживании формы сигналов испытуемого устройства в растянутом масштабе времени с помощью следящих систем, реализующих алгоритм, подобный алгоритму единичных приращений, применяемому а некоторых АЦП. Затем программно, на основе полученных форм сигналов d цифровых кодах, определяют необходимые ДП, Для восстановле-

ния формы сигналов в трансформированном масштабе времени применяют компараторно-интеграторную - схем/, параметры которой определяет чувствительность и полосу пропускания данного метода. Показано, что полоса пропускания определяется быстродействием входного каскада компаратора. Чувствительность метода (ДУ) зависит от постоянной времени интегратора и определяется следупйей формулой

. ' Ду = -~Твг . ' (1)

где и - входное напряжение интегратора, •

т=И-С - постоянная времени интегрирования, То - период повторения строй импульса. Выявлено, что основным недостатком метода является то, что большая постоянная времени интегрирования, которая необходима для обеспечения заданной чувствительности, приводит к значительному увеличению времени измерения и к появлению низкочастотных шумов и помех'. Кроме этого показано, что для обеспечения заданной чувствительности на выходе интегратора требуется .не менее, чем 15-ти разрядный АЦП, при этом величина кванта АЦП будет в -Пределах требуемой зоны установления измеряемого сигнала, что' может привести к увеличению влияния погрешности АЦП на результат определения момента установления при оценка времени установления.

Во второй главе описйвается предлагаемый усовершенствованный компараторно-интеграторный метод оценки динамических параметров АЦП, а также рассматриваются основные структурные схемы аппаратуры, реализующие предложенные модификации.

При применении компараторно-интеграторного метода для оценки ДП АЦУ, определяемых по переходной характеристике, общее время измерения определяется в соответствии с алгоритмом единичного приращения: ■ • . I '

Т£=Тв-№га-п, (2)

где N - ко,личество квантов АЦП,

ш - количество измерений одной ординаты сигнала,

То - минимальный допустимый интервал между двумя строб-

импульсами компаратора, п - количество ординат ПХ. .

При допустимой погрешности бюл-О, 003* N будет равно (3+4)-10'. Период повторения сигнала ограничен в первую очередь погрешностью воспроизведения тестового сигнала. При периоде повторения менее 1

мкс не удается получить погрешность на уровне 0,003%, поэтому в лучшем случае Т0«1 мкс. Минимальное значение т определяется как

лГк ' (3)

^та •"'та "О«««

где Ощ», - максимальный размах выходного сигнала испытуемого устройства,

Б»», - максимальная скорость исследуемого сигнала,

Дс^п - минимальный интервал между выборками,

8лоп1 - допустимая погрешность измерения сигналов с максимальной скоростью.

Например и„,«=2 В, 3™«=2 В/нс, Д^^О, 1, 6„<,п1=1%, ш„1„=200. В этом случае общее время измерения в соответствии с (1) Судет составлять 2000 с. -Столь большое время измерения ПХ ухудшает ожидаемую разрешающую способность по амплитуде из-за нестационарных процессов в измерительной схеме. В настоящей работе предложено усовершенствование компараторно-интеграторного метода измерения ПХ, ' сущность которого состоит в разделении процесса измерения на грубое и точное измерение. При этом на этапе грубого измерения компараторно-интеграторная схема будет работать по алгоритму поразрядного уравновешивания, причем, при уменьшении постоянной времени интегрирования Оолее чем в 200 раз. Это позволяет существенно уменьшить общее время измерения и тем самым уменьшить погрешность измерения из-за нестационарных Процессов. Результат отслеживания сигнала в этом режиме используется для оценки динамических параметров, определяемых по ПХ, для которых не требуется высокая чувствительность и для грубой оценки величины установившегося сигнала. После этого установившееся значение используется как подставка в режиме точного измерения для выделения переменной части выходного сигнала вблизи зоны установления. В этом режиме для обеспечения требуемой чувствительности постоянная времени интегрирования существенно увеличивается. Кроме этого, й режиме точного измерения компенсируется установившееся значение сигнала, что приводит к уменьшению уровня сигналов на выходе интегратора. Это дает возможность усиления выходного сигнала интегратора, что позволяет, во-первых, применить на выходе интегратора АЦП, обладающий меньшей разрядностью по сравнению с простым компараторно-интеграторным методом, а,. во-вторых, пропорционально уменьшить погрешность АЦП.

Во втором разделе этой главы приведены разработанные в настоящей работе основные узлы измерительной установки, реализующие предложенные модификации, в первом параграфе описаны разработанные автором структурные и принципиальные схемы генератора перепадов напряжения. Для обеспечения требуемого быстродействия генератора в схеме Сьши применены буферные и выходные "Переключатели тока. Уменьшение паразитных емкости и индуктивности было достигнуто за счет улучшения конструкции. При реализации генератора в схеме были применены бескорпусные высокочастотные транзисторы^ конденсаторы и резисторы, а также сокращены до минимума длины соединительных проводов, и минимально уменьшены габаритные размеры схемы. Предложенная схема генератора имеет следующие динамические параметры:

- время установления с точностью 0,02% составляет ~11 не;

- скорость нарастания -1,8-2 В/нс;

- время нарастания -0,9-1 не,

В этом же разделе приводятся сведения о применявших с я в работе компараторно-интеграто'рной схеме и ее основные особенности. Показано, что в связи с работой компаратора в схеме за пределами его чувствительности, т.е. с малой величиной перевозбуждения, начинают сказываться такие эффекты как гистерезис компаратора, и самовозбуждение, которые приводят к потер« чувствительности схемы. Предложена специальная схема,* с помогаю которой удалось практически устранить такие эффекты. Разработанная схема позволяет уменьшить коэффициент усиления компаратора! во' время выборки путем смещения базы транзистора выходного каскада компаратйра в сторону отрицательного потенциала, что приводит к отключению выхода компаратора во время выборки.

В этом разделе рассмотрены различные варианты схеыы Генераторов строб-импульсов, которые были выполнены для осуществления задержки импульса стробирования компаратора. Показано, что.наилучшие результаты были достигнуты? с применением в качестве устройства задержки микросхемы Л09500, которая использует так называемый аналоговый способ, реализации программируемой задержки. Применение этой схемы дало возможность обеспечить задержку строб-импульса в пределах от 0,5 не до 5 икс, а также позволило получить нелинейность« временной шкалы на хуже 0,9%.

В третьей главе рассматривается техническая реализация экспериментальной установки оценки динамических параметров АЦУ, разработанной на основе описанных методов, приведены результаты экспе-

ряментальной оценки основных погрешностей установки и представлены, результаты измерения параметров ряда серийно выпускаемых ведущими фирмами США сверхбыстродействующих аналого-цифровых устройств.

В первом разделе описана автоматизированная установка оценки параметров АЦУ, кратко рассматрены структурная схема установки и основные ее узлы и перечислены основные функции программного обеспечения, которое предназначено для управления установкой.

Во.втором разделе этой главы оценены погрешности автоматизированной установки. Экспериментальные исследования измерительной установки показали, что основным фактором, ограничивающим требуемую чувствительность измерения, является амплитудная погрешность компараторно-интегратсрной схемы. Эти исследования позволили выявить, что указанные.погрешности в основном вызваны нелинейностью ЦАП, применяемого в цепи обратной связи компараторно-интеграторной схемы, нелинейностью временной шкалы, обусловленной нелинейностью генератора строб-импульсов, и временной дрожью между тест и стро-бимпульсами. Показано, что амплитудную погрешность из-за нелинейности ЦАП возможно оценить в статическом режиме. Уменьшение этой нелинейности было достигнуто применением оолее точного ЦАП (ЦАП типа AD669), хоторый позволил обеспечить статическую нелинейность в. пределах ±50 мкВ. В работе показано, что нелинейность временной шкалы возможно оценить при применении синусоидального тестового сигнала (с частотой 20 МГц), который Сил получен путем.фильтрации аналоговый фильтром 7-го порядка. Оценка нелинейности временной шкалы предлагаемой установки составила значение порядка 1,7-2 пс. Третьей составлявшей амплитудной погрешности является временная дрожь, которая в основном определяется шумовыми составляющими устройства формирования временной диаграммы и может составлять значение 5-10 пс. Это значение может быть уменьшено до величины нелинейности шкалы путем многократного усреднения,

В последнем разделе третьей главы приводятся результаты экспериментального измерения динамических параметров ряда серийно выпускаемых аналого-цифровых микросхем, проведенные с помощью созданной установки.

В качестве исследуемой микросхемы была выбрана одна из наиболее быстродействующих интегральных схем УВХ, выпускаемых фирмой Analog Devices - AD9100. Для этой микросхемы разработаны методики измерений и оценены следующие параметры: время установления при переходе от хранения к выборке t^,.,/. и от выОорки к хранению

tycT,./» скорость нарастания выходного сигнала в режиме выборки, коэффициент прямоте» прохождения сигнала, погрешность переключения УВХ в режиме хранения.

На рис.1 приведены результаты оценки. tyc,,,/,, проведенные на разработанной в диссертации установке. На этом же рисунке приведены результаты оценки и. скорости нарастания выходного сигнала v определяемые в режиме грубого измерения. Экспериментальные оценки других параметров УВХ приведены в таблице 1. Для сравнения в таблице 2 показаны результаты испытания данного УВХ, приведенные фирмой Analog Devices в своих технических докумёнтах Data Converter Réfréner Manual за 1992 год. Эти данные показывают, что результаты оценки параметров УВХ, определенные с помощью разарботанной в диссертации установки, соответствуют спецификации на AD9100.

Таблица 1.

Результаты измерения динамических параметров УВХ AD9100 (по.материалам диссертации)

Измеряемый параметр Условия измерения УВХ AD9100 Единицы

Пьедестал При U..-0 В мв

Амплитуда максимального выброса выходного сигнала в режиме хранения При U.,=0 В а MB

Коэффициент прямого прохождения сигнала При U„-±l В 66 дв

Таблица 2. Спецификация УВХ AD9100 (по материалам фирмы Analog Devices)

Измеряемый параметр ' Условия измерения AD9100 мин тип макс Единицы

Время установления при переходе от хранения к выборке: с точностью 0^1% 0,01% при подаче, на вход перепада напряжения ±1В .13 16 23 не НС

Скорость нарастания в резные выборки при U.,=>+4 В 550 850 В/мхс

Время- установления при переходе от выборки к хранению - 7 10 НС

Коэффициент прямого прохождения сигнала и.,=±1 В, f.,=20 МГц 69 ео ' ДВ

Пъедестал V.,-0 В -5 ±1 ±5 мв

Амплитуда максимального выброса и»,-0 В ±6 мЗ

Рис.1.а- Зона установления ±0Г1*

11„«(%от2,02В) 0.40 0.30 0.20 ■ 0.10 0.00 0.10 о.го -

0.30 -0.40'* _I_&£3_.

1уст д/в= 17,11 не 1'=-0,760 ВЛ1С

Рид. 1,0 ■- -Занз-удтацавдеш^ -ИЬ.ЦЗ______

и„о(% от 2,02 В) 0.10

0.13

о.оа 0.04 0,00 0.04

о.оа 0.12

/

J

1угтдМ=И,31нс »'=•0,429 В/ис

К

—' 1-1-1-1-Г~

ао ■ •^тйрг^Б! ■ • 61- • • 71- • •

•Т<нс)■

Рис.1. Рвуямат измерения времени установления УВХ АП9100 при переходе от хранення к выборке при ражих юнах установления (а), (б): 1 - сигнал хрансние/вмбирка (масштаб 0,06 В/дс.'|); 1 - выход»«!) сигнал УВХ (масштаб а % ог 2,02 В). Игчерения проаодшись с дискретностью по времени 0,207 не. На вход подавался отрицательный перепад напряжения рашзхом 2,08 В (по материалам днссеришии).

При оценке динамических параметров УВХ разраОотка методики измерения времени установления УВХ при переходе от выОорки к хранению оказалась достаточно сложной задачей. Дело в том, что для определения необходимо определить момент начала размыкания

ключа, который происходит спустя некоторое время после подачи управляющего сигнала выборка/хранение. На основе имеющихся в литературе сведений данный параметр измеряется только на этапе разработки и изготовления этих микросхем. При этом начало размыкания ключа возможно определить лишь, когда имеется доступ внутрь микросхемы. В настоящей работе предложен иной подход к определению начала размыкания ключа, на основе которого и разработана методика измерения Сущность предлагаемого подхода состоит в том,

что в режиме выборки, когда.внутри УВХ ключ замкнут выходной сигнал повторяет форму входного сигнала с определенной скоростью, однако при начале воздействия управляющего сигнала (начала размыкания ключа) резко иыеняется скорость еыходного сигнала в Сторону уменьшения вплоть до нуля. В соответствии с этим можно определить момент размыкания ключа, путем определения момента резкого уменьшения скорости выходного сигнала. Разработанная методика оценки в/х состоит в следующем. С помощью полученных данных в результате отслеживания выходного сигиала УВХ в режиме "грубого" измерения, определяется скорость изменения выходного сигнала в интервале нарастания с помощью следующего выражения:

к = 1,2.....п, 1-1,2.....х, (4)

где 5к - скорость изменения выходного сигнала, определяемого по трем последовательным точкам в интервале времени нарастания,

и1( и^-2 - мгновенные значения сигнала в точках 1, 1-2, и, 11-2 - врейена соответствующие 41» и1-2.

Начало размыкания ключа определяется по скорости'при выполнении следующего условия:

8„-8ы>р-М, (5)

где Ас1 - максимальный разброс скорости выходного сигнала на участках нарастания,

р»1,2,3,... - определяется экспериментально.

С помощь» полученных массивов данных в режиме точного измерения определяется' момент установления с заданной точностью. Таким образом Ьусг.а/« будет равен интервалу времени от начала размыкай««

ключа до установления с заданной точностью. Результаты, оценки tycT,«/. указанного УВХ, с применением .разработанной методики показаны на рис.2. На этом рисунке показан момент изменения скорости. Многократное измерение этого параметра для УВХ AD9100 показали, что его значение лежит в пределах 8,5-11 не. Эти значения не расходятся со значениями этого параметра, приводимого в материалах фирмы Analog Devices.

Рис.2. Установившееся значение выходного сигнала»!,901 В

U„(% от 4 В) 0.20 0.15 0.10 0.05 .0.00 0.05 0.10 0.16 о.го

0.25

to

tjCT^ft=10,35 не

+1мВ

^is,,| rt.i' ' А ' 7i ' А ,(„с)

-I нВ

Рис.2. Результат измерения времени установления выходного сигнала УВХ AD9100 при переходе от,выборки к хранению: 1 - грубое измерение (масштаб 0,380 В/дел); 2 - точное измерение (масштаб в % от 4,0 В). Измерение производилось с дискретностью по времени 0,207 не. Зона установления ±0,025% (по материалам диссертации).

В работе приведены испытания,и операционных усилителей. Результаты оценки динамовских параметров двух различных усилителей, выпускаемых фирмой Analog Devices и фирмой Comlinear, приведены в таблице 3. Эти результаты также практически совпадают с результатами измерения, приведенными в каталогах указанных фирм (табл.4).

Таблица 3.

Результаты оценки динамических параметров ОУ AD9617, CLC400 (по. материалам диссертации)

Измеряемый параметр ОУ AD9617 • ОУ CLC400

Время установления, не

точность: 0,1% 16 11

0,05% ' - ' ; 12

0,02% 19 - . -

Скорость нарастания, В/икс 1600. 1080

Время нарастания, не 2,3 2,4

Таблица 4.

Спецификации ОУ AD9617, CLC400

Динамические ОУ AD9617 CLC400

параметры мин. тип. макс. мин. тип. макс.

Время установления, не.

точность: 0,1% 10 12 17 - 10 13

0,05« - 12 15

0,02% 13 16 23 - - -

Скорость нарастания, В/мкс "700 1400 . - 1од 1000 1600

Время нарастания, не 2,3 - 3,5 — • 2,4 —

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .

1. На.основании проведенного анализа различных методов оценки динамических параметров аналого-цифровых устройств" выявлено, что наиболее подходящим является компараторно-интеграторный метод. Однако для обеспечения эаданой чувствительности и уменьшения времени измерения компаратсрно-интеграторного метода в работе предложено разделить алгоритм измерения на два этапа: грубого и точного измерения, причем на этапе грубого измерения постоянная интегрирования уменьшается в сотни раз, а на этапе точного измерения применяется дифференциальнный метод и медианное усреднение сигнала. Таким образом, удалось более чем на порядок уменьшить время измерения и повысить чуствительность до 40-50 мкВ.

2. Для уменьшения самовозбуждения и исключения гистерозмса компаратора, при работе с малой величиной перевозбуждения в коипа-раторгз-интеграторной схеме, предложена схема отключающая выходной каскад компаратора, что снижает его сквозной коэффициент усиления

. -16в моменты сравнения, но не снижает его чувствительность, вследствие запоминания результата'' сравнения в триггере-защелке компаратора. р

3. Разработан и реализован генератор ступенчатого сигнала, параметры которого лучше известных из литературы, что обеспечивает решение' поставленной' задачи измерения динамических параметров наиболее быстродействующих из серийных ' аналого-цифровых устройств. Так, время. установления с'погрешностью 0,02% от 2 В составило 11 не, скорость нарастания ~ 2 В/нс, время нарастания ~ 0,9 не.

4. На основе : предложенной модификации компараторно-'интеграторного метода реализована экспериментальная' установка, разработаны алгоритмы и программы для оценки динамических параметров аналого-цифровых устройств. \

5. Предложена'новая методика измерения времени установления УВХ при переходе от выборки к хранению, которая позволяет оценить этот параметр для наиболее' быстродействующих УВХ типа AD9100. при этом погрешность измерения составляет величину не более 10%.

6. 'Результаты экспериментальных измерений динамических параметров наиболее, быстродействуидих УВХ и ОУ показывают их хорошее совпадение с аналогичными данными, приводимыми зарубежными фирмами, выпускающими исследуемые устройства, что подтверждает досто-. верность результатов измерения.

7. Проведены оценки нелинейности, амплитудной и временной Шкал, которые выявляй рсновные источники погрешности установки. Основные составляющие инструментальной погрешности установки:

- нелинейность временной шкалы - 1,8 пс;

- нелинейность амплитудной.шкалы - ±50-10'6;

,- временная дрожь - 1-1,5 пс.

8. Разработанный метод и устройство для измерения ДП АЦУ используется в разрабатываемом для НПО "Интеграл" тестере параметров аналого-цифорвых устройств. Результаты работы могут быть рекомендованы для внедрения на предприятиях, занятых проектированием и производством' быстройдествующих аналого-цифровых устройств, работающих в наносекундноы диапазоне. .

Список публикаций

1. Ямный В.Е., Абубакер А.О. Высокоточные амплитудно-временные наносекундные измерительные устройства с использовнием .

трансформации времени // тез. докл. науч. конф. "Метрологическое обеспечение и стандартизация*. - Минск, 1992, -с. 95-98.

2. Ямный В.Е., Абубакер А.О. Прецизионный измеритель переходных характеристик // тез, докл. научно-практической конференции "Метрология-94"* -Минск, 1994, -с.95-96.

'РЕЗЮМЕ ...

АОубакер Д.О. Методы и аппаратура дня измерения динамических параметров быстродействующих интегральных аналого-цифровых устройств.

»

Ключевые слова: измерение, динамических параметров, аналого-цифровых устройств, операционных усилителей, устройств выборки и хранения, быстродействующих ДАП,методы, аппаратура.

. Работа посвящена разработке методов и аппаратуры для автоматизированного измерения динамических параметров быстродействующих интегральных аналого-цифровых устройств в частотном диапазоне до

,350 МГц. Разработан усовершенствований компараторно-интеграторный

? ■

метод измерения динамических параметров аналого-цифровых устройств. Разработан и реализован генератор перепада напряжения, предназначенный для оценки динамических параметров наиболее быстродействующих АЦУ. Предложена новая методика измерения времени установления УРХ при переходе от выборки к хранению. Представлены результаты экспериментальной оценки динамических параметров некоторых серийно выпускаемых быстродействующих УВХ и 0У.

. РЭЗКНЭ ,

Абубакер A.A. Метады 1 "апаратура для вымярэння дынам1чных па-метра? хутквдзеючых 1нтегральных аналага-л!кавых прыстасаванняу (прылад). ,

Ключавыя еловы: вымярэння, дынам1чных параметра?, аналага-л1кавых прыстасаванняу, аперацыонных ?амацняльн1ка?, прылад выбар-к! 1 эахавання, хуткадзеючых ЛАП, метады, апаратура.

Дысертацыя Ирысвечана распрацо?цы метада? i апаратуры для а?таматызаванага вымярэння дынамДчных параметра? хуткадзеючых 1нг-эгральных аналага-л1кавых прыстасавання? у частотным диапазоне да 350 МГц. Прапаиаваны удасканалены кампаратарна-1нтэгратарны метал вымярэння дынам!чкых параметра? аналага-л1кавых прыстасавання?. Распрацаваны i рэал1заваны генератар перападу напруг!, прьшалежны дзеля ацэнк1 дынам1чных параметра? найбольа хуткадзеючых'АЛП. Пра-панавана новая методика вымярэння часу усталнвання ПВЗ при адбк-ванн1 перахода ад выбарк! да эахавання. Прывеязены Bbinini экспериментальна^. ацзнк1 дьшамхчных параметра? некаторих серыКиа вираО-ляеиых хуткадзеючых ПВЗ 1 АУ.

ABSTRACT

ABUBAKER A.O. Method and apparatus for measuring dynamic parameters of high speed data converters components.

Keywords: measurement, dynamic parameters, data converter components, Opreational amplifiers (07V), Track and hold amplifiers (T/H), high speed digital to analog converter (DAC), method, apparatus.

The aim of this dissertation is the design of methods and apparatus for measuring the dynastic performance of high speed data converter components in freguency domain up to 350 MHZ. An improvment of Comparator-integrator method's for measurement of data converter components dynamic was suggested. Designing and realisation of voltage step generator for testing of high speed components was proposed. A new thechinque was elaborated for'the measurement of track to hold settling time of S/H amplifieres. The experimental results of testing the dynamic performance of some high speed S/H and OA are presented.

J