автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Микромощные АЦП для многоканальных устройств сбора данных и систем на кристалле

На правах рукописи

Бутузов Владимир Алексеевич

Микромощные АЦП для многоканальных устройств сбора данных и систем на кристалле

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и нано- электроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

1> ' /014

Москва-2014 г.

005546338

Диссертация выполнена в «Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

НИЯУ МИФИ Бочаров Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических неук, профессор,

заведующий кафедрой теоретической радиотехники и радиофизики МГТУ МИРЭА

Битюков Владимир Ксенофонтович

кандидат технических наук, начальник отдела ЗАО НТЦ «Модуль» Панфилов Аркадий Павлович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

системных исследований Российской академии наук (НИИСИ РАН) г. Москва

Защита диссертации состоится 21 апреля 2014 г. в 15:00 в конференц-зале К-608 на заседании совета Д212.130.02 НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ. Автореферат разослан 12 марта 2014 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

П.К. Скоробогатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы

Интегральные микросхемы (ИМС) аналого-цифровых преобразователей (АЦП) находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, а их проектирование является традиционной задачей производителей ИМС и разработчиков сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) больших интегральных схем (БИС) типа система на кристалле (СнК). Микросхемы АЦП производятся и разрабатываются многими зарубежными компаниями и рядом отечественных предприятий и центров проектирования БИС.

Наиболее массовыми являются АЦП общего применения для систем связи, измерительной техники, промышленных систем и для использования в составе микроконтроллеров. Наряду с ними находят также применение специализированные, в частности, микромощные и многоканальные АЦП, ориентированные на достаточно узкие, но важные области применения.

Такие специализированные АЦП имеют ряд особенностей по сравнению с микросхемами АЦП общего применения. Например, часто оказываются ослабленными требования к быстродействию, особенно если АЦП есть в каждом канале, а совокупность входных сигналов это случайный поток с относительно низкой средней интенсивностью, что характерно для ряда детекторных систем, используемых в экспериментах в области физики высоких энергий. Также часто оказываются ослабленными требования к точности АЦП. Во многих многоканальных детекторных системах для физических экспериментов требуемая разрядность АЦП составляет 6-9 бит, в системах считывания сигналов кремниевых фотоумножителей она редко превышает 10 бит.

Ослабление требований к быстродействию и точности АЦП сопровождается существенным усилением требований к уровню энергопотребления, который часто становится критически значимым фактором при проектировании таких устройств. Например, в аппаратуре для физических экспериментов при числе каналов считывания более миллиона, лимит потребляемой мощности одного канала составляет величину порядка 1 мВт, поэтому потребляемая мощность АЦП группы каналов ограничена уровнем порядка 10 мВт. Требования к уровню энергопотребления специализированных АЦП в составе микросхем для распределенных сетей сбора данных с удаленными датчиками в трубопроводных транспортных системах, устройствах экологического мониторинга и других системах с

длительным циклом работы от источников автономного питания или от источников, потребляющих энергию из внешней среды, часто еще более строгие. Для них лимит потребляемой мощности АЦП обычно не превышает 1 мВт.

Другими особенностями специализированных многоканальных АЦП по сравнению с микросхемами АЦП общего применения являются более жесткие ограничения на величину занимаемой площади на чипе, количество внутренних контактных площадок и доступных внешних выводов, приходящихся на один блок АЦП.

Методы проектирования рассматриваемых специализированных АЦП также имеют ряд особенностей по сравнению с методами проектирования АЦП общего применения, в которых получение высоких значений качественных показателей может достигаться путем использования цифровой автокалибровки и заводской подстройки прецизионных элементов. Для рассматриваемых АЦП эти способы не могут быть использованы в полной мере из-за ограничений на размеры блоков и число доступных контактных площадок и внешних выводов.

Поэтому проектирование специализированных АЦП не всегда направлено на достижение предельных показателей точности и быстродействия. Должно обеспечиваться необходимое сочетание точности и быстродействия при ограничениях на потребляемую мощность, размеры блока и число внешних выводов, с учетом свойств компонентов, доступных в используемом технологическом процессе, выбор которого не всегда определяется разработчиком.

Разработке микросхем КМОП АЦП, отличающихся наименьшим уровнем энергопотребления, посвящено большое число публикаций. Представлены все уровни типового маршрута проектирования и верификации с использованием средств автоматизированного проектирования (САПР) - системный (поведенческий), схемный (компонентный) и физический (конструктивно-топологический).

Близким к данному исследованию по предметной области и тематике является ряд диссертационных работ, выполненных в НИЯУ МИФИ. В диссертации Д.Л. Осипова «Применение поведенческих моделей для проектирования сложно-функциональных блоков аналого-цифровых преобразователей» (2013 г.) предложена поведенческая модель цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) на переключаемых конденсаторах, но не рассматриваются вопросы проектирования ЦАП. В диссертации A.C. Гуменюка «Аналого-цифровые преобразователи конвейерного типа с пониженной потребляемой мощностью» (2009 г.) рассмотрены вопросы снижения энергопотребления конвейерных АЦП и предложен метод совместного использования компараторов

смежными каскадами конвейера, но не рассмотрен способ формирования дополнительного тактового сигнала удвоенной частоты, необходимого для реализации предложенного метода. В диссертациях A.C. Силаева «Аналого-цифровые микроэлектронные устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов» (2010 г.), А.Д. Клюева «Методы и средства обработки сигналов многоканальных детекторов устройствами, управляемыми потоком данных» (2010 г.) и В.В. Шумихина «Маломощные амплитудные тракты КМОП интегральных микросхем для микрополосковых детекторов» (2013 г.) исследованы различные аспекты построения трактов многоканальных систем для физических экспериментов, но в них не затрагиваются вопросы проектирования АЦП.

Среди множества зарубежных работ по рассматриваемой тематике следует отметить работы М. Idzik, К. Swientek и Т. Fiutowski (AGH, Польша), в которых рассмотрены микромощные АЦП для электроники физических экспериментов. Однако в них отсутствует теоретический анализ влияния параметров топологии на характеристики АЦП.

Таким образом, несмотря на большое число работ, посвященных общим вопросам проектирования КМОП АЦП, практически отсутствуют работы, в которых были бы собраны и обобщены данные по методам схемного и топологического проектирования, ориентированным на разработку микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле, учитывающим их специфику и комплекс особых требований к таким специализированным микросхемам.

Вопросам исследования, обобщения и развития методов схемного и топологического проектирования микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле посвящено данное диссертационное исследование. Его конечной целью является повышение уровня функциональной интеграции, то есть увеличения числа выполняемых функций ИМС, и на базе этого улучшение электрических и массогабаритных характеристик электронной аппаратуры с ограниченными энергоресурсами.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертации является повышение уровня функциональной интеграции электронной аппаратуры с ограниченными энергоресурсами на основе развития схемотехнических и конструктивно-топологических методов проектирования

микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле.

Достижение этой цели требует решения следующих основных задач:

1. Выявление особенностей специализированных микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле, выполненных по КМОП технологии, с точки зрения набора характеристик, способов построения и маршрута проектирования.

2. Выявление элементов, определяющих линейность КМОП АЦП последовательного приближения, наиболее массовых среди микромощных АЦП. Теоретический анализ влияния топологических параметров конденсаторных матриц ЦАП на линейность АЦП последовательного приближения.

3. На основе теоретического анализа влияния топологических параметров конденсаторных матриц на линейность АЦП, разработка методики проектирования топологии матриц, нацеленной на достижение необходимой точности АЦП при заданных ограничениях на размеры массива конденсаторов конструктивно-топологическими методами без использования автокалибровки.

4. Анализ влияния схемной реализации и топологии регенеративного выходного каскада КМОП компараторов на снижение их разрешающей способности из-за эффекта воздействия помехи от тактового сигнала на вход каскада, разработка способов минимизации этого эффекта.

5. Разработка блока удвоения тактовой частоты минимальной площади и энергопотребления для конвейерных АЦП, в которых используется метод снижения потребляемой мощности путем совместного использования компараторов смежными каскадами конвейера.

Научная новизна

1. Для АЦП последовательного приближения на основе матриц переключаемых конденсаторов впервые получены аналитические соотношения, устанавливающие связь между величиной нелинейности и топологическими параметрами массива конденсаторов, которые позволили создать основу новой формализованной методики проектирования конденсаторных матриц.

2. Разработана новая методика проектирования матриц конденсаторов в АЦП последовательного приближения, которая позволяет при заданных ограничениях на размер матриц обеспечить необходимый уровень точности или уровень точности близкий к максимально-возможному без использования автокалибровки АЦП.

3. Установлено, что в компараторах с автоматической коррекцией

смещения нуля существенным фактором, ограничивающим повышение разрешающей способности, становится влияние помехи, воздействующей на вход регенеративного каскада при подаче на него тактовых импульсов. Впервые получены аналитические оценки, которые устанавливают связь между размерами транзисторов каскада, статистическим разбросом топологических и физических параметров и уровнем помехи, вызывающим ложное срабатывание компаратора, позволяющие путём оптимизации параметров схемы регенеративного каскада повысить помехозащищенность и, как следствие, разрешающую способность компаратора.

Практическая значимость работы

1. Разработанная методика проектирования ЦАП на основе матрицы переключаемых конденсаторов в составе АЦП последовательного приближения, позволяет минимизировать размеры массива конденсаторов без использования автокалибровки при обеспечении необходимой точности АЦП разрядностью до 14 бит. Это дает возможность увеличить число каналов в БИС, содержащих несколько АЦП, и уменьшить размер, занимаемый блоками АЦП, в составе СнК.

2. Предложенные схемно-топологические способы повышения помехозащищенности выходного каскада компаратора, позволяют более целенаправленно проводить проектирование, предварительную оптимизацию параметров схемы, в 3 - 5 раз снизить степень влияния помехи и тем самым повысить разрешающую способность компаратора.

3. Предложенный метод удвоения частоты импульсной последовательности со скважностью равной двум, обеспечивающий необходимую точность без использования фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), позволяет более чем на порядок уменьшить площадь блока удвоителя частоты и его потребляемую мощность по сравнению с реализацией на базе ФАПЧ. Он может быть применен для построения схем тактирования компараторов конвейерных АЦП, где используется способ снижения энергопотребления путем совместного использования части блоков компараторов смежными каскадами конвейера.

4. Разработана топология и схемные решения ряда блоков КМОП и БиКМОП микросхем с низким уровнем энергопотребления: 9-битного АЦП с быстродействием 20 Мвыб/с и потребляемой мощностью 9 мВт, 14-битного АЦП с быстродействием 30 квыб/с и потребляемой мощностью 1 мВт, 10-канального 10-битного АЦП с быстродействием

100 квыб/с и потребляемой мощностью 0,3 мВт на канал. Они нашли практическое применение при создании микросхем для перспективных датчиков давления и нового поколения устройств обработки сигналов матриц кремниевых фотоумножителей.

На защиту выносятся следующие положения

1. Методика проектирования матрицы конденсаторов в АЦП последовательного приближения, позволяющая при заданных ограничениях на размер матриц обеспечить необходимый уровень точности или уровень точности близкий к максимально-возможному без использования автокалибровки АЦП.

2. Метод повышения точности КМОП компараторов путем минимизации уровня помехи от тактового импульса на входе регенеративного каскада.

3. Метод удвоения тактовой частоты импульсной последовательности со скважностью равной двум, обеспечивающий высокую точность без использования ФАПЧ.

4. Конструктивно-топологическая реализация СФ-блока АЦП разрядностью 9 бит с низким уровнем энергопотребления по технологии КМОП 0,18 мкм. Схемная и топологическая реализация микромощного АЦП разрядностью 14 бит в составе специализированной БИС по технологии БиКМОП 0,35 мкм. Схемная и топологическая реализация БИС, содержащей 10 микромощных АЦП разрядностью 10 бит, опорный источник и блок памяти, по технологии КМОП 0,35 мкм.

Реализация и внедрение результатов работы

Целью проектирования СФ-блока 9-битного быстродействующего АЦП с низким уровнем энергопотребления было использование его в составе специализированной БИС для многоканальных систем считывания сигналов микрополосковых детекторов в станциях траекторных измерений для международного эксперимента СВМ. Он планируется к проведению на ускорителе Европейского центра по исследованию ионов и антипротонов (ФАИР).

Участие в работе автора диссертации заключалось в создании топологии конвейерного АЦП и в разработке схемы удвоения тактовой частоты. Наличие в устройстве такой схемы исключило необходимость использования двух источников тактового сигнала: одного для тактирования всего АЦП с частотой взятия отсчетов и другого для тактирования совместно используемых смежными каскадами конвейера блоков компараторов - с удвоенной частотой.

Прототип БИС, включающий разработанный 9-битный А МП с источником опорного напряжения, спроектирован и изготовлен в тестовой версии по КМОП технологии аналого-цифровых ИМС с проектной нормой 0,18 мкм на фабрике UMC (Тайвань). В соавторстве получено свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2010630091.

Результаты диссертации в части проектирования 14-битного АЦП последовательного приближения использованы при проведении НИОКР «Разработка специализированной микросхемы ASIC для датчика давления и исследование её параметров» в рамках совместных работ НИЯУ МИФИ с ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. H.J1. Духова» (Москва).

Материалы диссертации включены в итоговый отчёт по НИОКР ФГУП ВНИИА. Получен акт о внедрении. Основные результаты внедрения заключаются в следующем: предложены методы конструктивно-топологической реализации высокоточных и согласованных элементов, которые применены при разработке входящего в состав АЦП блока ЦАП на основе матриц переключаемых конденсаторов; разработаны схемные решения и выполнено топологическое проектирование основных блоков, в частности, компаратора, аналоговых переключателей и регистра последовательного приближения, которые позволили разработать АЦП поразрядного взвешивания, удовлетворяющий поставленным требованиям по массогабаритным, электрическим и эксплуатационным параметрам, а также жестким ограничениям по уровню потребляемого тока.

Специализированная микросхема, содержащая микромощный АЦП, изготовлена по БиКМОП технологии с проектной нормой 0,35 мкм на фабрике AMS (Австрия). В соавторстве получено свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2012630037.

Результаты диссертационного исследования в части проектирования многоканальных БИС использованы при разработке специализированной микросхемы для обработки сигналов с матриц кремниевых фотоумножителей. Разработанный прототип БИС для матриц со структурой (3x3) ячеек, имеет 9 основных и один вспомогательный канал с 10-битными АЦП в каждом из каналов. Помимо десяти АЦП последовательного приближения БИС содержит также источник опорного напряжения, буферное запоминающее устройство типа FIFO на 16 ячеек 16-битных слов, последовательный коммуникационный порт и отладочный порт.

Микросхема разработана для реализации по КМОП технологии с

проектной нормой 0,35 мкм фабрики X-FAB.

Компания SARAD GmbH (Дрезден, Германия) планирует использовать ее в своих портативных приборах для экологического мониторинга. Получен акт о внедрении.

Достоверность

Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается тем, что:

• результаты получены с применением современных средств автоматизированного проектирования (САПР) специализированных аналого-цифровых БИС от ведущих мировых производителей САПР;

• результаты подтверждены данными проведенных испытаний и экспериментальных исследований тестовых образцов разработанных микросхем.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты диссертации докладывались на международной конференции «European Solid-State Circuits Conference - ESSCIRC 2011» (Финляндия, Хельсинки, 2011); на международном симпозиуме «International Symposium on Nuclear Electronics and Computing» (Болгария, Варна, 2011); на международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (Москва, 2010 г.), доклад отмечен грамотой Оргкомитета; на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (Москва, 2010 г.); на ежегодных Научных сессиях МИФИ (2010 - 2014 гг.).

Опубликованные результаты

По теме диссертации опубликовано 7 статей в российских научно-технических журналах, рекомендованных ВАК; 10 статей в российских научно-технических журналах, входящих в российский индекс научного цитирования РИНЦ; 1 статья в научно-техническом журнале, входящим в международную базу данных SCOPUS; 11 тезисов докладов в сборниках российских и международных конференций.

Структура и объём диссертации.

Диссертация содержит 171 страниц, в том числе 108 рисунков, 6 таблиц, и состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы из 155 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая значимость работы.

1. Способы построения и характеристики АЦП

Представлен обзор, посвященный анализу архитектурных решений, применяемых при создании современных микросхем АЦП, с акцентом на выявление особенностей микромощных многоканальных АЦП. Микромощными в этой работе считаются АЦП низкого и среднего быстродействия (до 10 Мвыб/с) с потребляемой мощностью до 1 мВт. В классе АЦП более высокого быстродействия - до 10 мВт.

Основные выводы, которые следуют из проведенного анализа. Многоканальные микромощные АЦП среднего уровня точности (до 14 бит) и среднего быстродействия (от 30 квыб/с до 10 Мвыб/с) реализуются с использованием метода поразрядного взвешивания. Многоканальность обеспечивается применением мультиплексора или АЦП в каждом канале, или путем использования смешанной архитектуры. Многоканальные АЦП более высокого быстродействия реализуются по методу конвейерного преобразования с АЦП в каждом канале, поскольку конвейерная задержка не позволяет применить мультиплексор на входе. В технологическом базисе с проектной нормой менее 130 нм создаются АЦП последовательного приближения сравнимые по быстродействию с конвейерными АЦП (до 100 Мвыб/с).

Особенности рассматриваемых АЦП: минимальные размеры занимаемой области чипа при ограничениях по размерам топологического фрагмента; минимальная потребляемая мощность; минимальное число контактных площадок, приходящихся на АЦП; менее жесткие требования по точности и быстродействию по сравнению с соответствующими показателями АЦП общего применения, реализуемых в том же технологическом базисе.

В таблице 1 приведены характеристики современных зарубежных и отечественных многоканальных АЦП с низким энергопотреблением. Обозначения типов АЦП: ПП — последовательного приближения, КП — конвейерного преобразования, ДС — с дельта-сигма модулятором. В таблице 2 приведены характеристики АЦП, которые были спроектированы при выполнении диссертационного исследования. По основным параметрам они не уступают аналогам в своем классе.

Таблица 1 - Основные характеристики зарубежных и отечественных многоканальных АЦП с низким энергопотреблением

№ Тип, производитель Число каналов (число АЦП) Тип АЦП Разрядность Максим, быстродействие Потребл. мощность на канал (при частоте отсчетов)

бит Мвыб/с мВт

1 ADAS1256 Analog Devices 256 (4) ПП 16 0,045 3

2 ALTRO ST Micro, ЦЕРН 16 (16) кп 10 25 20 (10 МГц)

3 AD9249 Analog Devices 16 (16) кп 14 65 35 (20 МГц)

4 MAX11625 Maxim 16 (1) пп 10 0,3 7

5 AD7490 Analog Devices 16 (1) ПП 12 1 5,4 (870 кГц)

6 LTC1863L Linear Technology 8 (1) ПП 12 0,175 2

7 К1273ПВ10Т ОАО НИИЭТ 6 (6) дс 16 0,064 80

8 АЦП в 1986BE1 ПКК Миландр 8 (1) ПП 12 0,44 11

Таблица 2 - Основные характеристики АЦП, при разработке которых были использованы результаты диссертационного исследования

№ Условное наименование (применение, технология, проектная норма) [исло каналов [число АЦП) Тип АЦП Разрядность/ (эффективная разрядность) Максимальное быстродействие Потребляемая мощность на канал(при частоте отсчетов)

бит Мвыб/с мВт

1 Прототип 1 (СФ-блок для многоканальной СнК, КМОП, 0,18 мкм) 1 (1) КП 9 (8) 20 9 (20 МГц)

2 Прототип 2 (блок АЦП для специализированной ИМС датчиков давления, БиКМОП, 0,35 мкм) 8 (1) ПП 14 (П) 0,032 1 (30 кГц)

3 Прототип 3(10-канальная БИС для матриц кремниевых фотоумножиетелей, КМОП, 0,35 мкм) 10 (Ю) ПП 10 (10) 0,2 0,3 (100 кГц)

2. Проектирование АЦП последовательного приближения

Рассмотрены особенности проектирования главных блоков в составе АЦП последовательного приближения — цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) на основе матрицы переключаемых конденсаторов и компаратора.

Получены аналитические соотношения, описывающие влияние паразитных емкостей матрицы конденсаторов на линейность передаточной характеристики ЦАП. Особенность предложенного подхода в том, что величина паразитной емкости конденсаторов, из которых состоит матрица, представляется суммой двух составляющих, одна из которых (двоично-взвешенная) не влияет на линейность, а другая оказывает непосредственное влияние на линейность передаточной характеристики ЦАП и АЦП. Исследование влияния недвоичной компоненты паразитной емкости на дифференциальную нелинейность (ДНЛ) АЦП позволило установить связь между величиной ДНЛ и топологическими параметрами конденсаторной матрицы:

СРР _ МЗЛ/ 2 • тах | - £ А,

ВЖ (а,И) =-^-——; = 0..(Л'-1),

СРА_СММ-а-(И + к0)

где а - длина стороны единичного конденсатора; И - расстояние от

конденсатора до сигнальной шины; И0 — подгоночный параметр;

СРА_СММ - удельная ёмкость конденсатора; СРР_МЗМ2 - краевая

емкость между двумя слоями металлизации; к, и А, — число

конденсаторов, не относящихся к /-му (/-му) разряду, рядом с которыми

проходит сигнальная шина, подключённая к /'-му (/-му) конденсатору, N

- количество разрядов матрицы.

На рисунке 1 показана зависимость ДНЛ от размера единичного конденсатора и расстояния от него до сигнальной шины. Показаны плоскости ограничений, обусловленные максимально допустимым уровнем ДНЛ (горизонтальная плоскость) и максимально допустимым размером конденсаторной матрицы (вертикальная плоскость). Пересечение поверхности ДНЛ с плоскостью ограничения на размер матрицы образует кривую, минимум которой определяет оптимальные размеры конденсаторной матрицы. Теоретические результаты согласуются с результатами моделирования (расхождение менее 2%) и измерений тестовых образцов разработанного АЦП разрядностью 14 бит (расхождение не превышает 21%).

Ширина конденсатора в, м

Рисунок 1 - Зависимость ДНЛ от размера единичного конденсатора и расстояния от конденсатора до сигнальной шины

Методика проектирования матриц конденсаторов

На основе полученных соотношений предложена методика проектирования конденсаторных матриц с двоично-взвешенными емкостями. Рисунок 2 иллюстрирует порядок действий в соответствии с этой методикой.

Анализ требований ТЗ ▼

11 Опоеделение ограничений

13

1.2 Оценка оптимальных значений

т

1 Проектир«

ование топологии

Схема верхнего уровня

Поведенческое моделирование верхнего уровня

—у—

Планирование топологии верхнего уровня

его I

и

| Планирс

I_-

СТХ"

Проектирование отдельных блоков

| Аналоговые Цифровые

8 блоки блоки

Сборка топологии верхнего уровня

Подготовка к производству

Рисунок 2 - Предлагаемая методика и ее место в типовом маршруте проектирования

Предлагаемая методика:

• является универсальной методикой проектирования устройств на основе массива конденсаторов с двоично-взвешенными емкостями;

• встраивается в типовой маршрут проектирования современных САПР и является частью этапа проектирования отдельных аналоговых блоков;

• позволяет аналитически получить оценки размера конденсаторной матрицы, которые могут быть использованы на этапе планирования топологии всей микросхемы;

• позволяет аналитически оценить оптимальные значения для размера единичного конденсатора и расстояния между конденсаторами внутри матрицы;

• включает в себя оригинальный метод снижения величины ДНИ, основанный на уменьшении недвоичной компоненты паразитной емкости путём добавления к конденсаторам матрицы дополнительных емкостей коррекции.

На рисунке 3 показан пример фрагмента топологии матрицы с компенсацией паразитных емкостей. Дополнительные емкости коррекции Ск реализованы в виде конденсаторов типа металл-оксид-металл на основе структур, образуемых наложением шин, подключенных к верхним и нижним обкладкам конденсаторов в соседних слоях металлизации. Они показаны внутри контуров на рисунке 3. Номиналы и размеры дополнительных конденсаторов рассчитаны согласно представленной методике проектирования.

Рисунок 3 - Фрагмент топологии матрицы конденсаторов с дополнительными элементами для коррекции нелинейности

Проектирование компараторов

Компараторы обычно содержат предварительный усилитель и выходной регенеративный каскад типа триггера-защелки. Если предварительный усилитель имеет большой коэффициент усиления, и для уменьшения напряжения смещения нуля в нем используется автоматическая коррекция (рис. 4), то важным фактором, оказывающим влияние на разрешающую способность компаратора, становится эффект воздействия помех от тактирования регенеративного каскада на выход предварительного усилителя.

Рисунок 4 - Пример построения компаратора с предварительным усилителем и регенеративным каскадом типа триггер-защелка

Исследование влияния этого вида помехи на различные типы выходных каскадов КМОП компараторов показало преимущество схем, в которых отсутствует коммутируемый тактовым сигналом ключ в цепи истоков входной пары транзисторов, как в схеме на рисунке 4.

Для такой схемы впервые получены аналитические оценки, устанавливающие связь между размерами транзисторов каскада, статистическим разбросом топологических и физических параметров и уровнем помехи. Как пример дается оценка амплитуды помехи, вызывающей ложное срабатывание триггера:

^ кКШ-(У0 - V,)[0,5(У0-Уг)Ар + Ап]

(У0-Г,)Ар + \,

Здесь V, — пороговое напряжение NMOП транзисторов, У0 -напряжение опорного источника, Ь, (V — длина и ширина канала входной пары транзисторов, Ап Ар — коэффициенты Пелгрома, характеризующие степень технологического разброса транзисторов, к

— коэффициент, зависящий от свойств нагрузки каскада.

На основе проведенного анализа предложены методы, которые позволяют путем предварительной оптимизации параметров схемы в 3

— 5 раз снизить степень влияния помехи и тем самым повысить разрешающую способность компаратора.

3. Примеры проектирования АЦП

Результаты диссертационного исследования нашли отражение в практических работах по созданию АЦП с низким уровнем энергопотребления. В частности, разработана топология СФ-блока 9-битного конвейерного АЦП с быстродействием 20 Мвыб/сек для использования в составе многоканальной БИС обработки сигналов детекторных систем международного физического эксперимента СВМ, планируемого к проведению на ускорительном комплексе ФАИР в Дармштадте (Германия). Топология блока АЦП и микрофотография фрагмента изготовленной микросхемы показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 - Топология СФ-блока конвейерного АЦП

Один из методов снижения энергопотребления АЦП основан на совместном использовании компараторов смежными каскадами конвейера. Это решение требует наличия двух тактовых сигналов -основной и удвоенной частоты. Для исключения необходимости применения для удвоения частоты блока ФАПЧ, предложена схема удвоителя частоты, показанная на рисунке 6. Там же показаны временные диаграммы.

работы удвоителя частоты

Использование предложенной схемы позволяет значительно - на порядок и более снизить энергопотребление, уменьшить занимаемую

площадь и сократить время проектирования по сравнению с использованием ФАПЧ. Схема может быть использована и в других устройствах, где необходимо удвоение частоты импульсов.

Для специализированной ИМС интеллектуального датчика давления разработан блок АЦП последовательного приближения разрядностью 14 бит. Топология блока АЦП показана на рисунке 7а. Согласно результатам испытаний АЦП, максимальное значение ДНЛ составляет 7 МЗР (эффективная разрядность 11 бит). Это удовлетворяет требованиям ТЗ на ИМС (максимальная погрешность 0,1%), но для повышения точности АЦП была разработана новая версия конденсаторной матрицы. Благодаря использованию предложенной методики проектирования, уровень ошибки, характеризующей ДНЛ, был снижен более чем на порядок при сохранении прежних размеров массива конденсаторов.

Спроектирована специализированная многоканальная БИС обработки сигналов матричного (3x3) фотоумножителя. БИС содержит 9 основных каналов обработки сигналов и дополнительный канал для подключения температурного датчика, контроля питания и других целей. Каждый канал содержит АЦП последовательного приближения разрядностью 10 бит. Общими блоками являются источник опорного напряжения, буферное запоминающее устройство и цифровые интерфейсы. АЦП разработаны с использованием предложенной методики проектирования, которая позволила удовлетворить обусловленным многоканальностью ограничениям на размеры блоков. На рисунке 76 показана топология БИС.

а б

Рисунок 7 - Топология блока АЦП последовательных приближений в составе ИМС для датчиков давления (а) и топология многоканальной БИС обработки сигналов матриц кремниевых фотоумножителей (б)

Заключение

Основным научным результатом диссертационной работы является решение актуальной задачи разработки схемотехнических и конструктивно-топологических методов проектирования

микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле как средства повышения уровня функциональной интеграции электронной аппаратуры с ограниченными энергоресурсами благодаря возможности увеличения числа каналов и снижения энергопотребления, что являлось целью диссертации. Таким образом, можно считать, что поставленная цель достигнута.

Теоретические результаты

1. Впервые получены аналитические соотношения, устанавливающие связь между линейностью АЦП последовательного приближения на основе матриц переключаемых конденсаторов, паразитными параметрами схемы и топологическими параметрами массива конденсаторов, что позволило создать основу новой формализованной методики проектирования конденсаторных матриц.

2. Разработана новая методика проектирования матриц конденсаторов в составе АЦП последовательного приближения, которая при заданных ограничениях на размеры матриц обеспечивает достижение необходимой или близкой к максимально-возможной точности АЦП конструктивно-топологическими методами без автокалибровки.

3. На основе исследования эффекта снижения разрешающей способности компаратора при действии помех от тактовых импульсов на вход регенеративного каскада, впервые получены аналитические оценки, которые устанавливают связь между размерами транзисторов в каскаде, разбросом их параметров и уровнем помехи, вызывающим ложное срабатывание компаратора.

Практические результаты

1. Предложен новый метод удвоения тактовой частоты импульсной последовательности, обеспечивающий необходимую для рассматриваемых применений точность без ФАПЧ. Он позволяет уменьшить площадь блока удвоителя частоты и его потребляемую мощность более чем на порядок и может быть применен для построения схем тактирования компараторов конвейерных АЦП, где используется метод снижения энергопотребления путем совместного

использования части блоков компараторов смежными каскадами конвейера. Он может быть применен и в других устройствах, где необходимо удвоение частоты импульсов.

2. Разработаны топология и схемные решения трех прототипов КМОП и БиКМОП АЦП с низким уровнем энергопотребления, которые были использованы при создании многоканальной БИС для детекторных систем планируемого международного физического эксперимента СВМ, при проведении НИОКР «Разработка специализированной микросхемы ASIC для датчика давления и исследование её параметров» в ФГУП ВНИИА имени H.JI. Духова и при разработке многоканальной микросхемы для обработки сигналов матриц кремниевых фотоумножителей и датчиков давления в составе приборов экологического мониторинга в компании SARAD GmbH (Дрезден, Германия).

3. Создан специализированный аппаратно-программный комплекс для автоматизированного измерения параметров АЦП, разработано специальное программное обеспечение в среде Matlab для обработки экспериментальных данных. Проведен комплекс испытаний тестовых партий прототипов АЦП, подтвердивший правильность предложенных технических решений, использованных в исследованных микросхемах.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Осипов Д.Л., Симаков А.Б., Мирошниченко В.П., Онищенко Е.М. Блок АЦП специализированной ИМС для датчиков давления // Датчики и системы, 2012, № 11. С. 21-25.

2. Осипов Д.Л., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А. Автоматизированный измеритель статических параметров аналого-цифровых преобразователей // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 5. С. 107- 108.

3. Бутузов В.А., Бочаров Ю.И., Осипов Д.Л., Симаков А.Б. Способ повышения линейности АЦП последовательного приближения с матрицей переключаемых конденсаторов // Радиопромышленность. 2012. №3. С. 14-23.

4. Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Осипов Д.Л. Микромощный быстродействующий АЦП для многоканальных систем // Датчики и системы. 2011. №5. С. 48-50.

5. Бутузов В.А., Бочаров Ю.И., Гуменюк A.C., Осипов Д.Л., Симаков А.Б., Аткин Э.В. СФ-блок быстродействующего микромощного

АЦП для многоканальной системы на кристалле / Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. Сб. тр. 4-ой Всероссийской н-т конф. «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС) - 2010». - М.: ИППМ РАН, 2010. С. 517 - 520.

6. Осипов Д.Л., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Симаков А.Б., Аткин Э.В. Создание компактных поведенческих моделей аналого-цифровых блоков на основе результатов испытаний тестовых образцов микросхем / Проблемы разработки перспективных микро-и наноэлектронных систем. / Сб. тр. 4-ой Всероссийской н-т конф. «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» - М.: ИППМ РАН, 2010. С. 150 - 153.

7. Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Гуменюк A.C., Осипов Д.Л., Симаков А.Б. Новый способ автокалибровки для конвейерных КМОП АЦП // Датчики и системы. 2010. № 5. С. 71 - 74.

Статьи и материалы конференций

8. Симаков А.Б., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А. Разработка СФ-блоков интегральной микромощной электроники для интеллектуальных кремниевых фотоэлектронных умножителей // Труды первой российско-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники». Том 1. — Нижний Новгород, 2013. С. 49-52.

9. Osipov D. L., Bocharov Yu. I., Butuzov V. A. The behavioral model of a split capacitor array involved in the successive approximation register ADC and taking into account the effect of parasitic capacitors // Russian Microelectronics. 2013. Vol. 42. No. 4. pp. 253 -259.

10. Бутузов B.A., Бочаров Ю.И., Осипов Д.Л., Симаков А.Б. Конструктивно-топологические методы повышения точности АЦП последовательных приближений // Научная сессия НИЯУ МИФИ -2013. Аннотации докладов. Том 1. Инновационные ядерные технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. С. 133.

П.Осипов Д.Л., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А. Современные подходы к проектированию аналого-цифровых БИС, основанные на использовании методов многоуровневого моделирования // Вестник Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. 2012. Том 1. № 1. С. 89-92.

12. Бутузов В. А., Бочаров Ю.И., Осипов Д. Л., Симаков А.Б. Прецизионный БиКМОП АЦП последовательного приближения с низким энергопотреблением // Вестник Национального

исследовательского ядерного университета «МИФИ». 2012. том 1. № 1. С. 84-88.

13. Бутузов В.А., Бочаров Ю.И., Осипов Д.Л. Программно-аппаратный измерительный комплекс для тестирования статических характеристики АЦП // Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2012. Аннотации докладов. Том 1. Инновационные ядерные технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. С. 137.

14.Bocharov Yu., Butuzov V., Osipov D., Simakov A., Atkin E. A Low-Power 9-bit Pipelined CMOS ADC for the front-end electronics of the Silicon Tracking System // Proceedings of XXIII International Symposium on Nuclear Electronics & Computing (NEC 2011), 2011. pp. 77-85.

15. Осипов Д.Л., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А. Автоматизация измерений с помощью программных средств Expect/Tcl на примере тестирования АЦП // Компоненты и технологии. 2011. № 8. С. 196 -199.

16.Bocharov Y., Butuzov V., Osipov D., Simakov A., Atkin E. A Low-Power 9-bit Pipelined CMOS ADC with Amplifier and Comparator Sharing Technique. // 37th Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC 2011). 2011. Helsinki Finland / Fringe poster session. URL: http://www.esscirc2011.org/fringe.php

17. Atkin E., Bocharov Yu., Butuzov V., Klyuev A., Osipov D., Shumikhin V., Simakov A., Voronin A. Development of a data-driven readout ASIC for microstrip detectors / CBM Progress Report 2010. - GSI Darmstadt. 2011. P. 23. ISBN 978-3-9811298-8-5. URL: https://www.gsi.de/documents/DOC-2011-Mar-235-2.pdf

18. Бутузов В.А., Бочаров Ю.И., Осипов Д.Л., Симаков А.Б. Прецизионный БиКМОП АЦП последовательных приближений с низким энергопотреблением // Научная сессия НИЯУ МИФИ -2011. Аннотации докладов. Том 1. Инновационные ядерные технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. С. 135.

19. Atkin Е., Bocharov Yu., Butuzov V., Klyuev A., Osipov D., Semenov D., Simakov A. Development of the derandomizing architecture for CBM-CTC /СВМ Progress Report 2009 - DSI Darmstadt. 2010. P. 45. ISBN: 978-3-9811298-7-8. URL: http://www.gsi.de/documents/DOC-2010-Apr-17-l.pdf

20. Осипов Д.Л., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Симаков А.Б. Создание высокоуровневых моделей аналого-цифровых блоков по результатам испытаний тестовых образцов // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ-2010. Том II. -НИЯУ МИФИ, 2010. С. 250-253.

21. Бутузов В.А., Бочаров Ю.И., Гумеиюк A.C., Осипов Д.Л. Быстродействующий АЦГТ с низким энергопотреблением для многоканальных систем обработки сигналов / Труды Российского научн.-техн. общества им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск: XII - Москва, 2010. С. 275 -279.

22. Осипов Д.Л., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Симаков А.Б. Способ построения компактных поведенческих моделей аналоговых и аналого-цифровых блоков на основе результатов испытаний тестовых образцов / Труцы Российского научн.-техн. общества им.

A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск: XII. - Москва, 2010. С. 272 - 275.

Свидетельства о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы

1. Специализированная интегральная микросхема для датчика давления. / Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2012630037. / Аткин Э.В., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Клюев А.Д., Осипов Д.Л., Шумихин

B.В., Самосадный A.B. / Зарегистрировано в Реестре топологий интегральных микросхем 7 марта 2012 г.

2. Четырёхканальная специализированная микросхема для считывания сигналов микрополосковых кремниевых детекторов. / Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2010630091. / Аткин Э.В., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Волков Ю.А., Клюев А.Д., Осипов Д.Л., Силаев A.C., Симаков А.Б. / Зарегистрировано в Реестре топологий интегральных микросхем 17 сентября 2010 г.

Учебно-методические работы

1. Аткин Э.В., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А., Осипов Д.Л. и др. Основы работы с пакетами САПР интегральных микросхем на платформе Cadence Virtuoso: Сб. лабораторных работ. - М.: НИЯУ МИФИ, 2011.-92 с.

2. Аткин Э.В., Бочаров Ю.И., Бутузов В.А. Осипов Д.Л. и др. Проектирование элементов аналого-цифровых интегральных микросхем: Лабораторный практикум. - М.: НИЯУ МИФИ, 2012. — 56 с.

Подписано в печать:

05.03.2014

Заказ № 9375 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

,_.„_- На правах рукописи

04201 * ^

Бутузов Владимир Алексеевич

Микромощные АЦП для многоканальных устройств сбора данных и систем на кристалле

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная

электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано-электроника, приборы на квантовых эффектах.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Подпись автора:

Научный руководитель: к.т.н., доцент Бочаров Ю.И.

Москва 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

1. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП.....................20

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ

.............................................................................................................................43

2.1. Проектирование конденсаторной матрицы ЦАП в составе АЦП последовательного приближения...................................................................48

2.1.1 Анализ влияния топологических параметров конденсаторной матрицы ЦАП в составе АЦП последовательного приближения на линейность его передаточной характеристики..........................................48

2.1.1.1 Анализ погрешностей...................................................................49

2.1.1.2 Влияние геометрии матрицы на погрешность нелинейности АЦП ....................................................................................................................54

2.1.2 Методика проектирования ЦАП на переключаемых конденсаторах в составе АЦП последовательного приближения.........................................57

2.1.2.1 Проектирование топологии матрицы............................................59

2.1.2.2 Тестирование ЦАП на основе конденсаторной матрицы...........64

2.2. Проектирование компараторов................................................................67

2.2.1 Компараторы в составе АЦП разрядностью 10 бит и 14 бит............67

2.2.2 Компараторы в составе быстродействующего АЦП разрядностью 9 бит.................................................................................................................86

2.3 Выводы......................................................................................................88

3. ПРИМЕРЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АЦП....................................................90

3.1. Разработка СФ-блока АЦП конвейерного типа......................................90

3.1.1 Архитектура АЦП...............................................................................90

3.1.2 Схема удвоения частоты.....................................................................93

3.1.3 Проектирование топологии АЦП.......................................................94

3.1.3.1 Технологический базис.................................................................94

3.1.3.2 Планирование топологии каскадов..............................................95

3.1.3.3 Согласованный массив конденсаторов........................................97

3.1.3.4 Проектирование топологии ОУ....................................................97

3.1.3.5 Проектирование шин...................................................................100

3.1.3.6 Общая топология АЦП...............................................................100

3.1.4 Результаты тестирования АЦП.........................................................103

3.2. Разработка АЦП последовательного приближения для датчика давления.........................................................................................................105

3.2.1 Описание специализированной ИМС для датчика давления........105

3.2.2 Архитектура и принцип работы АЦП..............................................106

3.2.3 Проектирование регистра последовательного приближения.........108

3.2.4 Проектирование компаратора...........................................................109

3.2.5 Проектирование ЦАП на основе конденсаторной матрицы...........111

3.2.5.1 Конденсаторная матрица............................................................111

3.2.5.2 Ключи...........................................................................................113

3.2.6 Проектирование топологии АЦП.....................................................114

3.2.7 Тестирование изготовленного образца АЦП...................................117

3.2.7.1 Описание измерительного стенда и методики измерений........117

3.2.7.2 Результаты измерений.................................................................118

3.2.8 Проектирование матрицы для перспективной версии АЦП...........120

3.3. Разработка АЦП для преобразования сигналов кремниевых фотоумножителей.........................................................................................125

3.3.1 Архитектура ИМС.............................................................................125

3.3.2 Архитектура АЦП.............................................................................126

3.3.3 Проектирование регистра последовательного приближения.........127

3.3.4 Проектирование компаратора...........................................................128

3.3.5 Проектирование ЦАП на основе матрицы конденсаторов.............129

3.3.5.1 Матрица конденсаторов..............................................................129

3.3.5.2 Ключи...........................................................................................131

3.3.5.3 Результат моделирования ЦАП на основе конденсаторной матрицы...................................................................................................133

3.3.6 Разработка источника опорных напряжений...................................133

3.3.7 Проектирование топологии АЦП.....................................................140

3.3.8 Результаты моделирования АЦП.....................................................143

3.4 Выводы....................................................................................................145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................150

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..............................................................................166

Приложение А. Свидетельство о Государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2010630091 ..................................................... 167

Приложение Б. Акт о внедрении результатов диссертации в ФГУП ВНИИА им. Н. Л. Духова...............................................................................................168

Приложение В. Свидетельство о Государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2012630037.....................................................169

Приложение Г. Акт о внедрении результатов диссертации в SARAD GmbH ...........................................................................................................................170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Интегральные микросхемы (ИМС) аналого-цифровых преобразователей (АЦП) находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, а их проектирование является традиционной задачей производителей ИМС и разработчиков сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) больших интегральных схем (БИС) типа «система на кристалле» (СнК). Микросхемы АЦП производятся и разрабатываются многими зарубежными компаниями и рядом отечественных предприятий и центров проектирования БИС.

К ведущим зарубежным производителям АЦП можно отнести компании Analog Devices, Linear Technologies, Texas Instruments, Maxim Integrated, ST Microelectronics, NXP Semiconductors. Среди отечественных производителей микросхем АЦП и блоков АЦП в составе микроконтроллеров и СнК можно отметить ОАО «НИИМЭ и Микрон», ЗАО «ПКК Миландр», ОАО «Ангстрем», ОАО НПЦ «ЭЛВИС» (г. Москва, Зеленоград), ОАО «НИИМА «Прогресс», ОАО НПП «САПФИР» (г. Москва), ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж). Многие центры проектирования БИС и группы разработчиков в университетах и других организациях также ведут работы по созданию специализированных микросхем АЦП и СФ-блоков АЦП для СнК различного назначения. Научно-исследовательские работы (НИР) в этом направлении проводятся на кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ, где были разработаны микросхемы и СФ-блоки специализированных АЦП. В этих работах использованы результаты данного диссертационного исследования. Особенность разработанных микросхем и СФ-блоков в том, что они являются специализированными устройствами и ориентированы на применение в составе многоканальных БИС, содержащих большое число АЦП, и в составе СнК для преобразования сигналов датчиков в аппаратуре с ограниченными энергоресурсами.

В многоканальных системах широко используются АЦП с аналоговым коммутатором (мультиплексором) на входе. Вместе с тем, в ряде областей нашли применение многоканальные устройства на базе БИС с архитектурой «АЦП на канал» и цифровым мультиплексированием на выходе. К таким устройствам можно отнести детекторные системы регистрации потоков частиц в физике высоких энергий и медицине, системы считывания сигналов фотоприемных матриц, а также системы сбора данных с одновременной выборкой отсчетов сигналов в нескольких каналах. Альтернативным способом построения таких устройств является использование архитектуры с аналоговыми трактами, содержащими устройства выборки-хранения (УВХ) или амплитудные (пиковые) детекторы в каждом канале. Один АЦП может обслуживать несколько каналов, используя ту или иную систему опроса. Такое построение не исключает применения БИС с несколькими каналами АЦП. Более того, обе части - тракты предварительной аналоговой обработки и блоки АЦП, каждый из которых может обслуживать один или несколько каналов, могут быть интегрированы в одной БИС. В настоящее время производятся микросхемы, содержащие от 8 до 256 каналов аналоговой обработки, мультиплексируемых на входы от 1 до 16 блоков АЦП.

Проектирование специализированных многоканальных АЦП имеет ряд особенностей по сравнению с проектированием микросхем АЦП общего применения для промышленной автоматизации, измерительной техники, связи и других областей. Например, часто оказываются ослабленными требования к быстродействию, особенно если АЦП есть в каждом канале, а поток сигналов случайный, с относительно низкой средней интенсивностью, что характерно для ряда детекторных систем, используемых в экспериментах в области физики высоких энергий. Достаточно редко требуется быстродействие выше 10 Мвыб/с, что на порядок меньше, чем быстродействие АЦП, которые применяются в современных системах связи. Еще ниже требования к быстродействию специализированных АЦП для многоканальных систем считывания сигналов линейных и матричных

фотоприемников сцинтилляционных детекторов, применяемых в приборах экологического контроля и в медицинской аппаратуре (от 100 до 500 квыб/с на канал).

Также часто оказываются ослабленными требования к точности рассматриваемых специализированных АЦП по сравнению с типовыми микросхемами АЦП, применяемыми в промышленности, связи, специальной технике и других областях. Во многих многоканальных детекторных системах для физических экспериментов требуемая разрядность АЦП составляет 6-9 бит, в системах считывания сигналов фотодетекторов типовая разрядность АЦП составляет 8-10 бит.

Ослабление требований по быстродействию и точности для рассматриваемых АЦП сопровождается существенным усилением требований к уровню энергопотребления, который часто становится критически значимым фактором при проектировании таких устройств. Например, в аппаратуре для физических экспериментов при числе каналов считывания более миллиона, лимит потребляемой мощности одного канала составляет величину порядка 1 мВт, поэтому потребляемая мощность АЦП группы каналов ограничена уровнем порядка 10 мВт. Требования к уровню энергопотребления специализированных АЦП в составе СнК для устройств с удаленными датчиками в транспортных сетях, системах экологического мониторинга и других системах с автономным питанием, еще более строгие. Для них лимит потребляемой мощности АЦП обычно не превышает 1 мВт.

Другими особенностями специализированных многоканальных АЦП по сравнению с микросхемами АЦП общего применения являются более жесткие ограничения на величину занимаемой площади на чипе, количество внутренних контактных площадок и доступных внешних выводов, приходящихся на один блок АЦП.

Методы проектирования рассматриваемых специализированных АЦП также имеют ряд особенностей по сравнению с методами проектирования АЦП общего применения, в которых получение высоких значений

качественных показателей может достигаться путем использования цифровой автокалибровки, заводской подстройки прецизионных элементов, подключением внешних настраиваемых компонентов. Для рассматриваемых АЦП эти способы не могут быть использованы в полной мере из-за ограничений на площадь, что не позволяет поместить процессорный модуль и память для автокалибровки в каждом канале, не позволяет разместить подстраиваемые элементы, требующие дополнительной площади и дополнительных контактов.

Кроме того, индивидуальная настройка многих АЦП в составе БИС, имеющих ограниченное число внешних контактов, требует введения в состав микросхемы модуля периферийного сканирования аналоговых блоков,, что не всегда оправдано. Желательно, чтобы высокий процент выхода годных микросхем, содержащих рассматриваемые специализированные АЦП, достигался без дополнительной калибровки и подстройки элементов (или с минимальным числом настроечных элементов), возможно, ценой некоторого снижения точности и быстродействия по сравнению с микросхемами АЦП для других областей применения.

Если необходимо включить микромощный АЦП в состав СнК с процессорным модулем, то при наличии необходимых вычислительных ресурсов и площади на чипе может быть использован СФ-блок увеличенной до 12 — 14 бит разрядности. Для калибровки в этом случае используется процессорный модуль, который способен выполнять также дополнительные функции, например, коммуникационного контроллера.

Методы проектирования рассматриваемых специализированных микросхем не направлены на достижение предельных показателей точности и быстродействия. Должно обеспечиваться необходимое сочетание точностных и динамических параметров при ограничениях на потребляемую мощность, занимаемую площадь и число внешних выводов, с учетом свойств компонентов, доступных в используемом технологическом процессе.

Выбор типов АЦП для решения поставленных задач является традиционным. В многоканальных БИС детекторной электроники для физических экспериментов, реализуемых по технологиям с проектными нормами 0,18 мкм и более, обычно используют АЦП конвейерного типа. В многоканальных БИС и СнК, предназначенных для применений с меньшими требованиями к быстродействию, применяют АЦП поразрядного взвешивания (последовательного приближения) с цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) на базе матриц переключаемых конденсаторов. В классе устройств средней точности и быстродействия КМОП АЦП последовательного приближения имеют преимущество в энергопотреблении по сравнению с конвейерными и дельта-сигма АЦП.

Проектированию микросхем АЦП посвящено чрезвычайно большое число работ отечественных и зарубежных авторов. Представлены все уровни типового маршрута разработки и верификации с использованием современных средств автоматизированного проектирования (САПР) — системный (поведенческий), схемный (компонентный) и физический (конструктивно-топологический). Много работ посвящено методам снижения потребляемой мощности КМОП АЦП конвейерного типа и особенностям схемотехники микромощных КМОП АЦП последовательного приближения.

Близким к данному исследованию по предметной области и тематике является ряд диссертационных работ, выполненных в НИЯУ МИФИ.

В диссертации Д.Л. Осипова «Применение поведенческих моделей для проектирования сложно-функциональных блоков аналого-цифровых преобразователей» (2013 г.) предложена поведенческая модель ЦАП на основе переключаемых конденсаторах, но не рассматриваются вопросы проектирования ЦАП. В диссертации A.C. Гуменюка «Аналого-цифровые преобразователи конвейерного типа с пониженной потребляемой мощностью» (2009 г.) рассмотрены вопросы снижения энергопотребления конвейерных АЦП и предложен метод совместного использования компараторов смежными каскадами конвейера, но не рассмотрен способ

формирования дополнительного тактового сигнала удвоенной частоты, необходимого для реализации предложенного метода. В диссертациях A.C. Силаева «Аналого-цифровые микроэлектронные устройства амплитудной обработки сигналов микрополосковых детекторов» (2010 г.), А.Д. Клюева «Методы и средства обработки сигналов многоканальных детекторов устройствами, управляемыми потоком данных» (2010 г.) и В.В. Шумихина «Маломощные амплитудные тракты КМОП интегральных микросхем для микрополосковых детекторов» (2013 г.), исследованы различные аспекты построения трактов многоканальных систем для физических экспериментов, но в них не затрагиваются вопросы проектирования АЦП.

Среди множества зарубежных работ по рассматриваемой тематике следует отметить работы М. Idzik, К. Swientek и Т. Fiutowski (AGH, Польша), в которых рассмотрены микромощные АЦП для электроники физических экспериментов. Однако в них отсутствует теоретический анализ влияния параметров топологии на характеристики АЦП.

Таким образом, несмотря на большое число работ, посвященных общим вопросам проектирования КМОП АЦП, практически отсутствуют работы, в которых были бы собраны и обобщены собраны и обобщены данные по методам схемного и топологического проектирования, ориентированным на разработку микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле, учитывающим их специфику и комплекс особых требований к таким специализированным микросхемам.

Вопросам исследования, обобщения и развития методов схемного и топологического проектирования микромощных АЦП для многоканальных БИС и систем на кристалле посвящено данное диссертационное исследование. Его конечной целью является