автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Шумовые свойства и схемотехника сигма-дельта модуляторов прецизионных аналого-цифровых преобразователей

На правах рукописи

КОЛЕСНИКОВ Дмитрий Васильевич

ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА И СХЕМОТЕХНИКА СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОВ ПРЕЦИЗИОННЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж — 2013

005545365

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежском государственном университете»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

Бормонтов Евгений Николаевич

Акулинин Станислав Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет, профессор кафедры

полупроводниковой электроники и

наноэлектроники;

Дыбой Александр Вячеславович,

кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет, доцент кафедры электроники

Ведущая организация

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронной техники» (ОАО «НИИЭТ»), г. Воронеж

Защита состоится 26 ноября 2013 г. в 14:00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан "24" октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов Митрофан Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные информационные технологии требуют непрерывного расширения функциональных возможностей электронных схем, что сопровождается ужесточением требований к их составляющим блокам и компонентам.

Преимущества цифровых методов обработки информации в настоящее время не нуждаются в доказательствах, а их реализация невозможна без высококачественных устройств, осуществляющих преобразование аналоговых сигналов в цифровые - аналого-цифровых преобразователей (АЦП). При этом аналого-цифровые преобразователи используются практически во всех устройствах обработки информации с цифровой элементной базой, находя широкое применение в различных областях современной науки и техники, а именно в измерительной аппаратуре, сигнальных процессорах, системах преобразования и отображения информации, системах управления технологическими процессами и т.д.

Одним из аспектов развития аналого-цифровых преобразователей в интегральном БиКМОП исполнении является широкое распространение микропроцессоров и цифровых методов обработки информации. Существующая потребность в микросхемах АЦП приводит к их производству и проектированию с новыми, более качественными характеристиками.

Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи в ряду прочих преобразователей занимают особое место, поскольку обладают исключительными свойствами, позволяющими обеспечивать точность преобразования выше 16 разрядов в условиях стандартных субмикронных технологий. Достоинствами сигма-дельта преобразователей являются низкая интегральная нелинейность, малый дрейф усиления, широкий динамический диапазон, программируемый баланс между скоростью и разрешением.

Прецизионные сигма-дельта АЦП находят применение во многих областях, включая управление процессами обработки информации, преобразование сигналов датчиков, измерительное и медицинское оборудование, инструментальные приложения, сбор данных, преобразование сигналов точных датчиков и многое другое.

Эффективное число разрядов преобразователя данных непосредственно зависит от уровня шума в полосе сигнала. В связи с этим наиболее критичным узлом сигма-дельта АЦП является модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума.

Таким образом, построение сигма-дельта модулятора с низким уровнем шума является в настоящее время весьма значимой и актуальной задачей.

Цель работы: совершенствование шумовых свойств сш>ш»дедыа. модуляторов с различными типами шумовых характеристик, реализация сигма-

дельта модуляторов обладающих оптимальными шумовыми характеристиками с использованием равноволновых типов аппроксимаций при построении шумовой и сигнальной передаточных характеристик, разработка схемотехники основных узлов сигма-дельта модуляторов, применяемых в прецизионных системах обработки информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать зависимость уровня подавления шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от коэффициента избыточной дискретизации при различных порядках модулятора для аппроксимаций Батгерворта, инверсной Чебышева и Золотарева;

- сопоставить известные численные методы приближения с наиболее эффективными стандартными аппроксимирующими функциями;

- определить зависимость уровня подавления в сигнальной полосе золотаревской шумовой передаточной характеристики от порядка модулятора, ширины сигнальной полосы, величины неравномерности;

- реализовать способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с различным расположением нулей в полосе непрозрачности;

- разработать основные узлы сигма-дельта модуляторов в рамках субмикронной БиКМОП технологии 0,35 мкм.

Научная новизна диссертации определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем:

1. Исследование- возможностей равноволновых типов аппроксимаций (Золотарева и Чебышева второго рода) при построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора установило заметное преимущество дробей Золотарева, которое позволяет снизить порядок модулятора для получения заданного уровня подавления или увеличить подавление при заданном порядке.

2. Сопоставление известных подходов к построению шумовых передаточных функций с равноволновыми типами аппроксимации выявило преимущество аппроксимации дробями Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума за пределами полосы сигнала.

3. Получена зависимость уровня подавления золотаревской шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от порядка модулятора, ширины сигнальной полосы, величины неравномерности. Наличие колебаний в полосе пропускания приводит к тому, что построенная зависимость имеет локальный максимум подавления, а это, в свою очередь, обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.

4. Реализован предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с заданными полюсами (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614639 «Синтез

оптимальной шумовой функции передачи для прецизионных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей»).

5. Разработаны основные узлы сигма-дельта модуляторов по субмикронной БиКМОП-технологни (получены патенты на полезные модели: №114396 «Компаратор для 1,5-битного аналого-цифрового преобразователя», №130122 «Устройство выборки-хранения данных»).

Научная и практическая значимость диссертации.

В зарубежной и отечественной практике проектирования при построении передаточных характеристик модулятора широко распространен численный метод "delta-sigma toolbox". Сопоставление возможностей этого метода с использованием стандартных аппроксимирующих функций показало преимущества дробей Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе модулятора несмотря на то, что автор численного метода определяет его как оптимальный при синтезе шумовой передаточной характеристики. При этом уменьшение коэффициента избыточной дискретизации и рост порядка модулятора приводит к снижению эффективности численного метода. Таким образом, установлено, что шумовая передаточная характеристика сигма-дельта модулятора, аппроксимированная дробями Золотарева, обладает оптимальными характеристиками по уровню подавления шума в сигнальной полосе.

Предложенные способы построения шумовой и сигнальной передаточных характеристик позволяют получить сигма-дельта модулятор с усовершенствованными шумовыми характеристиками, что обеспечивает повышение качества систем обработки информации, таких как линии связи, сигнальные процессоры, системы звуковоспроизведения, контроллеры, контрольно-измерительная аппаратура и др.

Предложенные схемотехнические подходы к построению основных узлов позволили реализовать сложно-функциональный блок сигма-дельта модулятора второго порядка, исполненный по субмикронной БиКМОП технологии 0.35 мкм. Разработанный сигма-дельта модулятор имеет следующие характеристики: ширину полосы пропускания до 1 кГц, потребление не более 500 мкА при напряжении питания 3.3 В, отношение сигнал-шум 110 дБ при коэффициенте избыточной дискретизации 1024. В составе аналого-цифрового преобразователя модулятор обеспечивает 16-разрядную точность, что подтверждается результатами испытаний экспериментальных образцов.

Результаты диссертации использованы в ряде НИОКР по темам:

«Разработка аналоговых и цифро-аналоговых компонентов для унифицированной платформы «системы-на-кристалле» - модулей АЦП и ЦАП и программируемого синтезатора частот с фазовой автоподстройкой (ФАПЧ)» в рамках государственного контракта № 02.527.12.9001 от 13.09.2007 г.;

- «Разработка перспективной электронной компонентной базы беспроводных микро- и наносистем на основе технологий «система-на-кристалле» в рамках государственного контракта № 6628р/9248 от 24.02.2009 г.;

- «Разработка СФ-блока 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя для энергосберегающих систем жизнеобеспечения зданий и сооружений» (государственный контракт № 8125р/12821 от 28.06.2010 г.);

- «Проектирование аналогового интерфейса для систем сбора данных и микроконверторов для интеллектоуправляемых систем энергосбережения» (государственный контракт№ 8128р/12820 от 28.06.2010 г.);

- «Разработка КМОП 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя в технологии 0,35 мкм» (государственный контракт № 8965р/14052 от 19.04.2011 г.).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1.При построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора использование дробей Золотарева дает наилучший результат по сравнению с аппроксимациями Баттерворта и инверсной Чебышева.

2. Наличие колебаний в полосе пропускания золотаревской шумовой передаточной характеристики приводит к появлению максимума ее подавления, что обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.

3. Сравнение шумовых передаточных характеристик, аппроксимированных дробями Золотарева и Чебышева второго рода с численной оптимизацией по "delta-sigma toolbox", показывает преимущества золотаревской аппроксимации как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе.

4. Сопоставление зависимости глубины подавления от величины коэффициента избыточной дискретизации показывает преимущество дробей Золотарева перед численным методом.

5. Предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики позволяет увеличить уровень подавления в необходимом диапазоне частот.

6. Уровень подавления сигнальной передаточной характеристики за полосой пропускания меньше для золотаревской шумовой передаточной характеристики, чем для инверсной чебышевской, однако амплитудно-частотная характеристика модулятора в этом случае имеет более крутой спад.

Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались на следующих конференциях:

международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2009,2010, 2013);

- научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2012);

- международной финальной конференции проекта 7РП 8ЕМШЕС «Стимулирование Российско-Европейского сотрудничества в области разработки полупроводников» (Москва, 2011 г.).

Публикации н лнчиый вклад автора. По теме диссертации опубликована двадцать одна научная работа, в том числе в 2-х изданиях рекомендованных ВАК РФ, два патента на полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [1-10, 12-13] -анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [11, 14-21] - проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной КМОП-технологии в составе систем на кристалле.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 71 наименование. Работа изложена на 136 страницах, содержит 14 таблиц и 80 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Описаны основные задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях.

В первой главе представлен литературный обзор, отражающий возможности сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей для прецизионной обработки сигналов, принципы построения сигма-дельта преобразователей, работу сигма-дельта модулятора во временной и частотной областях, свойства избыточной дискретизации, ограничения, которые накладывает критерий устойчивости сигма-дельта модулятора.

Во второй главе рассмотрены основные параметры, характеризующие сигма-дельта модулятор, архитектуры его построения и их передаточные функции, а также исследованы возможности синтеза шумовой и сигнальной передаточной характеристик модулятора.

Выполнено построение зависимости уровня подавления шумовой передаточной характеристики (ШПХ) в сигнальной полосе от коэффициента избыточной дискретизации при порядках модулятора 1..7 (АО Для аппроксимаций Баттерворта, инверсной Чебышева и Золотарева (рис. 1). Кривые построены с учетом требования устойчивости модулятора, в соответствии с которым максимум шумовой характеристики за пределами сигнальной полосы не должен превышать 3,5 дБ.

г

8)

Рис. 1. Зависимость уровня подавления ШПХ в сигнальной полосе (/?,) от коэффициента избыточной дискретизации (К) сигма-дельта модуляторов различных порядков при: а) баттервортовской аппроксимации, б) инверсной чебышевской, в) золотаревской

Приведенные зависимости показывают заметное преимущество аппроксимации Золотарева, дающее возможность снизить порядок модулятора для получения заданного подавления или увеличить подавление при заданном порядке.

Установлено, что наличие пульсаций за пределами сигнальной полосы (/?/>) золотаревской шумовой передаточной характеристики дает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора в связи с тем, что изменение величины ,/?/> влияет на уровень подавления шума в сигнальной полосе (рис. 2).

Проведено сравнение численного расчета с аппроксимацией Золотарева в равных условиях по ширине сигнальной полосы, которое показало хотя и не очень значительное, но заметное ее преимущество. В таблице 1 для сравнения приведены положения нулей в обоих вариантах и преимущество аппроксимации Золотарева по величине отношения сигнал/шум Таблица составлена для одного из

типичных значений коэффициента избыточной дискретизации К = 64 при со$ = рУК = 0,04906.

Обнаружено преимущество дробей Золотарева перед численным методом при сопоставлении зависимости глубины подавления от величины коэффициента

избыточной дискретизации (рис. 3). При этом, в частности, для значения коэффициента К = 8 золотаревская аппроксимация дает выигрыш в подавлении 8,3 дБ, а для К = 256 - 4,7 дБ.

г'' I ! !'" г.....■ Л к = ы

Рис. 2. а) взаимосвязь К, Ир, для 5-го порядка модулятора, б) сечение поверхности параллельной - при К = 64

Получена сигнальная передаточная характеристика модулятора с заданными полюсами и малой неравномерностью АЧХ в сигнальной полосе. Для построения сигнальной передаточной характеристики (СПХ) использовался стандартный метод оптимизации, заложенный в среде Ма11аЬ.

Таблица 1.

Положение нулей ШПХ численного метода и золотаревской аппроксимаций при порядках модулятора 1..7

N 0).ч Расположение нулей в численном методе Расположение нулей в аппроксимации Золотарева Выигрыш ЯУД дБ

I 0 0 0 0

2 0.040 0.028 0.02946 1.47 дБ

3 0.043 0; 0.038 0; 0.03821 1.95 дБ

4 0.045 0.016; 0.042 0.017; 0.042 2.60 дБ

5 0.046 0; 0.026; 0.044 0; 0.028; 0.045 3.19 дБ

6 0.0474 0.011; 0.032; 0.046 0.013; 0.034; 0.046 3.42 дБ

7 0.0478 0; 0.020; 0.036; 0.047 0; 0.021; 0.038; 0.047 3.55 дБ

Рис. 3. Подавление ШПХ для модулятора 5-го порядка, 1 - аппроксимация "delta-sigma toolbox", 2 - дроби Золотарева

В таблице 2 приведены сравнительные шумовые характеристики модуляторов пятого порядка. Использованы следующие обозначения: Rs - величина равноволнового подавления ШПХ в сигнальной полосе модулятора, А., - величина равноволнового подавления СПХ за сигнальной полосой, WP - граничная частота полосы пропускания СПХ (по уровню 3-х дБ), Ws - граничная частота задерживания СПХ, Ар - величина неравномерности СПХ за сигнальной полосой. СПХ построена для двух аппроксимаций ШПХ (Золотарева, инверсная Чебышева) при различных значениях As, коэффициент избыточной дискретизации принимает значения 64 и 512.

При этом установлено, что построение СПХ при помощи метода оптимизации, заложенного в Matlab, обеспечивает создание не только равноволнового подавления за сигнальной полосой, но и неравноволнового. что проиллюстрировано на рис. 4(а, б). Этот факт позволяет увеличить величину подавления в необходимом диапазоне частот, а также дает возможность расположить нуль функции на заданной частоте.

Таблица 2.

Характеристики СПХ с заданными полюсами при значениях К = 64, 512

Аппроксимация ШПХ Rs, дБ As, дБ К WJWP АР

Золотарева -81.3 -20.8 64 1.471 0.01

инверсная Чебышева -79 -52.4 64 2.67 0.03

инверсная Чебышева -79 -77.2 64 4.561 0.008

Золотарева -153.5 -27.9 512 1.56 0.00003

Золотарева -153.5 -75.6 512 3.99 0.001

инверсная Чебышева - 150.3 -31.9 512 1.92 0.005

инверсная Чебышева - 150.3 -78.2 512 4.68 0.00001

а) б)

Рис. 4. а) СПХ и золотаревская ШПХ модулятора 4-го порядка (К = 64), б) СПХ и золотаревская ШПХ модулятора 5-го порядка (К = 64)

Третья глава посвящена структурному построению и схемотехнике компонентов сигма-дельта модулятора. В структурную схему модулятора (рис. 5) входят два интегратора, компаратор, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), источник опорного напряжения (ИОН), формирователь управляющих импульсов. Причем интеграторы состоят из устройства выборки и хранения (УВХ), матрицы конденсаторов, операционного усилителя (ОУ) и совокупности ключей.

Структура УВХ основана на использовании полностью дифференциального операционного усилителя, КМОП-ключей и интегральных конденсаторов. Во время фазы выборки (Р1) происходит заряд конденсатора до уровня входного сигнала, а в фазе хранения (Р2) этот сигнал на выходе УВХ удерживается постоянным.

В модуляторе второго порядка, приведенном на рис. 5, посредством одного и того же усилителя выполняются функции, необходимые как для устройства-выборки хранения, так и для интегрирования входного сигнала. Причем усилитель используется во включении с глубокой отрицательной обратной связью и обладает высоким коэффициентом усиления, что позволяет с высокой точностью запоминать и передавать необходимые сигналы.

Матрица конденсаторов и совокупность ключей модулятора непосредственно участвуют в процессе выборки входного сигнала и его преобразовании, в соответствии с импульсами управления (Рг1, Рг2), генерируемых блоком цифро-аналогового преобразователя.

Элементом, преимущественно вносящим шум квантования в сигма-дельта модулятор, является компаратор (однобитный квантователь), который в определенную фазу синхронизации (Рсот) должен осуществлять преобразование аналогового сигнала в одноразрядный цифровой.

В составе сигма-дельта модулятора используется ЦАП, работающий по принципу перераспределения заряда. Для преобразования выходного сигнала

9

компаратора в аналоговую величину используются емкости интегратора, к которым через аналоговые ключи подключается опорное напряжение или «земля».

Рг1 Рг2 Р1 Р2 Рг1 Рг2 Р1 Р2

УгеГ_I |_УгеГ

первый интегратор второй интегратор

Рис. 5. Структурная схема модулятора второго порядка с однобитным квантователем

Источник опорного напряжения, входящий в состав сигма-дельта модулятора, должен быть прецизионным во всем рабочем диапазоне температур, так как величина опорного напряжения ИОН задает диапазон входного напряжения преобразователя данных.

Формирователи управляющих импульсов являются важными элементами устройств обработки дискретно-аналоговых сигналов. Они предотвращают перекрытие импульсов различных фаз во времени и обеспечивают максимально большую длительность импульсов для выполнения полной передачи зарядов.

В четвертой главе приведены результаты моделирования поведенческой модели сигма-дельта модулятора второго порядка, электрические схемы разработанных компонентов модулятора в БиКМОП технологическом базисе 0.35 мкм и их характеристики, а также особенности топологического решения и результаты измерения, исполненного в кристалле модулятора второго порядка.

Важнейшим блоком модулятора является устройство выборки-хранения, так как именно этот блок отвечает за точность хранения входного сигнала в течение времени необходимого для его дальнейшего преобразования.

Для достижения высокой точности преобразования в составе сигма-дельта модулятора использовалась конфигурация УВХ, представленная на рис. 6. Конденсаторы С/ поддерживают обратную связь операционного усилителя в стационарном состоянии независимо от фазы работы УВХ.

ю

Vin+

Fl

Г2Х •lb F2/

Cs

HI-

FI Fl

ГГ

-Hl—

\OY

Ti

Fl

-Vout+ -Vout-

±

Fl

Vin- pi Cs Cf

Рис. 6. Блок-схема устройства выборки и хранения с общим конденсатором

В процессе разработки электрической схемы УВХ использовались различные варианты построения ключей и схемных конфигураций ОУ. В итоге, в состав УВХ вошли двунаправленные комплементарные ключи и каскодный операционный усилитель, архитектура которого обладает рядом достоинств, а именно: высокое усиление, большое выходные сопротивление, уменьшенное напряжение на стоке входного транзистора, что позволяет его использовать при низких напряжениях питания, характерных для субмикронных БиКМОП процессов. Построение в среде САПР Cadence амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик (рис. 7) дифференциального операционного усилителя позволило получить следующие параметры: полоса пропускания - 1 МГц, коэффициент усиления - 52 дБ, запас по фазе - 48°, частота единичного усиления — 115 МГц.

Помимо УВХ, важнейшим блоком в прецизионных интегральных микросхемах является ИОН, так как изменение опорного напряжения влияет на точность преобразования. В связи с этим прецизионные преобразователи данных нуждаются в высокоточном источнике опорного напряжения.

Схема разработанного ИОН, используемого в составе сигма-дельта модулятора второго порядка, содержит три основных узла (операционный усилитель, ядро типа "bandgap", схему запуска). В ядре источника формируется опорное напряжение. Операционный усилитель служит для управления напряжением на затворах транзисторов в токовом зеркале, входящем в состав ядра ИОН. Схема запуска предназначена для включения источника при подаче напряжения питания. Электрическая схема источника опорного напряжения представлена на рис. 8.

Температурная зависимость опорного напряжения (рис. 9), разработанного ИОН, имеет классический куполообразный вид. Высота купола составляет 5 мВ (0,4% от номинального значения).

Результаты диссертации были использованы в НИОКР «Разработка СФ-блока 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя для энергосберегающих систем жизнеобеспечения зданий и сооружений». В итоге, на

зарубежной фабрике ХГаЬ по современной БиКМОП технологии 0,35 мкм был изготовлен кристалл сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя. В его состав вошел разработанный в ходе диссертации сложно-функциональный блок сигма-дельта модулятора второго порядка с однобитным квантователем.

Рис. 7. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики операционного усилителя

Опфйщюнньшушштепь Ядро -¡ига "ЬшкМр" схема чапуска

Рис. 8. Электрическая схема источника опорного напряжения

температура. С

Рис. 9. Температурная зависимость опорного напряжения

12

Шумовая и сигнальная передаточные характеристики исполненного в кристалле модулятора приведены на рис. 10а. Для этих характеристик зависимость значения отношение сигнал/шум от коэффициента избыточной дискретизации К при частоте дискретизации модулятора 1 МГц проиллюстрирована на рис. 106.

а) б)

Рис. 10. а) шумовая и сигнальная передаточные характеристики сигма-дельта модулятора второго порядка, б) зависимость отношения сигнал/шум от коэффициента избыточной дискретизации

Из рис. 106 видно, что при коэффициенте избыточной дискретизации 1024 (ширина полосы пропускания 1 кГц) отношение сигнал-шум модулятора составляет 110 дБ, что является достаточным для 16-разрядной точности преобразования.

Значения входного и выходного сигналов преобразователя данных позволяют определить важнейшую характеристику АЦП - интегральную нелинейность (ШЬ).

Полученные в ходе работы экспериментальные данные (рис. II) свидетельствуют о том, что максимальная ошибка интегральной нелинейности АЦП составила О.ЗЬБВ, что меньше чем половина младшего значащего разряда (¿55) для 16-разрядной точности.

напряжение входного сигнала, В

Рис. 11. Интегральная нелинейность микросхемы АЦП (ШЬ)

13

Таким образом, если судить по величине ошибки интегральной нелинейности, микросхема АЦП преобразует входной сигнал с необходимой точностью.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Шумовая передаточная характеристика сигма-дельта модулятора, аппроксимированная дробями Золотарева, показала заметное преимущество по сравнению с функциями, которые обычно используются для построения ШПХ модулятора (Батгерворта и Чебышева второго рода). Преимущество дробей Золотарева позволяет снизить порядок модулятора для получения заданного уровня подавления или увеличить подавление при заданном порядке.

2. Наличие локального максимума подавления ШПХ обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора. При этом установлено, что появление максимума подавления шумовой передаточной характеристики обусловлено изменением величины пульсаций золотаревской ШПХ за пределами сигнальной полосы.

3. Применение дробно-рациональной аппроксимации Золотарева позволяет формализовать процесс проектирования ШПХ сигма-дельта модуляторов, используя подходы, известные из теории и практики электрических фильтров, и при этом обеспечить более высокую степень его эффективности по сравнению с иными известными методами формирования шумовой функции передачи, включая численные.

4. Сравнение шумовых передаточных характеристик, аппроксимированных дробями Золотарева и дробями Чебышева второго рода с численной оптимизацией по "delta-sigma toolbox", показывает выигрыш аппроксимации Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе. Отмечено снижение эффективности численного метода с уменьшением коэффициента избыточной дискретизации и ростом порядка модулятора.

5. Реализован предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с заданными полюсами. При этом СПХ имеет уровень подавления за полосой пропускания меньше при полюсах золотаревской ШПХ, чем при полюсах ШПХ Чебышева второго рода, однако амплитудно-частотная характеристика модулятора в этом случае имеет более крутой спад. Предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики позволяет существенно увеличить уровень подавления в необходимом диапазоне частот.

6. Разработана схемотехника узлов сигма-дельта преобразователя данных по БиКМОП субмикронной технологии 0.35 мкм для применения в прецизионных системах обработки. Предложенные схемотехнические подходы позволили реализовать сложно-функциональный блок сигма-дельта модулятора второго порядка со следующими характеристиками: ширина полосы пропускания до 1 кГц,

потребление не более 500 мкА, отношение сигнал-шум 110 дБ при коэффициенте избыточной дискретизации 1024, частота дискретизации 1 МГц.

7. Изготовленный сигма-дельта модулятор второго порядка может быть успешно использован как часть микросхемы прецизионного аналого-цифрового преобразователя. Модулятор прошел необходимые функциональные испытания и в настоящее время применяется в системах сбора данных (в соответствии с актом внедрения результатов диссертации на предприятие ЗАО «ВИТЦ»).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бормонтов, Е. Н. Компоненты КМОП сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя в технологии 0,35 мкм / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Вестник Воронежского государственного технического университета — 2011.— Т. 7.-№ 11.-С. 35-40.

2. Колесников, Д. В. Оптимизация шумовых характеристик прецизионных сигма-дельта модуляторов / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. — № 11. - С. 95-97.

Свидетельства и патенты

3. Пат. 114396 Российская Федерация, МПК Н03М 1/12. Компаратор для 1,5-битного аналого-цифрового преобразователя / Колесников Д. В., Невежин Е. В., Татарченков Г. А. ; заявитель и патентообладатель ЗАО «Лагуна». - № 2010117285/08 ; заявл. 04.05.2010; опубл. 20.03.2012, Бюл. №8.-1 с.

4. Пат. 130122 Российская Федерация, МПК Gl 1С 27/02. Устройство выборки-хранения данных / Колесников Д. В., Невежин Е. В. ; заявитель и патентообладатель ЗАО «Лагуна».-№2013109474/08; заявл. 04.03.2013; опубл. 10.07.13. Бюл. №19,- 2 с.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2013614639 Российская Федерация. Синтез оптимальной шумовой функции передачи для прецизионных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей / Колесников Д. В., Невежин Е. В. ; заявитель и патентообладатель ЗАО «Лагуна». - № 2013612488 ; заявл. 25.03.13; опубл. 17.05.13, Бюл. №9.-1 с.

Статьи и материалы конференций

6. Бормонтов, Е. Н. Задача аппроксимации в проектировании сигма-дельта модуляторов / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Радиолокация, навигация, связь : материалы XIX междунар. конф. - Воронеж, - 2013. — Т. 2. - С. 827-830.

7. Бормонтов, Е. Н. Шумовые характеристики прецизионных сигма-дельта преобразователей с равноволновыми функциями передачи / E.H. Бормонтов, Д.В. Колесников, Е.В. Невежин // Флуктуационные и деградационные процессы в

полупроводниковых приборах : материалы докл. науч.-техи. семинара. - М.. - 2013. - С. 121-125.

8. Сигма-дельта модулятор второго порядка в КМОП технологии 0,35 мкм I О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, С. В. Пахомов, Г. А. Татарченков // Радиолокация, навигация, связь : материалы XVI междунар. конф. - 2010. - Т. 2. - С. 1199-1204.

9. Бормонтов, Е. Н. Равноволновая аппроксимация шумовых характеристик прецизионных сигма-дельта преобразователей / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр.-Воронеж,-2012. — С. 18-21.

10. Бормонтов, Е. Н. Шумовые характеристики дельта-сигма модуляторов / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника : межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, - 2011. - С. 45-49.

11. Элементы широкодиапазонного КМОП-синтезатора частот в технологии 0,18 мкм / Е. Н. Берло, М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е.В. Невежин // Радиолокация, навигация, связь : материалы XV междунар. конф. - Воронеж, - 2009. - Т. 2.-С. 1199-1204.

12. Бормонтов, Е. Н. Анализ характеристик VERILOG-мoдeли сигма-дельта модулятора / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Энергия XXI век. - 2012. - № 1-2. -С. 58-63.

13. Колесников, Д. В. Моделирование КМОП-устройства выборки-хранения / Д. В. Колесников // Математика. Компьютер. Образование: тезисы XVI междунар. конф. -Пущино, - 2009. — С. 103.

14. Компоненты КМОП сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя в технологии 0,35 мкм / М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, С. В. Пахомов // Энергия XXI век. - 2009. - № 4. - С. 26-31.

15. Зинченко, О. А. Дифференциальные КМОП устройства выборки-хранения / О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Энергия XXI век. - 2008. - № 4. - С. 25-28.

16. Вопросы проектирования КМОП-синтезаторов частот мегагерцового диапазона / Е. Н. Берло, М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Энергия XXI век. - 2009. - №1. - С. 94-98.

17. Микросхема стабилизатора напряжения в биполярной технологии 2 мкм / О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, Г. А. Татарченков // Энергия XXI век. - 2010. - № 1. - С. 34-38.

18. Колесников, Д. В. Усилитель мощности класса Э в субмикронной ВСО-технологии / Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, Г. А. Татарченков // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника : межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, - 2010. - С. 11-14.

19. Широтно-импульсный модулятор интегрального ВСО-усилителя класса Э / М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, Г. А. Татарченков // Энергия XXI век. - 2010. - № 1. - С. 34-38.

20. Компаратор для быстродействующего приемопередатчика 1*5-485 / В. В. Богданов, А. Д. Зайдуллин, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Твердотельная электроника,

микроэлектроника и наноэлектроника : межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, — 2012. - № 11. —

21. Оценка точности источника опорного напряжения в технологии 0.18 мкм / Е.В. Сухотерин, Е.В. Невежин, Б.К. Петров, Д.В. Колесников // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы X междунар. науч.-практ. семинара. - Шахты, -2013.-С. 69-74.

Подписано в печать 22.10.2013 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ № 204 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

С. 118-122.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201451180

КОЛЕСНИКОВ ДМИТРИИ ВАСИЛЬЕВИЧ

ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА И СХЕМОТЕХНИКА СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОВ ПРЕЦИЗИОННЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.27.01: «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Бормонтов E.H.

Воронеж - 2013

Содержание

1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СИГМА-ДЕЛЬТА АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ........................................................................................11

1.1. Возможности сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей прецизионной обработки сигналов..................................................................11

1.2. Принципы построения сигма-дельта преобразователей...................12

1.3. Анализ работы сигма-дельта модулятора во временной области.... 13

1.4. Частотный спектр выходного сигнала сигма-дельта модулятора. Свойства избыточной дискретизации..............................................................16

1.5. Анализ работы сигма-дельта модулятора в г-области, критерий устойчивости......................................................................................................20

2. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОВ..................................................................................................26

2.1. Основные параметры сигма-дельта модулятора................................26

2.2. Архитектура сигма-дельта модуляторов и шумовые передаточные функции...............................................................................................................31

2.3. Возможности равноволновых типов аппроксимации при построении шумовой передаточной характеристики.........................................................39

2.4. Построение сигнальной передаточной характеристики....................49

3. СХЕМОТЕХНИКА СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРА............................54

3.1. Задачи проектирования субмикронных интегральных схем............54

3.2. Поведенческая модель сигма-дельта модулятора..............................57

3.3. Структурная схема сигма-дельта модулятора второго порядка с однобитным квантователем..............................................................................64

3.4. Схемотехника компонентов сигма-дельта модулятора.....................66

3.4.1. Усилители на МОП-транзисторах....................................................66

3.4.2. Построение узлов компаратора.........................................................69

3.4.3. Цифро-аналоговый преобразователь................................................72

3.4.4. Основные структуры устройства выборки и хранения..................73

3.4.5. Источник опорного напряжения.......................................................77

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ БИКМОП УЗЛОВ МОДУЛЯТОРА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ БАЗИСЕ 0,35 МКМ.....................................................82

4.1. Компоненты сигма-дельта модулятора...............................................82

4.1.1. Дифференциальный операционный усилитель...............................85

4.1.2. Стробируемый компаратор...............................................................87

4.1.3. КМОП устройство выборки и хранения..........................................90

4.1.4. Источник опорного напряжения.......................................................92

4.1.5. Схема КМОП кварцевого генератора..............................................95

4.1.6. Моделирование электрической схемы сигма-дельта модулятора....................................................................................................100

4.2. Особенности топологического решения...........................................105

4.3. Результаты измерения экспериментальных образцов.....................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ №1............................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ №2............................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современные информационные технологии требуют непрерывного расширения функциональных возможностей электронных схем, что сопровождается ужесточением требований к их составляющим блокам и компонентам.

Преимущества цифровых методов обработки информации в настоящее время не нуждаются в доказательствах, а их реализация невозможна без высококачественных устройств, осуществляющих преобразование аналоговых сигналов в цифровые - аналого-цифровых преобразователей (АЦП). При этом аналого-цифровые преобразователи используются практически во всех устройствах обработки информации с цифровой элементной базой, находя широкое применение в различных областях современной науки и техники, а именно в измерительной аппаратуре, сигнальных процессорах, системах преобразования и отображения информации, системах управления технологическими процессами и т.д.

Одним из аспектов развития аналого-цифровых преобразователей в интегральном БиКМОП исполнении является широкое распространение микропроцессоров и цифровых методов обработки информации. Существующая потребность в микросхемах АЦП приводит к их производству и проектированию с новыми, более качественными характеристиками.

Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи в ряду прочих преобразователей занимают особое место, поскольку обладают исключительными свойствами, позволяющими обеспечивать точность преобразования выше 16 разрядов в условиях стандартных субмикронных технологий. Достоинствами сигма-дельта преобразователей являются низкая интегральная нелинейность, малый дрейф усиления, широкий динамический диапазон, программируемый баланс между скоростью и разрешением.

Прецизионные сигма-дельта АЦП находят применение во многих областях, включая управление процессами обработки информации, преобразование сигналов датчиков, измерительное и медицинское оборудование, инструментальные приложения, сбор данных, преобразование сигналов точных датчиков и многое другое.

Эффективное число разрядов преобразователя данных непосредственно зависит от уровня шума в полосе сигнала. В связи с этим наиболее критичным узлом сигма-дельта АЦП является модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума.

Таким образом, построение сигма-дельта модулятора с низким уровнем шума является в настоящее время весьма значимой и актуальной задачей.

Цель работы: совершенствование шумовых свойств сигма-дельта модуляторов с различными типами шумовых характеристик, реализация сигма-дельта модуляторов обладающих оптимальными шумовыми характеристиками с использованием равноволновых типов аппроксимаций при построении шумовой и сигнальной передаточных характеристик, разработка схемотехники основных узлов сигма-дельта модуляторов, применяемых в прецизионных системах обработки информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать зависимость уровня подавления шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от коэффициента избыточной дискретизации при различных порядках модулятора для аппроксимаций Баттерворта, инверсной Чебышева и Золотарева;

- сопоставить известные численные методы приближения с наиболее эффективными стандартными аппроксимирующими функциями;

- определить зависимость уровня подавления в сигнальной полосе золотаревской шумовой передаточной характеристики от порядка модулятора, ширины сигнальной полосы, величины неравномерности;

реализовать способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с различным расположением нулей в полосе непрозрачности;

- разработать основные узлы сигма-дельта модуляторов в рамках субмикронной БиКМОП технологии 0,35 мкм.

Научная новизна диссертации определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем:

1. Исследование возможностей равноволновых типов аппроксимаций (Золотарева и Чебышева второго рода) при построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора установило заметное преимущество дробей Золотарева, которое позволяет снизить порядок модулятора для получения заданного уровня подавления или увеличить подавление при заданном порядке.

2. Сопоставление известных подходов к построению шумовых передаточных функций с равноволновыми типами аппроксимации выявило преимущество аппроксимации дробями Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума за пределами полосы сигнала.

3. Получена зависимость уровня подавления золотаревской шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от порядка модулятора, ширииы сигнальной полосы, величины неравномерности. Наличие колебаний в полосе пропускания приводит к тому, что построенная зависимость имеет локальный максимум подавления, а это, в свою очередь, обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.

4. Реализован предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с заданными полюсами (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614639 «Синтез оптимальной шумовой функции передачи для прецизионных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей»).

Разработаны основные узлы сигма-дельта модуляторов по субмикронной БиКМОП-технологии (получены патенты на полезные модели: №114396 «Компаратор для 1,5-битного аналого-цифрового преобразователя», №130122 «Устройство выборки-хранения данных»).

Научная и практическая значимость диссертации.

В зарубежной и отечественной практике проектирования при построении передаточных характеристик модулятора широко распространен численный метод "delta-sigma toolbox". Сопоставление возможностей этого метода с использованием стандартных аппроксимирующих функций показало преимущества дробей Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе модулятора несмотря на то, что автор численного метода определяет его как оптимальный при синтезе шумовой передаточной характеристики. При этом уменьшение коэффициента избыточной дискретизации и рост порядка модулятора приводит к снижению эффективности численного метода. Таким образом, установлено, что шумовая передаточная характеристика сигма-дельта модулятора, аппроксимированная дробями Золотарева, обладает оптимальными характеристиками по уровню подавления шума в сигнальной полосе.

Предложенные способы построения шумовой и сигнальной передаточных характеристик позволяют получить сигма-дельта модулятор с усовершенствованными шумовыми характеристиками, что обеспечивает повышение качества систем обработки информации, таких как линии связи, сигнальные процессоры, системы звуковоспроизведения, контроллеры, контрольно-измерительная аппаратура и др.

Предложенные схемотехнические подходы к построению основных узлов позволили реализовать сложно-функциональный блок сигма-дельта модулятора второго порядка, исполненный по субмикронной БиКМОП технологии 0.35 мкм. Разработанный сигма-дельта модулятор имеет

следующие характеристики: ширину полосы пропускания до 1 кГц, потребление не более 500 мкА при напряжении питания 3.3 В, отношение сигнал-шум 110 дБ при коэффициенте избыточной дискретизации 1024. В составе аналого-цифрового преобразователя модулятор обеспечивает 16-разрядную точность, что подтверждается результатами испытаний экспериментальных образцов.

Результаты диссертации использованы в ряде НИОКР по темам:

- «Разработка аналоговых и цифро-аналоговых компонентов для унифицированной платформы «системы-на-кристалле» - модулей АЦП и ЦАП и программируемого синтезатора частот с фазовой автоподстройкой (ФАПЧ)» в рамках государственного контракта № 02.527.12.9001 от 13.09.2007 г.;

- «Разработка перспективной электронной компонентной базы беспроводных микро- и наносистем на основе технологий «система-на-кристалле» в рамках государственного контракта № 6628р/9248 от 24.02.2009 г.;

«Разработка СФ-блока 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя для энергосберегающих систем жизнеобеспечения зданий и сооружений» (государственный контракт № 8125р/12821 от 28.06.2010 г.);

- «Проектирование аналогового интерфейса для систем сбора данных и микроконверторов для интеллектоуправляемых систем энергосбережения» (государственный контракт № 8128р/12820 от 28.06.2010 г.);

- «Разработка КМОП 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя в технологии 0,35 мкм» (государственный контракт № 8965р/14052 от 19.04.2011 г.).

Обоснованность научных положений и выводов обеспечена корректным применением научно-технических подходов при проведении исследований, совпадением результатов работы с известными положениями

существующих теоретических и экспериментальных исследований в области преобразователей данных.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1.При построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора использование дробей Золотарева дает наилучший результат по сравнению с аппроксимациями Баттерворта и инверсной Чебышева.

2. Наличие колебаний в полосе пропускания золотаревской шумовой передаточной характеристики приводит к появлению максимума ее подавления, что обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.

3. Сравнение шумовых передаточных характеристик, аппроксимированных дробями Золотарева и Чебышева второго рода с численной оптимизацией по "delta-sigma toolbox", показывает преимущества золотаревской аппроксимации как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе.

4. Сопоставление зависимости глубины подавления от величины коэффициента избыточной дискретизации показывает преимущество дробей Золотарева перед численным методом.

5. Предложенный' способ построения сигнальной передаточной характеристики позволяет увеличить уровень подавления в необходимом диапазоне частот.

6. Уровень подавления сигнальной передаточной характеристики за полосой пропускания меньше для золотаревской шумовой передаточной характеристики, чем для инверсной чебышевской, однако амплитудно-частотная характеристика модулятора в этом случае имеет более крутой спад.

Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались на следующих конференциях:

- международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2009, 2010, 2013);

- научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2012);

- международной финальной конференции проекта 7РП 8ЕМГОЕС «Стимулирование Российско-Европейского сотрудничества в области разработки полупроводников» (Москва, 2011 г.).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликована двадцать одна научная работа, в том числе в 2-х изданиях рекомендованных ВАК РФ, два патента на полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [1-10, 12-13] - анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [11, 14-21] - проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной КМОП-технологии в составе систем на кристалле.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 71 наименование. Работа изложена на 136 страницах, содержит 14 таблиц и 80 рисунков.

1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СИГМА-ДЕЛЬТА АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Возможности сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей

прецизионной обработки сигналов

Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи - один из наиболее востребованных типов преобразователей данных. Они наиболее эффективны в тех задачах, где не требуются большое быстродействие, но необходимо высокое разрешение сигнала [1]. Проведение анализа микросхем АЦП ведущих фирм-производителей позволяет сделать вывод, что приблизительно третья часть преобразователей имеют 16-разрядную точность преобразования и выше. Такая точность характерна только для архитектуры сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей. Традиционно такие преобразователи используются на частотах от нуля до нескольких мегагерц.

Основными недостатками многоразрядных АЦП двойного и многократного интегрирования являются: существенная интегральная нелинейность, обусловленная погрешностью передаточной характеристики операционного усилителя интегратора, значительное число внешних элементов - резисторов, конденсаторов большой емкости, низкое помехоподавление, связанное с тем, что значительную часть времени цикла преобразования АЦП многократного интегрирования не принимают входной сигнал. При этом в сигма-дельта аналого-цифровых преобразователях перечисленные недостатки отсутствуют. Современные субмикронные БиКМОП технологии позволяют изготовить сигма-дель