автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Сигма-дельта модуляторы для высокоразрядных АЦП звукового диапазона

На правах рукописи

Самонов Андрей Александрович

СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРЫ ДЛЯ ВЫСОКОРАЗРЯДНЫХ АЦП ЗВУКОВОГО ДИАПАЗОНА

Специальность 05.13.05. - "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Москва-2005 г.

Диссертация выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Рогаткин Юрий Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Соколов А.Г.

кандидат технических наук, главный научный сотрудник Александров Ю.Н.

Ведущая организация ФГУТТ НИИМА «Прогресс».

Защита состоится 19 декабря 2005г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.130.02 при Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу г. Москва, ул. Каширское шоссе, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан « /¿у>/иъф 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор У\ Петров Г.В.

гЪЧ-ЬиЧ

Общая характеристика диссертации Актуальность диссертации

Диссертация посвящена проектированию аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП (СДАЦП) звукового диапазона высоких порядков, ориентированных на применение в СБИС «система на кристалле».

Применение микросхем смешанной обработки сигналов в современной электронике является особенно актуальным. Бурное развитие телекоммуникаций, интернета, мобильных устройств, телевидения привело к тому, что практически повсеместно в электронных системах используются как цифровые, так и аналоговые схемы.

Развитие технологии изготовления интегральных схем позволило на одном кристалле размещать все более сложные устройства, которые еще совсем недавно можно было реализовать только на печатной плате. Одной из задач современной российской микроэлектроники является создание СБИС типа «система на кристалле», поэтому разработка сложно-функциональных блоков (далее СФ блоков), на основе которых и строится СБИС «система на кристалле», является приоритетной задачей, от решения которой зависит: смогут ли отечественные производители конкурировать с ведущими мировыми производителями электронных компонентов. Одним из приоритетов политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года является разработка отечественных сложно-функциональных блоков.

Одними из наиболее массовых электронных компонентов за рубежом в настоящее время являются микросхемы и СФ блоки СДАЦП. В настоящее время наметилась тенденция применения сигма-дельта АЦП не только в наиболее часто используемой области обработки сигналов звукового диапазона, но и в более широком частотном диапазоне: как на более низких (медицина, геология), так и на более высоких частотах (обработка видео сигналов, беспроводная связь). Сигма-дельта преобразователи с разрешением 16 бит могут достичь скорости обработки 10 Мбит/с уже в текущем году, что переводит их в разряд высокоскоростных.

Диссертация выполнена в МИФИ и ЗАО ЦП «Ангстрем-СБИС» при работе над ОКР по разработке технологии проектирования семейства КМОП СФ блоков звуковых сигэда-дельта

л Г рос „:• • • Н\ЛЬНА»

3 ^ .ЬКА

ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле (шифр «Тон-СФ»). ОКР проводилась в рамках целевой программы «Национальная технологическая база», раздел «микроэлектронные технологии».

Цель диссертации

Цель диссертации - создание программно-аппаратных средств разработки аналогового ядра СДАЦП звукового диапазона с различными архитектурами модулятора и создание на их основе семейства звуковых СФ блоков СДАЦП с различными характеристиками.

Достижение данной цели предусматривает решение следующих задач:

- классификация и анализ различных вариантов построения сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП, исследование их свойств и особенностей;

разработка методики предварительного расчета шумовых характеристик АЦП;

создание программы, позволяющей выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора при обеспечении его устойчивости;

- создание набора библиотечных элементов аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона для использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектирован™ сигма-дельта АЦП;

- разработка на основе предложенных методик аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП для их последующего интегрирования в СБИС типа «система на кристалле».

На защиту выносятся следующие положения

1. Методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе созданных автором программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками.

2. Методика выбора критериальных параметров сигма-дельта модуляторов.

3. Конкретные схемотехнические решения аналоговых ядер сигма-дельта модулятора, реализованных по КМОП-технологии.

4. Результаты практического применения разработанных методов проектирования при создании СФ блоков сигма-дельта АЦП.

Апробация диссертации

Основные результаты диссертации были доложены на четырех научно-технических конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника», проходивших 2002 - 2005-м годах, а так же на конференциях «Молодежь и Наука», проведенных в 2001-м и 2004-м году. По теме диссертации был сделан доклад на всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005».

Результаты диссертации нашли отражение в нескольких научно-технических отчетах в рамках ОКР «Тон-СФ», проводившейся ЗАО ЦП «Ангстрем-СБИС» и МИФИ, в рамках целевой программы «Национальная технологическая база», раздел «микроэлектронные технологии». На конкурсе «Безопасные технологии и продукция» проводившемся в июне 2003 года в Санкт-Петербурге работа по проектированию семейства СФ блоков СДЦАП и СДАЦП для использования в СБИС «система на кристалле» была отмечена золотой медалью и дипломом первой степени

Научная и практическая значимость результатов диссертации

Автору неизвестно о наличии законченных разработок СДАЦП звукового диапазона в России. Сведения о практическом опыте проектирования такого рода устройств в нашей стране практически отсутствуют. Получение же конкретных готовых зарубежных методик и программных пакетов для проектирования сигма-дельта преобразователей затруднительно, так как это, как правило, является конфиденциальной информацией фирм-разработчиков.

Диссертация условно делится на две часта: первая разработка программ расчета структур сигма-дельта модуляторов АЦП звукового диапазона на основе оригинальной методики расчета параметров разрабатываемого сигма-дельта модулятора для АЦП с учетом реальных электрических характеристик устройств, вторая -создание набора библиотечных элементов для аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона и использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектировании сигма-дельта АЦП.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• разработана методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе созданных автором программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками;

• разработаны модели в среде Matlab аналоговых блоков, входящих в состав сигма-дельта модулятора, позволяющие учитывать электрические особенности схем при расчете передаточных характеристик модулятора и выборе набора коэффициентов модулятора;

• создана методика, позволяющая выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Практическая значимость заключается в том, что:

• создан набор библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона в среде САПР Cadence;

• разработана программа расчета рационального набора коэффициентов модулятора с учетом его конкретного схемотехнического исполнения. Расчет с помощью предложенной программы дает выигрыш во времени по сравнению с аналогичным расчетом в программе spectre в САПР Cadence по меньшей мере в 40 раз.

Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании широкого класса КМОП СБИС типа «система на кристалле» и при производстве микросхем сигма-дельта АЦП.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Число страниц - 116.

Число иллюстраций - 68.

Список литературы состоит из 60 пунктов.

Содержание диссертации

Во введении, практически в полном объеме отраженном в настоящем автореферате, обоснована актуальность темы, определена цель диссертации. Сформулирована постановка задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту. Изложены научная

новизна и практическая значимость работы. Обосновано содержание глав диссертации.

В первой главе излагаются обзор развития и применения сигма-дельта преобразования, тенденции развития современных преобразователей, использующих сигма-дельта преобразование.

Во второй главе рассматриваются вопросы формирования кривой распределения шума, устойчивости модуляторов высоких порядков. Описывается механизм модуляции в сигма-дельта модуляции. Рассматриваются различные архитектуры модуляторов и их сравнительные особенности.

Третья глава посвящена математическому моделированию сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП звукового диапазона. Анализируются параметры реальных электрических схем, влияющие на качество преобразования. Обосновываются модели, отражающие данные схемы. Описывается расчет архитектуры модуляторов сигма-дельта АЦП, приводятся основные результаты моделирования.

В четвертой главе рассматривается схемотехника аналогового ядра сигма-дельта АЦП, применявшаяся при проектировании семейства сигма-дельта АЦП звукового диапазона. Анализируются различные структуры интеграторов с точки зрения их влияния на качество преобразования модулятора.

Существует большое количество вариантов реализации сигма-дельта модуляторов, которые можно разделить на следующие группы:

• модуляторы низкого порядка с одноуровневым квантованием и одной обратной связью;

• модуляторы высокого порядка с одноуровневым квантованием и одной обратной связью;

• модуляторы с многоуровневым квантованием (любого порядка);

• многопетлевые каскадируемые модуляторы.

Области применения СДАЦП приведены на рис.1. Как видно из рисунка, СДАЦП применяются там, где необходимо обрабатывать сигналы с высоким разрешением и низкой частотой дискретизации, так как быстродействие их не высоко.

Частота преобразования, Гц

Рис.1. Области использования сигма-дельта АЦП

Анализ номенклатуры выпускаемых ведущими мировыми производителями АЦП позволяет сделать вывод, что около 30% преобразователей составляют АЦП с разрядностью 16 и выше. Реализовать такую точность преобразования можно только с использованием сигма-дельта преобразователей. Традиционно такие преобразователи используются на частотах от нуля до нескольких мегагерц. Отличительным свойством сигма-дельта АЦП является возможность увеличивать скорость преобразования за счет разрешающей способности, либо увеличивать и скорость, и разрешение за счет потребляемой мощности. Область применения сигма-дельта АЦП довольно обширна: во-первых это большинство современных устройств обработки звуковых сигналов и кодеки, во-вторых промышленное оборудование, где основной задачей является прецизионное измерение сигналов малых уровней на низких частотах.

Сигма-дельта АЦП принято делить на две основные части: аналоговый модулятор, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой, и цифровой фильтр-дециматр, оперирующий только с цифровыми сигналами с выхода модулятора. Наиболее критичным и, по сути, определяющим блоком любого сигма-дельта АЦП является сигма-дельта модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума, то есть определяет такие показатели как сигнал/шум и эффективная разрядность.

Идея сигма-дельта преобразования заключается в формировании кривой распределения шума, при которой большая часть шума квантования вытесняется в область высоких частот за пределы рабочего диапазона. Наряду с этим, в сигма-дельта АЦП активно применяется прием избыточной дискретизации сигнала (передискретизация). Такой прием позволяет, не изменяя самого шума квантования системы, равномерно распределить его по более широкой полосе частот. На рис.2 приведена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка (один интегратор в модуляторе), пунктиром обведен аналоговый сигма-дельта модулятор в составе АЦП.

Рис.2. Сигма-дельта АЦП первого порядка

На рис. 3. показаны соотношения между порядком модулятора и коэффициентом передискретизации, необходимые для требуемого соотношения сигнал/шум. Повышение разрешающей способности АЦП может достигаться путем увеличения коэффициента передискретизации и(или) увеличения порядка модулятора. В свою очередь, увеличение коэффициента передискретизации ограничивается быстродействием как цифровой, так и аналоговых частей АЦП, а с увеличением порядка модулятора с геометрической прогрессией возрастает проблема устойчивости работы модулятора.

Рис.3. Зависимости отношения сигнал/шум от коэффициента избыточной дискретизации сигма-дельта модуляторов 1, 2, 3-го

порядков

Передаточная функция модулятора п-го порядка выглядит в общем случае как Н(г) = (1 - г'1)". Система с такой передаточной функцией принципиально всегда неустойчива с одноуровневым квантователем и порядком модулятора выше, чем второй. Дело в том, что строгая математическая модель существует только для описания модулятора первого порядка. При проектировании модуляторов высокого порядка приходится пользоваться приближенными моделями. Как правило, фирма изготовитель, занимающаяся проектированием сигма-дельта модуляторов, разрабатывает собственный программный пакет для синтеза математической модели модулятора по заданным техническим характеристикам. В силу того, что сигма-дельта модулятор обладает нелинейной передаточной характеристикой, рассчитать аналитически коэффициенты передаточной функции, решая соответствующую систему нелинейных уравнений, невозможно.

Архитектура модулятора определяется требованиями к параметрам модулятора. Параметрами, влияющим на тип архитектуры, являются полоса входного сигнала и технология, по которой планируется производить устройство. Для достижения желаемых характеристик предлагается использовать следующие приемы:

• увеличение разрядности квантователя модулятора;

• увеличение коэффициента передискретизации сигнала;

• увеличение порядка модулятора;

10

• использование альтернативной архитектуры модулятора;

• вариации перечисленных выше приемов.

В итоге обеспечиваются такие характерные особенности сигма-дельта АЦП, как:

• высокая разрешающая способность;

• высокая дифференциальная нелинейность;

• низкая потребляемая мощность, но ограниченная полоса пропускания;

• простые ключевые концепции, но сложная математика.

Для семейства сигма-дельта АЦП звукового диапазона была выбрана архитектура модулятора вида «цепочка интеграторов с взвешенным суммированием». Полюса сигнальной передаточной функции у такой архитектуры модулятора будут находиться в области постоянного сигнала (без мнимой части), следовательно, и полюса шумовой передаточной функции такой архитектуры тоже будут лежать в области постоянных сигналов. Сигнальная передаточная функция и шумовая передаточная функция таковы, что к ним применим математический аппарат, используемый для анализа рекурсивных цифровых фильтров Батгерворта нижних и верхних частот соответственно. Кроме того, архитектура модулятора вида «цепочка интеграторов с взвешенным суммированием» является более предпочтительной, так как содержит меньшее количество коэффициентов, следовательно, и схемотехническая реализация такого модулятора упрощается по сравнению с модуляторами тех же порядков, но с другой архитектурой.

Автором предложена следующая методика проектирования модулятора:

1 этап. Анализ задания, выбор архитектуры.

2 этап. Определение передаточной функции модулятора, в которую входят коэффициенты модулятора.

3 этап. Расчет шумовой и сигнальной передаточных характеристик.

4 этап. Поведенческое моделирование сигма-дельта модулятора с учетом влияния неидеальностей реальной электрической схемы.

Традиционным средством моделирования аналоговых схем является Spice и подобные ему программы (HSpice, Spectre, и т.д.). Принцип работы этих программ основывается на численных решениях систем дифференциальных уравнений Кирхгофа. Чем более высокая

требуется точность моделирования, тем меньшие задаются временные шаги и тем более длителен процесс моделирования. Типовое время моделирования переходного процесса несложной схемы на рабочей станции Sun средней производительности на протяжении одного такта работы системы равного 1 мкс с относительной точностью 10"6 колеблется от долей секунды до нескольких минут. Однако, количество тактов, необходимое для корректного определения типовой величины отношения сигнал/шум (96 дБ), являющегося статистическим параметром, должно быть порядка 1016. Продолжительность моделирования системы при этом может затянуться на годы.

Чем дольше длится моделирование, тем более значительно отличаются результаты моделирования от истинных значении гипотетического моделирования с бесконечно большой точностью. Большая длительность моделирования не только замедляет разработку ИМС, но и может дать неправильные результаты. Программа Spice, как система численного решения нелинейных дифференциальных уравнений, эффективно используется для моделирования динамических характеристик схем смешанного сигнала на протяжении относительно небольшого времени функционирования этой схемы.

Наиболее часто используемой САПР моделирования на высоком уровне схем как аналоговых, так и смешанного сигнала является Matlab. Модели создаются для различных уровней иерархии объектов и процессов. Подавляющее количество моделей являются аналитическими и допускают точное решение систем тех или иных уравнений. Это обстоятельство и является решающим для моделирования дискретно-аналоговых схем.

После определения рационального набора коэффициентов модулятора работа сигма-дельта модулятора с учетом реальных характеристик схемы модулятора моделировалась с помощью программы Simulink (приложение Matlab) с использованием разработанной автором параметризуемой модели сигма-дельта модулятора. Моделирование на этой стадии проектирования позволяет уточнить значения коэффициентов модулятора, оценить отношение сигнал/шум модулятора, определить наиболее критичные узлы в схеме для работы всего устройства.

На рис.4 раскрыта методика выбора рационального набора коэффициентов сигма-дельта модулятора.

Объявление переменных, задание начальных условий

Органиэая цикла перебора значений коэффициентов сигма-дельта модулятора

Расчет полюсов передаточной характеристики сипка-дельта модулятора

решения внутри единичной окружности

Задание входного

воздействия моделирование работы модулятора

т

,/ \

Проверка уровней % сигналов на выхо дах интеграторов -

уровни сигнала(ов) выше критического

уровни сигналов ниже критического

.Г

Нахождение области значений коэффициентов устойчивого модулятора

Рис. 4. Методика выбора рационального набора коэффициентов сигма-

дельта модулятора

Сигма-дельта модулятор является системой, в которой фигурируют как аналоговые, так и цифровые сигналы. Основными преимуществами сигма-дельта АЦП по сравнению с другими типами АЦП являются низкие требования к точности аналоговых элементов, поэтому отношение сигнал/(шум квантования) в традиционной однокаскадной архитектуре модулятора мало подвержено влиянию ограниченной точности номиналов аналоговых компонентов. Основная проблема, относящаяся к точности аналоговых элементов, связана с нелинейностью ЦАП обратной связи. Для устранения этой нелинейности целесообразно использовать одноразрядный квантователь (компаратор).

Основными источниками неидеальностей в сигма-дельта модуляторе являются операционные усилители, переключаемые конденсаторы (ПК) и компаратор, при использовании многоразрядного квантователя возникают нелинейности, связанные с нелинейностями ЦАП обратной связи.

В предложенной автором модели сигма-дельта модулятора были учтены следующие неидеальности, влияющие на характеристики устройства:

• коэффициент усиления ОУ;

• конечная полоса пропускания ОУ;

• разброс значений конденсаторов;

• сопротивление открытых ключей;

• тепловой шум;

• джиггер тактового сигнала.

Базовой архитектурой модуляторов для семейства СДАЦП звукового диапазона была выбрана цепочка интеграторов с взвешенным суммированием, как наиболее удовлетворяющая требованиям к АЦП звукового диапазона и несложная с точки зрения аппаратной реализации. Анализ требуемых характеристик и проведенное математическое моделирование показали, что для рассматриваемого семейства устройств достаточно одноуровневого квантователя. Основу модуляторов составляют интеграторы с различной величиной коэффициента передачи в пути распространения входного сигнала, их сумма с различными весовыми коэффициентами далее квантуется.

Разработанная параметризуемая модель сигма-дельта модулятора АЦП на коммутируемых конденсаторах в среде МаЙаЬ с

использованием приложения Simulink позволяет эффективно оценивать отношение сигнал/шум модулятора, учитывая при расчетах не только методический шум квантования, но и шумы, связанные с конкретной аппаратной реализацией модулятора.

Предварительное моделирование различных архитектур сигма-дельта модулятора позволяет выбрать наиболее предпочтительную для конкретных требований к характеристикам архитектуру и определить основные параметры модулятора (тактовая частота, коэффициент передискретизации, количество уровней квантования и т.п.). Из отдельно разработанных параметризуемых моделей блоков модулятора можно строить функциональные модели сигма-дельта модуляторов на коммутируемых конденсаторах с различными структурами и любого порядка, учитывающие реальные схемотехнические особенности компонентов модулятора. Особенно целесообразно использование такого рода функциональных моделей на начальных стадиях проектирования модулятора, при выборе порядка модулятора и его коэффициентов передаточной функции, оценке его разрядности преобразования.

Проектирование аналоговых блоков сигма-дельта АЦП имеет свои характерные особенности. Требования, предъявляемые к характеристикам аналоговых блоков достаточно высоки, поэтому проектирование аналогового ядра является достаточно сложным трудоемким и длительным процессом.

С помощью предложенной автором программы в среде Matlab в САПР Cadence было спроектировано семейство сигма-дельта модуляторов для аналого-цифровых преобразователей. Все модуляторы были построены по схемам с дифференциальным входным сигналом, что позволяет устранять нежелательные эффекты, связанные с несимметричностью преобразования и уменьшить влияние ошибки смещения между входами операционного усилителя путем перекоммутации входных сигналов на разные входы интегратора.

Сигма-дельта модуляторы в СДАЦП были реализованы по схеме с переключаемыми конденсаторами на МОП-ключах. На коммутируемых конденсаторах были реализованы и сопротивления в интеграторах. Это связано с тем, что постоянные времени интегрирования довольно велики, поэтому реализовывать сопротивления на резисторах было бы нецелесообразно с точки зрения конструкции СФ блока (рис. 5).

Vin+ phi

CI

ph2

C3

Vin-

C2

phi

№

Hh

C4

Vout+ Vout-

^ph2 phi

Рис.5. Интегратор на коммутируемых конденсаторах с дифференциальным входным сигналом (С1=С2, СЗ=С4)

Еще одно преимущество схемы с коммутируемыми конденсаторами - это слабая зависимость коэффициентов передачи интеграторов от разброса параметров абсолютных значений емкостей и их температурного дрейфа, так как коэффициент передачи интегратора будет определяться отношением интегрирующей и нагрузочной емкостей.

Основной частью интеграторов в модуляторе является операционный усилитель, коэффициент усиления на постоянном токе определяется исходя из допустимой ошибки преобразования, равной половине младшего значащего разряда. Передаточная характеристика модулятора является суммой сигнальной и шумовой передаточных характеристик: (Signal Transfer Function + Noise Transfer Function), которые, в свою очередь, определяются передаточной характеристикой интегратора и коэффициентами передачи интегратора.

Выходным элементом сигма-дельта модулятора является стробируемый компаратор напряжений, который вместе с соответствующими аналоговыми ключами выполняет функцию одноразрядного АЦП. В настоящей работе спроектирована схема стробируемого компаратора напряжений. Компаратор имеет два запоминающих элемента: аналоговый (триггер-защелка) и цифровой (два инвертора с положительной обратной связью). Основные параметры компаратора приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры компа ратора

Наименование параметра Значение Условия для расчета

Коэффициент усиления по 26000 УИП=2,5В;Т=25 °С

напряжению для малого

сигнала

Время задержки, не 18 Уип=2, 5В; Т=25 °С

Время записи в компаратор логического состояния при напряжении перевозбуждения в ЗОмкВ, что соответствует младшему разряду 16 разрядного АЦП с полной шкалой преобразования 2В, составляет 320нс.

В состав всех спроектированных сигма-дельта АЦП вошел внутренний источник опорных напряжений, выполненный по схеме источника напряжения, равного ширине запрещенной зоны. Источник опорных напряжений обеспечивает все опорные напряжения необходимые для работы преобразователей входных (правого и левого каналов) аналоговых сигналов в парафазные сигналы, а также определяет диапазон преобразования аналогового сигнала. Рассчитанный максимальный температурный дрейф опорных напряжений в диапазоне температур от -40°С до + 60°С составляет ЗмкВ/град.

В спроектированных с применением программы расчета архитектуры модулятора сигма-дельта АЦП корректируются ошибки смещения и наклона передаточной характеристики (рис.6). Эти ошибки могут считаться статическими, т.к. процессы их вызывающие после достаточно быстрого установления практически не изменяются во время дальнейшей работы АЦП. Для обеспечения требуемых характеристик в спроектированном 16-разрядном сигма-дельта АЦП был реализован механизм автокалибровки передаточной функции системы. Режим автокалибровки запускается автоматически после каждого включения питания через 1024 периода системной синхронизации или срабатывания внешнего сигнала «Reset». В режиме автокалибровки аналоговый сигнал на входе АЦП блокируется, а сигма-дельта модулятор работает с эталонными напряжениями от внутреннего источника опорных напряжений. На вход модулятора поочередно подается три опорных напряжения: U', U'+U" и U'-U"(phc. 6), полученные таким образом три кода записываются в ОЗУ.

Рис. 6. Передаточная характеристика сигма-дельта модуляторов звукового диапазона

Идея калибровки состоит в том, что всем трем калибровочным опорным напряжениям соответствует заранее известный код, тем самым обеспечивается возможность сравнить «идеальную» передаточную характеристику сигма-дельта АЦП с реально получившейся передаточной характеристикой. Опорное напряжение и' соответствует середине шкалы, разность между полученным кодом и кодом, соответствующему середине передаточной характеристики, даст искомую ошибку смещения передаточной функции сигма-дельта АЦП. Коды других двух «контрольных точек» по краям шкалы преобразования необходимы для коррекции коэффициента передачи передаточной функции.

В силу того, что модуляторы высокого порядка устойчивы в ограниченном диапазоне входного сигнала, в схемах сигма-дельта АЦП целесообразно контролировать выходной поток битов. Вход модулятора в область неустойчивой работы контролируется специальным цифровым блоком, который подсчитывает число поступивших подряд 1 или 0 с модулятора. Слишком длинная строка идущих подряд 0 или 1 (65354 бит) с выхода модулятора свидетельствует о том, что модулятор вышел из устойчивого режима работы, вырабатываемый после этого сигнал сброса призван вывести схему из «залипания» и ввести ее снова в устойчивый режим работы.

При разработке АЦП контроль параметров можно разделить на два этапа. Первый - быстрая оценка работоспособности схемы, т.е. ее отбраковка. В этом случае точность измерений снижена до разумного уровня, но при этом обеспечивается быстрое измерение некоторых

параметров, достаточно полно характеризующих работоспособность без статической обработки результатов измерений. На первом этапе тестирования снимались параметры аналогового ядра, призванные ответить на вопрос: является ли рассматриваемая конкретная микросхема работоспособной и пригодной для дальнейшего тестирования. Второй этап - подробное исследование как характеристик аналогового ядра в отдельности, так и характеристик всего АЦП. Требования к сигналам, подаваемым на АЦП в этом случае, определяются необходимой точностью измерений.

Результаты моделирования работы модуляторов в составе СДАЦП низшего и среднего классов с учетом неидеальностей аналоговых компонентов представлены на рис. 7, 8 соответственно.

Частота, Гц х 104

Рис. 7. Спектр выходного сигнала сигма-дельта модулятора СДАЦП низшего класса

Частота Гц * 10*

Рис. 8. Спектр выходного сигнала сигма-дельта модулятора СДАЦП среднего класса 19

По оси X отложена мощность сигнала в полосе в дБ, по оси Y - рабочий диапазон частот. Входным сигналом являлся синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой соответствующей полной шкале преобразования. Как видно из рис. 10 и 11 отношения сигнал/шум обеспечивают необходимую разрядность преобразования (для СДАЦП низшего класса -14 бит, для СДАЦП среднего класса -16 бит). Для определения мощности шума в полосе сигнала использовалось суммирование мощностей шумовых составляющих на каждом отсчете.

В САПР Cadence было спроектировано семейство аналоговых ядер сигма-дельта АЦП низшего и среднего классов.

Состав спроектированного аналоговых ядер семейства СДАЦП:

• Сигма-дельта модулятор:

- интегратор на коммутируемых конденсаторах;

- стробируемый компаратор;

- сумматор на коммутируемых конденсаторах;

• ЦАП в цепи обратной связи;

• Источник опорных напряжений;

• Фазовый вращатель;

• Генератор управляющих сигналов.

Результаты теоретической работы, а также математического и электрического моделирования позволили спроектировать семейство СФ блоков сигма-дельта АЦП звукового диапазона с напряжением питания +2.5В по стандартной КМОП технологии с технологической нормой 0,25мкм и с напряжением питания +5В по нормам 0,6мкм. Сигма-дельта АЦП предназначены для использования в составе звуковых подсистем СБИС типа «система на кристалле», а также для самостоятельного применения (в виде микросхем) в мобильных и стационарных CD и DVD записывающих устройствах, массовых мультимедийных устройствах для ПК и рабочих станций.

Разработанные и изготовленные аналоговые ядра для СФ блоков включают в себя сигма-дельта модулятор пятого порядка для СДАЦП среднего класса и третьего порядка для СДАЦП низшего класса с коэффициентом передискретизации 64. СФ блок сигма-дельта АЦП состоит из аналогового ядра с внутренним источником опорных напряжений, общим для обоих каналов; преобразователя входного аналогового сигнала в каждом канале в парафазный аналоговый

сигнал, который затем поступает на вход сигма-дельта модулятора 5-го порядка; цифровой части. Структурная схема СДАЦП среднего класса приведена на рис.9 (выделено аналоговое ядро).

»яЛ

Блмс форюфюши пяр»финого сигнал*

модулятор 5порядха

Блок форшфогшня «водного ж

1 £

Виок формировали парафжного сигнала

смтардм» та модошогор 5по0<цха

аналою »ого ядра

Аналоговое

7"

Чос АОНС чм оаып

Цифровая часть

рсис

РЛЕЗЕТп

РИНАТА

РК0АТА

Р8Ы-

РЕИАВЬЕ

ТСК

тгат

ТМ8

та

ТОО

Рис. 9. Структурная схема двухканального сигма-дельта АЦП среднего класса

Экспериментально измеренные характеристики модуляторов СДАЦП звукового диапазона:

• разрядных выходных данных - (12... 16) с частотой дискретизации (32; 44,1; 48) кГц;

• выходной сигнал - стерео;

• отношение сигнал/шум - не более -93 дБ;

• рабочая полоса частот - 0Гц... 20кГц;

• системная частота - 256Гз;

• динамический диапазон - до 92 дБ.

Блок аналогового сигма-дельта модулятора преобразует двухканальный входной аналоговый сигнал в однобитный цифровой поток с частотой 641з. Каждый из каналов содержит в себе модулятор пятого порядка и одноразрядный квантователь. На вход каждого из каналов поступает аналоговый сигнал. Данный сигнал преобразуется в парафазный сигнал, который подается на вход сигма-дельта модулятора. Сигма-дельта модулятор преобразует входной аналоговый сигнал в одноразрядный цифровой поток дельта-сигма формата. Частота следования выходных отсчетов сигма-дельта модулятора составляет 64fs. Последующая операция - 64-кратное понижение

частоты дискретизации сигнала (децимация), выполняется цифровым блоком, который, кроме того, преобразует входной одноразрядный сигнал в 16-разрядный выходной сигнал.

Основные выводы и результаты

Диссертация условно делится на две части: первая - разработка программ расчета структур сигма-дельта модуляторов АЦП звукового диапазона, вторая - создание набора библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона.

Основной теоретический результат

Предложена методика проектирования аналоговых ядер СДАЦП звукового диапазона, не уступающих по набору основных характеристик зарубежным аналогам для аудио применений, а также методика проектирования модулятора с учетом влияния схемотехнического исполнения отдельных функциональных блоков входящих в его состав. Обоснована оценка эффективности выбранной архитектуры для получения требуемых характеристик.

Частные теоретические результаты

• Разработаны модели в среде MATLAB аналоговых блоков, входящих в состав сигма-дельта модулятора, позволяющие учитывать электрические особенности схем при расчете передаточных характеристик модулятора и выборе набора коэффициентов модулятора.

• Разработана методика, позволяющая выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Основной практический результат

Разработано с использованием предложенных методик семейство аналоговых ядер для звуковых СДАЦП различных классов и семейство СФ блоков СДАЦП. Разработаны СФ блоки СДАЦП низшего и среднего классов по технологиям уровня 0,6 мкм и 0,25 мкм и 0,18мкм.

Частные практические результаты

• Создан набор библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона в среде САПР Cadence.

• Разработана программа расчета рационального набора коэффициентов модулятора с учетом его конкретного схемотехнического исполнения. Расчет с помощью предложенной программы дает выигрыш во времени по сравнению с аналогичным

расчетом в программе spectre в САПР Cadence по меньшей мере в 40 раз.

• Проведено экспериментальное исследование разработанных СФ блоков СДАЦП, доказывающее правильность защищаемых автором положений. Получены следующие характеристики: СДАЦП низшего класса (SNR—72 дБ), СДАЦП среднего класса (SNR—95 дБ). Для каждого из спроектированных СФ блоков была составлена документация в соответствии с РТМ ШИЛГ № 430109.0041М.

Результаты диссертации были внедрены в ходе разработки аналоговых ядер СДАЦП среднего и низшего классов. Разработки внедрены на следующих предприятиях: ГУП НПЦ «ЭЛВИС» в проекте СБИС мультимедийного микропроцессора «Мультикам» в составе СФ блоков звуковых сигма-дельта ЦАП среднего класса и сигма-дельта АЦП низшего класса, ЗАО ЦП «Ангстрем-СБИС» при выполнении ОКР «Тон-СФ».

Публикации

1. Самонов A.A. Поведенческое моделирование сигма-дельта модуляторов высокого порядка \\ Научная сессия МИФИ -2003. Сб. научн. трудов. Т.14.-М:МИФИ, 2003. - С. 104-105.

2. Сложно-функциональные блоки звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП и средства их тестирования. Антонов C.B. Байков В.Д. Герасимов Ю.М., Добровольский O.A., Кондратенко C.B., Рогаткин Ю.Б., Решетникова Ю.Б., Самонов A.A., Смирнов Д.А. \\ Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М..МИФИ-2003. - С. 63-68.

3. Самонов A.A. Функциональная модель сигма-дельта модуляторов АЦП на коммутируемых конденсаторах \\ Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. М.:МИФИ-2003. - С. 143-147.

4. Добровольский O.A., Самонов A.A. Схемы цифровой коррекции сигма-дельта АЦП с многоразрядным квантователем \\ Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.:МИФИ-2004. - С. 80-84.

5. Самонов A.A., Добровольский O.A. Структуры аналоговых интеграторов в сигма-дельта модуляторах \\ Электроника,

микро- и наноэлектроника. Сб. научи, трудов. - М.:МИФИ-2004.-С. 85-89.

6. Добровольский О.А, Самонов А.А Автокалибровка многоразрядных сигма-дельта АЦП \\ Научная сессия МИФИ - 2004. Сб. научн. трудов. Т.15.-М:МИФИ, 2004. -С. 82-84.

7. Самонов A.A. Расчет архитектуры сигма-дельта модулятора АЦП обработки звуковых сигналов \\ Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.:МИФИ-2005. - С.76-80.

8. Самонов A.A. Метод проектирования универсального аналогового ядра сигма дельта АЦП звукового диапазона \\ Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005: Сб. научн. трудов / под общ. ред. А. .Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2005. - С. 366-372.

Подписано в печать 07.11.2005 г. Формат 60 х 90/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 80 экз. Заказ № 0711052

Оттиражировано в ИП Гурбанов Сергей Талыбович Св. о регистрации № 304770000207759 от 09 июня 2004 года ИНН 770170462581

V*

" " ^ ~

РЯБ Русский фонд

2007^4 ~4177~

С"

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Классификация и общая характеристика сигма-дельта АЦП.

1.1. Обзор.

1.2. Тенденции развития сигма-дельта АЦП звукового диапазона.

1.3. СФ блоки как интегральные повторно используемые блоки.

1.4. Преобразование с передискретизацией.

Выводы.

Глава 2. Формирование кривой распределения шума в различных архитектурах сигма-дельта модуляторов.

2.1. Модуляция сигнала.

2.2. Модуляция высокого порядка.

2.3. Альтернативные структуры сигма-дельта модуляторов.

2.4. Анализ шумовой характеристики сигма-дельта модуляторов высокого порядка, расчет коэффициентов, устойчивость преобразования.

Выводы.

Глава 3. Математический анализ сигма-дельта модуляторов АЦП с учетом их схемотехнической реализации.

3.1. Маршрут проектирования устройств смешанной обработки сигналов

3.2. Расчет архитектуры модулятора.

Выводы.

Глава 4. Состав и особенности схемотехники аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона.

4.1. Влияние технологических норм на проектирование аналогового ядра

4.2. Аналоговое ядро СФ блоков сигма-дельта АЦП звукового диапазона

Выводы.

Диссертация посвящена пронектированию аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП (СДАЦП) звукового диапазона высоких порядков, ориентированных на применение в СБИС «система на кристалле».

Применение микросхем смешанной обработки сигналов в современной электронике является особенно актуальным. Интенсивное развитие телекоммуникаций, интернета, мобильных устройств, телевидения привело к тому, что практически повсеместно в электронных системах используются как цифровые, так и аналоговые схемы.

Развитие технологии изготовления интегральных схем позволило на одном кристалле размещать все более сложные устройства, которые еще совсем недавно можно было реализовать только на печатной плате. Одной из задач современной российской микроэлектроники является создание СБИС типа «система на кристалле», поэтому разработка сложно-функциональных блоков (далее СФ блоков), на основе которых и строится «система на кристалле», является приоритетной задачей, от решения которой зависит: смогут ли отечественные производители конкурировать с ведущими мировыми производителями электронных компонентов.

Одними из наиболее массовых электронных компонентов за рубежом в настоящее время являются микросхемы и СФ блоки СДАЦП. В настоящее время наметилась тенденция применения сигма-дельта АЦП не только в наиболее часто используемой области обработки сигналов звукового диапазона, но и в более широком частотном диапазоне: как на более низких (медицина, геология), так и на более высоких частотах (обработка видео сигналов, беспроводная связь). Сигма-дельта преобразователи с разрешением 16 бит могут достичь скорости обработки 10 Мбит/с уже в текущем году, что переводит их в разряд высокоскоростных. Примером служит АЦП ADS 1605 фирмы Texas Instruments, имеющий скорость обработки 5 Мбит/с. Достижение столь высоких характеристик становится возможным, благодаря изменениям в алгоритмах обработки сигнала и созданию новых архитектур устройств.

Кроме того, в последнее время наметилась тенденция к развитию звуковых сигма-дельта АЦП с жесткой привязкой к конкретному назначению (узкоспециализированный АЦП). Так фирмой Zarlink Semiconductor разработан сигма-дельта АЦП с сигма-дельта модулятором 4-го порядка для использования с миниатюрными цифровыми микрофонами в мобильных телефонах.

В соответствии с основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу определены приоритетные направления политики РФ в области электронной компонентной базы (ЭКБ). Одним из приоритетов политики является освоение разработки, производства (воспроизводства) и совершенствование ЭКБ на основе прогрессивной отечественной технологии сложно-функциональных блоков (СФ блоков), по зарубежной терминологии IP блоки.

Одной из областей применения ЦАП и АЦП является обработка звуковых сигналов. Частота дискретизации таких сигналов невысокая (до 192 кГц). При этом разрядность сигнала составляет 16.24. Поэтому для их обработки используются ЦАП и АЦП на основе сигма-дельта модуляции.

Диссертация выполнена в рамках программы «Национальная технологическая база» по проектированию СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона (договор № 010/02-мэ от 1 марта 2002 г шифр «Тон-СФ» на тему «Разработка технологии проектирования семейства КМОП СФ -блоков звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле»).

В рамках программы необходимо было разработать универсальные, отлаженные методы и средства проектирования СДЦАП и СДАЦП (на начальном этапе - математические методы, программные методы выбора оптимальной структуры и т.д.), применение которых позволит сократить время разработки СДЦАП и СДАЦП с заданными характеристиками.

Методы и средства разработки СФ блоков СДЦАП и СДАЦП широко используются во всем мире, однако для российских производителей они являются недоступными по причине отсутствия соответствующей информации о них.

Сигма-дельта АЦП принято делить на две основные части: это аналоговый модулятор, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой, и цифровой фильтр-дециматр, оперирующий только с цифровыми сигналами с выхода модулятора. Наиболее критичным и, по сути, определяющим блоком любого сигма-дельта АЦП является сигма-дельта модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума, то есть определяет такие показатели как сигнал/шум и эффективная разрядность. Задачей же цифрового фильтра-дециматора является определение полосы пропускания и уменьшение скорости выдачи цифровой информации с выхода АЦП с передискретизованной частоты до частоты дискретизации без потери информации.

Результаты диссертационной работы связаны с разработкой программ быстрого моделирования аналоговых сигма-дельта модуляторов с учетом реальных электрических параметров его компонентов, созданием набора библиотечных элементов для аналогового ядра сигма-дельта АЦП.

Цель диссертации - создание программно-аппаратных средств разработки аналогового ядра СДАЦП звукового диапазона с различными архитектурами модулятора и создание на их основе семейства звуковых СДАЦП с различными характеристиками.

Достижение данной цели предусматривает решение следующих задач: - классификация и анализ различных вариантов построения сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП, исследование их свойств и особенностей; разработка методики предварительного расчета шумовых характеристик АЦП; создание унифицированной программы, позволяющей выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора при обеспечении его устойчивости;

- создание набора библиотечных элементов аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона, для использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектировании сигма-дельта АЦП;

- разработка на основе предложенных методик аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП для их последующего интегрирования в СБИС типа «система на кристалле».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками.

2. Методика выбора критериальных параметров сигма-дельта модуляторов.

3. Конкретные схемотехнические решения аналоговых ядер сигма-дельта модулятора, реализованные по КМОП-технологии.

4. Результаты практического применения разработанных методов проектирования при создании СФ блоков сигма-дельта АЦП.

Научные результаты.

Основными научными результатами диссертации являются:

• создание и развитие методик предварительного расчета шумовых характеристик проектируемого сигма-дельта модулятора;

• обоснование эффективности выбранной архитектуры для конкретного набора требуемых характеристик, а также процесса проектирования модулятора с учетом влияния схемотехнического исполнения отдельных функциональных блоков, входящих в его состав;

• разработка моделей в среде Ма^аЬ аналоговых блоков, входящих в состав сигма-дельта модуляторов, позволяющих учитывать электрические особенности схем при расчете шумовых характеристик модулятора и выборе коэффициентов модулятора;

• создание методики расчета коэффициентов передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Апробация диссертации.

Основные результаты работы были доложены на научно-технических конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника», проходивших в Санкт-Петербурге в 2002-м году, в Костроме в 2003-м году, в Нижнем Новгороде в 2004-м году, в Вологде в 2005-м году, всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005». А так же на конференциях «Молодежь и Наука», проведенных в 2001-м и 2004-м гг.

Результаты работы по теме диссертации нашли отражение в нескольких научно-технических отчетах в рамках ОКР «Разработка технологии проектирования семейства КМОП СФ блоков звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле», № 010/02-мэ от 1 марта 2002 г, шифр «Тон-СФ».

Научная и практическая значимость работы.

Автору неизвестно о наличии законченных разработок СДАЦП звукового диапазона в России. Сведения о практическом опыте проектирования такого рода устройств в нашей стране практически отсутствуют. Получение же конкретных готовых зарубежных методик и программных пакетов для проектирования сигма-дельта преобразователей затруднительно, так как это, как правило, является конфиденциальной информацией фирм-разработчиков.

Диссертация носит комплексный характер и условно делится на две части: первая - разработка программ расчета структур сигма-дельта модуляторов АЦП звукового диапазона на основе оригинальной методики расчета параметров разрабатываемого сигма-дельта модулятора для АЦП с учетом реальных электрических характеристик устройств, вторая - создание набора библиотечных элементов для аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона для использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектировании сигма-дельта АЦП.

Научная значимость состоит в следующем:

• разработаны модели в среде Matlab аналоговых блоков входящих в состав сигма-дельта модулятора, позволяющие учитывать электрические особенности схем при расчете передаточных характеристик модулятора и выборе набора коэффициентов модулятора.

• разработана методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе созданных автором программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками;

• создана методика, позволяющая выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Практическая значимость заключается в том, что:

• создан набор библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона в среде САПР Cadence;

• разработана программа расчета рационального набора коэффициентов модулятора с учетом его конкретного схемотехнического исполнения. Расчет с помощью предложенной программы дает выигрыш во времени по сравнению с аналогичным расчетом в программе spectre в САПР Cadence по меньшей мере в 40 раз.

Результаты работы применяются при проектировании широкого класса КМОП СБИС типа «система на кристалле» и могут быть легко использованы при производстве микросхем сигма-дельта АЦП.

Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы.В первой главе излагаются обзор развития и применения сигма-дельта преобразования, тенденции развития современных преобразователей, использующих сигма-дельта преобразование.

Во второй главе рассматриваются вопросы формирования кривой распределения шума, устойчивости модуляторов высоких порядков. Описывается механизм модуляции в сигма-дельта модуляции. Рассматриваются различные архитектуры модуляторов и их сравнительные особенности.

Третья глава посвящена математическому моделированию сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП звукового диапазона. Анализируются параметры реальных электрических схем, влияющие на качество преобразования. Обосновываются модели, отражающие данные схемы. Описывается расчет архитектуры модуляторов сигма-дельта АЦП, приводятся основные результаты моделирования.

В четвертой главе рассматривается схемотехника аналогового ядра сигма-дельта АЦП, применявшаяся при проектировании семейства сигма-дельта АЦП звукового диапазона. Анализируются различные структуры интеграторов с точки зрения их влияния на качество преобразования модулятора.

Основные выводы и результаты

Работа носит комплексный характер и условно делится на две части: первая - разработка программ расчета структур сигма-дельта модуляторов АЦП звукового диапазона, вторая - создание набора библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона. Основной теоретический результат.

Предложена методика проектирования аналоговых ядер СДАЦП звукового диапазона, не уступающих по набору основных характеристик зарубежным аналогам для аудио применений, а также методика проектирования модулятора с учетом влияния схемотехнического исполнения отдельных функциональных блоков входящих в его состав. Обоснована оценка эффективности выбранной архитектуры для получения требуемых характеристик.

Частные теоретические результаты.

• Разработаны модели в среде Ма1;1аЬ аналоговых блоков, входящих в состав сигма-дельта модулятора, позволяющие учитывать электрические

И «МИГ

•тт

Аналоговое ядро особенности схем при расчете передаточных характеристик модулятора и выборе набора коэффициентов модулятора.

• Разработана методика, позволяющая выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Основной практический результат.

Разработано с использованием предложенных методик семейство аналоговых ядер для звуковых СДАЦГТ различных классов и семейство СФ блоков СДАЦП. Разработаны СФ блоки СДАЦП низшего и среднего классов по технологиям уровня 0,6 мкм и 0,25 мкм.

Частные практические результаты.

• Создан набор библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона в среде САПР Cadence.

• Разработана программа расчета рационального набора коэффициентов модулятора с учетом его конкретного схемотехнического исполнения. Расчет с помощью предложенной программы дает выигрыш во времени по сравнению с аналогичным расчетом в программе spectre в САПР Cadence по меньшей мере в 40 раз.

• Проведено экспериментальное исследование разработанных СФ блоков СДАЦП, доказывающее правильность защищаемых автором положений. Получены следующие характеристики: СДАЦП низшего класса (SNR=-72 дБ), СДАЦП среднего класса (SNR=-95 дБ). Для каждого из спроектированных СФ блоков была составлена документация в соответствии с ШИЛГ № 430109.004РМ.

Результаты диссертации были внедрены в ходе разработки аналоговых ядер СДАЦП среднего и низшего классов. Разработки внедрены на следующих предприятиях: НГУП НПЦ «Элвис» в проекте СБИС мультимедийного микропроцессора «Мультикам» в составе СФ блока звукового сигма-дельта АЦП низшего класса, о чем имеется акт о внедрении, и ЗАО ЦП «Ангстрем-СБИС» при выполнении ОКР «Тон-СФ».

1. U.S. Patent No 2,927,962. Transmission systems, employing quantization / Cutler C.C.- 3 p.: pic.

2. Inose H., Yasuda H., Murakami J. A telemetering system code modulation -A E modulation // IRE Trans. Space Elect. Telemetry.- 1962,- SET-8.-P.204-209.

3. Ф 5. Ritchie G.R. Higher order interpolation analog to digital converters:

4. Ph.D.Dissertation. University of Pennsylvania - 1977.

5. Candy J.C. A use of double integration in sigma-delta modulation// IEEE Trans.Commun. 1985. - Vol. 33. No. 3 - P. 249-258.

6. Lee W.L. A novel higher order interpolative modulator topology for high resolution oversampling A/D converters: Master's Thesis -Massachusetts Institute of Technology 1982.

7. Proceedings of the 1990 IEEE Int. Symp. Circuits Syst. 1990. - Vol. 1. -P. 372-375.

8. Carley R., Kenney J. A 16-bit 4th order noise-shaping D/A converter // IEEE Proc. Custom Integrated Circuits Conf. 1988. - P. 21.7.1-21.7.4.

9. Schouwenaars H.J., Groeneveld D. W. J. , Bastiaansen A. A. An oversampled multibit CMOS D/A converter for digital audio with 115-dB• dynamic range // IEEE J. Solid-State Circuits. 1991. - Vol. SC-26. - P. 1775-1780.

10. Тенденции развития микросхем и блоков со смешанной обработкой сигналов: Аннотационный отчет / ЗАО «Ангстрем-СБИС». -2005.- С. 4-50.

11. Norsworthy S.R., Schreier R., Temes G. С. Delta-Sigma Data Converters. Theory, Design, and Simulation // IEEE Press. 1997.- P. 476.

12. Temes G. C., Walden R. H., Catalepe T. Architectures for high-order multibit sigma-delta modulators // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Sys. -1990.- Vol. 2. P. 895-898.

13. Candy J.C., Benjamin O. J. The structure of quantization noise from sigma-delta modulation // IEEE Trans. Commun. 1981. - Vol. COIu-29.• P. 1316-1323.

14. AD 1871: Data sheet / Analog Devices Inc. Norwood, 2002. P.28.

15. Candy J. C. A use of limit cycle oscillations to obtain robust analog-to-digital converters // IEEE Trans. Commits. 1974. - Vol. COM-22. - P. 298-305.

16. Netravali A. Optimum filters for interpolative A/D converters // Bell Sys. Tech.X.- 1977. Vol. 56. - P. 1629-1641.

17. Candy J. C., Benjamin O. J. The structure of quantization noise from sigma-delta modulation // IEEE Trans. Commun. 1981. - Vol. COM-29. -P. 1316-1323.

18. Gray R. M. Quantization noise spectra // IEEE Trans. Inform. Theory.• 1990. Vol. IT-36. - P. 1220-1244.

19. Leung B. H., Neff R., Gray P. R. Area-efficient multichannel oversampled PCM voice-band coder // IEEE J. Solid-Slate Circuits. 1988. - Vol. SC-23.- P. 1351-1357.

20. Boser E., Wooley B. A. The design of sigma-delta modulation analog-to-digital converters // IEEE J. Solid-State Circuits. 1994. - Vol. SC-23. - P. 1298-1308.

21. Matsuya Y. , Uchimura K., Iwata A. , et al. A 16-bit oversampling A-to-D conversion technology using triple-integration noise shaping // IEEE J. Solid-State Circuits. 1987. - Vol. SC-22. - P. 921-929.

22. Logo L., Copeland M. A 13 bit ISDN-band oversampled ADC using two® stage third order noise shaping // IEEE Proc. Custom Conf. -1988. P.212.1-21.2.4.

23. Williams L. A., Wooley B. A. Third-order cascade sigma-delta modulators // IEEETrans. Circuits Sys. 1992. - Vol. CAS-38. - P. 489-498.

24. Leslie C., Singh B. An improved sigma-delta modulator architure // IEEE Proc. ISCAS 1990. - P. 372-375.

25. Adams R. W., Ferguson P. F., Ganesan A., et al. Theory and practical implementation of a fifth-order sigma-delta A/D converter // J. Audio Eng.• Soc. 1991. - Vol. 39. - P. 515-528.

26. Lee W. L., Sodini C. G. A topology for higher order interpolative coders // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Sys. 1987. - Vol. 4. - P. 459-462.

27. Welland D. R., Del Signore B. P., Swanson E. J., et al Stereo 16-bit delta-sigma A/D converter for digital audio // J. Audio Eng. Soc. 1989. - Vol.• 37. P. 476-486.

28. Ferguson P. F., Ganesan J. A., Adams R. W. One bit higher order sigma-delta A/D converters // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Sys. 1990. - Vol. 2. - P. 890-893.

29. Ardalan S.H., Paulos J. J. An analysis of nonlinear behavior in delta-sigma modulators // IEEE Trans. Circuits Sys. 1991. - Vol. CAS-34. - P. 593-603.

30. Chao H., Nedeem S., Lee W.L. A higher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D conversion // IEEE Trans. Circuits Sys. -1990. Vol. Cas-37. - P. 309-318.

31. Brandt B.E., Wingard D.E., Wooley B.A. Second-order sigma-delta signal• acquisition // IEEE J. Solid-State Circuits. -1991. Vol. SC-26. - P. 618-627.

32. Adams R. W. Design and Implementation of an audio 18-bit analog-to-digital converter using oversampling techniques // J. Audio Eng. Soc. -1986.- Vol. 34.-P. 153-166.

33. Norsworthy S. R., Schreier R., Temes G.C. Delta-Sigma Data Converters. Theory, Design, and Simulation // CAS-S Liaison to IEEE Press. Jaime Ramirez-Angulo. 1997. - P. 476.

34. H. Inose and Y. Yasuda. // A unity bit coding method by negative• feedback. Proc IEEE. Vol. 51 pp. 1524-1535 (Nov. 1963)

35. Candy J. С. A use of double integration in sigma delta modulation // IEEE Tram.Commun. 1985. - Vol. COM-33. - P. 249-258.

36. Lee W. L., Sodini G. A topology for higher order interpolative coders // ProcIEEE Int. Symp. Circuits Syst. 1987. - Vol. 4. - P. 459-462.

37. Welland D. R., Tanaka Т., Hamashita K.,et al. Stereo 16-bit delta-sigma

38. A/D converter for digital audio // J. Audio Eng. Soc. 1989. - Vol. 37. -P. 476-486.

39. Ferguson P. F., Ganesan J. A., Adams R. W. One bit higher order sigma-delta A/D converters // IEEE Proc. ISCAS 1990. - Vol. 2. - P. 890-893.

40. Uchimura K., Iwata A., Kobayashi Т., et al. A 16-bit oversampling A-to-D conversion technology using triple-integration noise shaping // IEEE. Solid• State Circuits. 1987. - Vol. 22. - P. 921-929.

41. Longo L., Copeland M. A 13 bit ISDN-band oversampled ADC using two-stage third-order noise shaping // IEEE Proc. Custom Conf. 1988. - P. 21.2.1-21.2.4.

42. Rebeschini M., van Bavel R., Rakers P., et al. A 16-b 160 kHz CMOS A/D converter using sigma-delta modulation // IEEE. SolidState Circuits. -1990.-Vol. 25.-P. 431-440.

43. Harris F. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform // Proc. IEEE. 1978. - Vol. 66. - P. 51-83.

44. Рогаткин Ю.Б. // Некоторые особенности построения высокоточныханалоговых КМОП блоков. Сборник научных трудов. М.:Москва2002.-С.51-54.

45. Ален Ф., Санчес-Синенсио Э. Электронные схемы с переключаемыми конденсаторами / Пер. с англ. под ред. В.И. Капустяна.-М.: Радио и связь, 1989.-576с.

46. Рогаткин Ю.Б. КМДП интегратор на коммутируемых конденсаторах // Микроэлектроника. 2003. - №. 6. - С. 15 - 19.

47. Стенин В.Я. // Моделирование аналого-дискретных систем. Учебное• пособие. М.: МИФИ, 1989. - 92с.

48. Добровольский O.A., Самонов A.A. // Схемы цифровой коррекции сигма-дельта АЦП с многоразрядным квантователем. Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов. М.:Москва-2004. С. 80-84.

49. Самонов A.A., Добровольский O.A. // Структуры аналоговых интеграторов в сигма-дельта модуляторах. Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов. М.:Москва-2004. С. 8589.

50. Самонов A.A. // Функциональная модель сигма-дельта модуляторов АЦП на коммутируемых конденсаторах. Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов. М.:Москва-2004. С. 143147.

51. Сложно-функциональный блок моно сигма-дельта АЦП низшего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО "Ангстрем-СБИС". 2004. 37 с.

52. Сложно-функциональный блок стерео сигма-дельта АЦП среднего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО "Ангстрем-СБИС". 2004. 38 с