автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Синтез и реализация дельта-сигма АЦП двоичного и троичного кода с расширенной полосой рабочих частот и малой потребляемой мощностью

'УКОПНСИ

н/

ООНО * ~ - "

Пнлнпко Михаил Михайлович

Синтез и реализация дельта-сигма АЦП двоичного и троичного кода с расширенной полосой рабочих частот и малой потребляемой мощностью

Специальность 05.12.04 - радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-2 ДЕК 2010

Санкт-Петербург - 2010

004615090

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессиональног образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Короткое Александр Станиславович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кривошейкин Анатолий Валентинович кандидат технических наук Гублер Гнеб Борисович

Ведущая организация: ОАО «Авангард»

Защита состоится 09 декабря 2010 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совет Д 212.229.01 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет) по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29,11 уч. корпус, ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.01 доктор технических наук, профессор __

£

Короткое А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Достижения в области МОП технологий и современные методы обработки сигналов и определяют перспективы развития микроэлектроники. Особенностью современного рынка полупроводниковых схем является возрастание роли специализированных микросхем, то есть реализация концепции «система на кристалле» («system-on-a-chip»). Среди функциональных узлов данных микросхем, как правило, присутствует блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Различают АЦП параллельного типа, конвейерные АЦП, АЦП последовательного приближения, следящие АЦП. В системах мобильной связи применяются следящие АЦП с использованием дельта-сигма модуляции.

Дельта-сигма АЦП состоит из дельта-сигма модулятора и кодирующего устройства, как правило, это цифровой децимирующий фильтр. В общем случае, модулятор содержит один или несколько интеграторов и квантователь, охваченные отрицательной обратной связью, подключенной к сумматору на входе модулятора. Схема модулятора осуществляет тактируемое следящее преобразование с интегрированием и уравновешиванием непрерывного входного сигнала в последовательность импульсов напряжения высокого и низкого уровней. Децимирующий фильтр преобразует полученную импульсную последовательность в многоразрядный цифровой код. Данные АЦП могут быть выполнены как интегральные схемы на переключаемых конденсаторах, элементная база которых (операционные усилители, конденсаторы и транзисторы, работающие в ключевом режиме) является совместимой с МОП технологией. По сравнению с преобразователями иных принципов действия дельта-сигма АЦП используются в диапазоне частот до сотен килогерц и обладают линейностью передаточной характеристики, низкой потребляемой мощностью, малой площадью кристалла (М.М.Гельман, Э.К.Шахов, G.Temes, G.Gielen, I.Galton, A.Rodriguez-Vazquez). Указанные преимущества востребованы при проектировании радиоприемных устройств широкополосных систем связи. При этом требуется расширение полосы рабочих частот дельта-сигма АЦП при сохранении динамического диапазона и без увеличения потребляемой мощности.

Применение двоичной системы представления информации в цифровых устройствах обработки сигналов является традиционным. В то же время, ежегодно проводимые тематические симпозиумы (IEEE Symposium on Multiple Valued Logic) свидетельствуют о пристальном внимании специалистов к алгоритмам и методам обработки данных на основе троичной логики, преимуществом которой является наибольшая удельная информационная4

плотность. В отличие от двоичного представления данных, балансное троично представление данных -1Д+1 позволяет непосредственно кодировать как положительные так и отрицательные числа. Первые троичные логические устройства разрабатывались СССР при построении ЭВМ «Сетунь» под руководством Н.П.Брусенцова, МГУ. Из-з-низкой надежности электронных ламп в качестве базовых использовались феррит-диодны элементы. Дальнейшего развития троичные схемы не получили из-за отсутстви электронных компонентов с тремя стабильными состояниями.

Известны различные способы реализации троичных устройств, в числе которы устройства на основе схем двоичной логики (J.Z. Shen), квантовых эффектов (U. Dong) туннельных диодов и транзисторов (Т. Waho, J. Nunez), МОП транзисторов обогащенног типа (А.Р. Dhande, J. Stackelberg). Представляется перспективным построение статически троичных схем с использованием МОП транзисторов с индуцированным канало (Н.Т. Mouftah, С. Rozon), поскольку данные схемы не требуют дополнительных тактовы генераторов, усложнения технологического процесса и специальных условий эксплуатации Как следствие, вызывает практический интерес разработка дельта-сигма АЦП троичног кода и сравнение характеристик двоичных и троичных АЦП.

Таким образом, являются актуальными исследования, направленные на построени двоичных и троичных дельта-сигма АЦП с расширенной полосой рабочих частот пониженной потребляемой мощностью. Изложенное позволяет определить объект и предме исследования, сформулировать цель и задачи работы. Объектом исследования являютс дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи. Предметом исследования являютс частотные и мощностные характеристики дельта-сигма АЦП.

Цель диссертационной работы

Целью работы является решение проблемы синтеза дельта-сигма аналого-цифровы преобразователей двоичного и троичного кода с расширенной полосой рабочих частот при малой потребляемой мощности.

Задачи диссертационной работы

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Синтез базового троичного вентиля с малой потребляемой мощностью и цифровых устройств на его основе.

2. Реализация операционного усилителя с расширенной полосой рабочих частот при малой потребляемой мощности.

3. Разработка методики синтеза и реализация двоичного и троичного дельта-сигма

модуляторов АЦП.

4. Разработка методики синтеза и реализация двоичного и троичного дсцимирующих фильтров АЦП.

5. Разработка методики моделирования и моделирование троичных цифровых устройств.

6. Синтез дельта-сигма АЦП двоичного и троичного кода с разрешением, соответствующим 8-10 двоичным разрядам, и экспериментальные исследования АЦП.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы анализа и моделирования схем на переключаемых конденсаторах, метод преобразования Лапласа, методы синтеза цифровых устройств. Расчеты и моделирование проведены на ЭВМ с использованием программ MATLAB, Simulink, Cadence Virtuoso (для данного программного продукта СПбГПУ имеет соответствующие лицензионные соглашения).

Научная новизна:

1. Разработана методика расширения полосы рабочих частот дельта-сигма модуляторов АЦП двоичного и троичного кода, с применением которой синтезированы АЦП с полосой рабочих частот 1 МГц.

2. Разработана методика синтеза двоичного и троичного дельта-сигма АЦП, особенностью которой является сочетание структурного синтеза на основе функциональных моделей и параметрического синтеза на основе схемных и схемотехнических моделей, что позволяет сократить время синтеза устройств.

3. Разработана методика синтеза троичных устройств, в частности троичного инвертора, одноразрядного троичного умножителя, троичных сумматоров, троичного D-триггера на основе предложенной в работе схемы универсального троичного вентиля с малой потребляемой мощностью.

4. Предложена методика структурного синтеза КИХ-фильтров для двоичной и троичной систем представления данных, с применением которой синтезированы децимирующие фильтры двоичного и троичного дельта-сигма АЦП.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для снижения потребляемой мощности универсального троичного вентиля необходимо уменьшить статические токи между шинами питания в схеме управления вентиля от значений единиц микроампер до уровня токов утечки МОП транзисторов при любом логическом состоянии на входе вентиля.

2. Снижение потребляемой мощности дифференциального по входу и выходу операционного транекондуктивного усилителя при сохранении полосы рабочих частот достигается применением однокаскадной каскодной КМОП схемы с комплементарными входными транзисторами, в которой на затворы транзисторов, являющихся источниками тока, подается выходное напряжение цепи обратной связи по синфазному сигналу.

3. Применение симметричного троичного кодирования данных в дельта-сигма АЦП за счет использования напряжения земляной шины двуполярного источника питания в качестве третьего логического состояния позволяет без увеличения потребляемой мощности обеспечить выигрыш в динамическом диапазоне 6 дБ по сравнению с дельта-сигма АЦП с двоичным кодированием на основе модулятора того же порядка.

4. Для уменьшения затрат машинного времени целесообразно проводить структурный синтез устройств троичной логики на функциональном уровне, применяя разработанные модели троичных устройств, а последующее моделирование схем на транзисторном уровне использовать для определения основных параметров логических элементов.

Практическая значимость работы

1. Разработаны инженерно-ориентированные методики синтеза двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов АЦП с расширенной до 1 МГц полосой рабочих частот. Для решения задач структурного синтеза устройств троичной логики созданы модели троичных устройств в программном средстве ЭтиПпк.

2. Представлены практические рекомендации по снижению потребляемой мощности и повышению быстродействия устройств с использованием схем двоичной и троичной логики.

3. Предложена схема базового троичного вентиля со статическими токами, уменьшенными до уровня токов утечки МОП транзисторов. Данное схемное решение защищено патентом РФ на изобретение № 2373639 «Троичный инвертор на КМОП транзисторах». На основе троичного вентиля разработаны схемы троичного инвертора, троичных сумматоров, троичных умножителей, троичного О-тригтера.

4. Разработана схема дифференциального по входу и выходу операционного транекондуктивного усилителя с полосой рабочих частот до 500МГц, коэффициентом усиления бОдБ и потребляемой мощностью 4 мВт.

5. На основе 0,18 мкм МОП технологии компании 11МС изготовлены опытные образцы микросхем двоичного АЦП в виде двух компонентов: дельта-сигма модулятора и децимирующего фильтра АЦП. В полосе частот до 1 МГц АЦП обеспечивает разрешение 9 разрядов.

6. Результаты диссертации использованы при проведении работ по Государственным контрактам «Программно-аппаратное обеспечение телекоммуникационных систем нового поколения, использующих логико-алгебраические операции на основе троичной позиционной системы счисления» и «Наноэлектронные компоненты телекоммуникационных систем с представлением данных в троичном коде», в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». Разработанная в ходе диссертационной работы методика измерений параметров децимирующих фильтров АЦП используется в Институте Фраунгофера, отделении интегральных схем (Эрланген, Германия), что подтверждается письмом начальника отдела разработки аналоговых микросхем И. Зауэрера (J. Sauerer) и начальника лаборатории измерений X. Хауэра (Н. Hauer).

Апробация результатов исследования

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийские межвузовские научные конференции «XXXIV Неделя науки СПбГПУ» 2005, «XXXV Неделя науки СПбГПУ» 2006; VI Международный научно-практический семинар «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники», Шахты, 2007; III Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008», 2008.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них: две статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук; шесть статей опубликованы в сборниках материалов семинаров и конференций, одна статья опубликована в сборнике трудов СПбГПУ, один патент РФ на изобретение. Результаты диссертации вошли в отчеты по НИР по Госконтрактам Федеральных целевых программ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Основной текст диссертации содержит 224 машинописные страницы, 182 рисунка и 36 таблиц.

Вклад автора в разработку проблемы

Основные научные положения, теоретические выводы, математические модели, практические рекомендации и расчеты в диссертации разработаны автором самостоятельно.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов и обоснованность научных выводов подтверждается соответствием данных эксперимента результатам моделирования дельта-сигма АЦП, которое выполнено с использованием лицензионного программного обеспечения Cadence Virtuoso с учетом паразитных элементов компоновки кристалла.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены различные типы аналого-цифровых преобразователей: параллельные АЦП, конвейерные АЦП, АЦП последовательного приближения, АЦП на основе дельта-сигма модуляторов. Проведено сравнение систем счисления, в том числе двоичной и троичной. Рассмотрены различные способы реализации троичных устройств, в числе которых устройства на основе схем двоичной логики, на основе квантовых эффектов, на основе туннельных диодов и транзисторов, МОП транзисторов обогащенного типа, на основе стандартной МОП технологии. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены схемотехнические решения и основные характеристики двоичных устройств: инвертора, элемента «И-НЕ», сумматора, Б-триггера.

Представлена методика моделирования одноразрядных сумматоров, которая заключается в следующем. Проводится моделирование схемы сумматора, которое позволяет получить зависимости выходных сигналов и потребляемого тока от времени. При этом на интервале наблюдения моделируются все возможные переключения входных сигналов. Предложенная схема моделирования позволяет учесть как токи от источника питания, так и входные токи сумматора при расчете потребляемой мощности. Средняя работа переключения равна произведению среднего тока на напряжение питания, отнесенному к

1 "

числу переключений на интервале наблюдения: А= — (иы1 -С/,,,,) \icit. При расчете среднего

N ' 1

времени задержки распространения сигнала суммы вычисляется разность напряжений эталонного и реального сигналов, которая затем делится на величину напряжения питания и на количество переключений данного сигнала на интервале наблюдения:

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

о

Среднее время задержки распространения сигнала

переноса вычисляется аналогично.

Проведено сравнение двух схем сумматоров: КМОП сумматора и PTL сумматора (PTL - это схемы с дополнительным управлением по стоку или истоку). Средняя работа переключения составила для КМОП сумматора Aclílos = 134 фДж, для PTL сумматора Ат =129 фДж. Площадь кристалла PTL сумматора на 30% меньше площади кристалла КМОП сумматора. Средние времена задержки распространения сигналов суммы и переноса составили для КМОП сумматора 315 пс и 210 пс, для PTL сумматора 258 пс и 140 пс, соответственно.

Сформированы модели двоичных устройств на функциональном уровне в программном средстве Simulink, предназначенные для реализации децимирующего фильтра дельта-сигма АЦП и моделирования на функциональном уровне.

В результате разработаны устройства двоичной логики, необходимые для построения цифровой части дельта-сигма АЦП. Проведено моделирование инвертора, элемента «И-НЕ», сумматора и D-триггера, подтвердившее корректную работу моделей. С использованием предложенной методики показаны преимущества PTL сумматора по времени задержки переключения и занимаемой на кристалле площади по сравнению с КМОП сумматором. При использовании 0,18 мкм МОП технологии компании UMC разработаны топологии кристаллов микросхем для реализации и экспериментальных исследований.

В третьей главе предложен базовый троичный вентиль, состоящий из двух частей: схемы управления и схемы мультиплексирования (рис.1). Данное схемное решение защищено патентом РФ на изобретение [10]. Главным отличием предложенной схемы от известных реализаций является пониженная потребляемая мощность при любом логическом состоянии на входе вентиля. На основе блоков троичного вентиля построены схемы троичного инвертора и одноразрядного троичного умножителя. Введена классификация троичных сумматоров по числу входов схемы: полусумматор (2 входа), неполный сумматор (3 входа), полный сумматор (4 входа). Предложены схемы полусумматора, неполного сумматора, полного сумматора на основе блоков троичного вентиля.

Представлена методика моделирования троичных сумматоров, позволяющая определить среднюю работу переключения и средние времена задержки распространения сигналов суммы и переноса. Средняя работа переключения составила для полусумматора 93 фДж, для неполного сумматора 163 фДж, для полного сумматора 215 фДж. Средняя задержка сигналов суммы и переноса составила для полусумматора 679 пс и 418 пс, для неполного сумматора 720 пс и 527 пс, для полного сумматора 877 пс и 640 пс, соответственно.

вх

-Епнт

1Г

х

Б++

Щ:

I—(Т1 8 .в_IТ22 ■_IТ2 ,._1 Т6

о.

Т5

Ц-гл Ц

н '1

я

Л-

Д-

ч'

Х++

.1-1Т1 о

не

Т13

г

-н

вых

Рис.1. Схема базового троичного вентиля.

Предложены две схемы троичного Б-триггера: троичный Б-триггер на основе троичных инверторов и троичный Б-триггср с использованием двоичных В-триггсров. Первая схема состоит из 104 транзисторов, вторая из 64 транзисторов. Для Б-триггера на основе троичных инверторов средняя работа переключения составила 314 фДж, среднее время задержки прямого и инверсного сигналов - 893 пс и 1701 пс. Для троичного Э-триггера с использованием двоичных Б-триггеров средняя работа переключения составила 137 фДж, средние времена задержки прямого и инверсного сигналов - 213 пс и 233 пс.

Предложена методика моделирования троичных устройств на функциональном уровне с использованием программного средства 81ти1тк. Разработаны модели троичных устройств: троичного вентиля, умножителя, сумматоров, Б-триггера. Предложен метод формирования тестовых троичных сигналов. Рассмотренные модели позволяют реализовать децимирующий фильтр и провести моделирование на функциональном уровне, что приводит к экономии машинного времени при построении АЧХ фильтра.

В результате при использовании 0,18 мкм МОП технологии компании иМС статические токи предложенного троичного вентиля в режиме троичного инвертора определяются токами утечки МОП транзисторов и не превышают 185 пА. Разработаны устройства троичной логики, необходимые для построения цифровой части дельта-сигма АЦП. Проведено моделирование троичных устройств, подтвердившее корректную работу моделей. Для уменьшения затрат машинного времени целесообразно проводить структурный

синтез устройств троичной логики на функциональном уровне, применяя разработанные модели троичных устройств в программном средстве ЗппиПпк, а моделирование схем на транзисторном уровне использовать для определения основных параметров логических элементов.

В четвертой главе изложена методика синтеза дельта-сигма модуляторов двоичного и троичного кода. Методика предполагает следующую последовательность действий: 1. Определить порядок схемы модулятора, необходимый для получения заданных характеристик. 2. Выбрать порядок подключения обратных связей и провести моделирование модулятора на функциональном уровне. 3. Выбрать коэффициенты передачи интеграторов, обеспечивающие физически реализуемые уровни сигналов. 4. Реализовать структуру модулятора на схемном уровне. 5. Сформулировать требования к характеристикам компонентов схемы, при которых обеспечиваются заданные характеристики модулятора. 6. Реализовать на транзисторном уровне необходимые компоненты схемы.

На основе данной методики реализованы схемы двоичного и троичного модуляторов 2-го порядка. Обе схемы рассчитаны на работу с тактовой частотой 100 МГц и полосу рабочих частот до 1 МГц. Двоичная схема обеспечивает динамический диапазон 60 дБ (10 двоичных разрядов), троичная схема - 66 дБ (7 троичных разрядов). Рассмотрены модели модуляторов на функциональном и схемном уровне, выбраны коэффициенты передачи интеграторов, варианты подключения обратных связей.

Сформулированы требования к компонентам схем дельта-сигма модуляторов. Рассмотрены типы операционных транскондуктивных усилителей (ОТУ), используемых в схемах с переключаемыми конденсаторами, и показаны преимущества ОТУ по схеме «свернутый каскод» с комплементарными парами входных транзисторов (рис.2). В данной схеме входной сигнал подается на оба транзистора каждой каскодной пары, что обеспечивает увеличение запаса усилителя по устойчивости. В качестве напряжения смещения на затворы транзисторов, являющихся источниками тока, подается уровень нуля по переменному току или, как на рис.2, выходной сигнал цепи обратной связи по синфазному сигналу "устГЬ". Отсутствие дополнительных цепей формирования напряжения смещения приводит к снижению потребляемой усилителем мощности. При использовании 0,18 мкм МОП технологии компании иМС, нагрузочных конденсаторах 4 пФ, полосе рабочих частот до 500 МГц и коэффициенте усиления 60 дБ потребляемая мощность составляет 4 мВт.

Моделирование модуляторов показало, что характеристики разработанных схем удовлетворяют заданным требованиям. При этом на всех уровнях представления сохраняется преимущество троичной схемы по отношению к двоичной, равное 6 дБ динамического диапазона. Потребляемая мощность обеих схем составляет 11 мВт.

В пятой главе определена структура децимирующего фильтра дельта-сигма модулятора АЦП. Показано, что структура фильтра состоит из двух частей: КИХ-фильтра на основе интеграторно-гребенчатых фильтров (ИГФ), осуществляющего снижение тактовой частоты и формирующего параллельный код, и БИХ-фильтра, обеспечивающего необходимое подавление спектральных компонентов за пределами полосы рабочих частот.

Рассмотрена методика синтеза ИГФ, которые выполняют первый шаг децимации. Преимуществами ИГФ являются нерекурсивная структура, что обеспечивает абсолютную устойчивость, и отсутствие умножителей, что обеспечивает высокое быстродействие и малую потребляемую мощность фильтра. Рассмотренная методика позволяет реализовать ИГФ вне зависимости от используемой системы представления данных. Методика предполагает следующую последовательность действий. Если коэффициент децимации ИГФ - простое число, следует: 1. Рассчитать коэффициент децимации ИГФ, исходя из заданных частотных характеристик фильтра и коэффициента децимации децимирующего фильтра в

целом. 2. Рассчитать число каскадов ИГФ, обеспечивающее заданный уровень подавления. 3. Представить выражение для передаточной функции ИГФ в нерекурсивной форме и применить к нему полифазное разложение. 4. Разложить коэффициенты полинома передаточной функции по степеням основания системы счисления. Если коэффициент децимации ИГФ раскладывается на множители, кроме выполнения действий 1—4, целесообразно рассмотреть реализацию ИГФ в виде последовательного соединения соответствующего числа секций. При этом выражение для передаточной функции каждой секции ИГФ следует представить в нерекурсивной форме и применить к нему полифазное разложение. В результате получим второй вариант нерекурсивного ИГФ. В зависимости от конкретного случая (разложение коэффициентов по степеням) выбор может быть сделан в пользу одной из двух реализаций.

Представлены примеры реализаций ИГФ двоичного и троичного дельта-сигма АЦП. Для двоичного ИГФ, имеющего коэффициент децимации 8, показано преимущество реализации в виде одной секции с полифазным разложением. Для троичного ИГФ с коэффициентом децимации 9 аппаратная сложность реализаций в виде одной секции и в виде двух секций примерно одинакова.

Рассмотрена реализация БИХ-фильтра, выполняющего второй шаг фильтрации и децимации. В качестве БИХ-фильтра предложено использовать эллиптический фильтр, реализованный в виде последовательного соединения звеньев второго и первого порядка. Рассмотрен алгоритм определения порядка следования звеньев. Представлена методика моделирования двоичного и троичного БИХ-фильтров, сочетающая моделирование на функциональном и на транзисторном уровне. Правильность топологии разработанной схемы предлагается проверять на функциональном уровне с использованием разработанных моделей двоичных и троичных устройств. Характеристики фильтра (максимальное время задержки распространения сигнала в звене БИХ-фильтра, мощностные характеристики) предлагается оценивать на основе результатов моделирования отдельных схемотехнических блоков (умножитель, сумматор) на транзисторном уровне.

Таким образом, для снижения потребляемой мощности децимирующего фильтра АЦП необходимо уменьшить число переключений в схеме. С этой целью перед БИХ-фильтром, выполняющим частотную селекцию, ставится малопотребляющий КИХ-фильтр на основе ИГФ, который обеспечивает снижение тактовой частоты без увеличения уровня шумов в полосе рабочих частот.

В шестой главе приведены основные результаты, полученные при экспериментальном исследовании образцов двоичного дельта-сигма модулятора и децимирующего фильтра. Микросхемы модулятора (рис.3) и фильтра (рис.5) разработаны согласно методикам, изложенным в предыдущих главах. В схеме модулятора использованы ОТУ из библиотеки стандартных компонентов компании иМС с потребляемой мощностью 11 мВт. Компоновка кристаллов выполнена в соответствии с правилами 0,18 мкм КМОП технологии компании иМС, микросхемы изготовлены в рамках программы Еигоргас^се. Экспериментальные исследования модулятора (рис.4) проводились при частоте тактового сигнала 50 МГц для входного балансного гармонического сигнала с частотой 200 кГц.

Рис.3. Микрофотография микросхемы дельта-сигма модулятора.

Рис.4. Схема измерений микросхемы дельта-сигма модулятора.

Рис.5. Микрофотография микросхемы децимирующего фильтра.

По результатам экспериментов динамический диапазон модулятора составил 56 дБ, что обеспечивает разрешающую способность 9 двоичных разрядов. Децимирующий фильтр с коэффициентом децимации 9 формирует 10-разрядный параллельный код. По результатам экспериментов (рис.6) средняя потребляемая мощность фильтра при тактовой частоте 10 МГц составила 160 мкВт. Таким образом, потребляемая мощность АЦП составляет 33 мВт. Моделирование показывает, что уменьшение номиналов конденсаторов в схеме модулятора и использование ОТУ, разработанного в главе 4, позволит снизить потребляемую мощность до 11 мВт.

out6 out5 out4 out3

□

на

ои(7 ои18 ои!9

ои12 оШ1 оиШ

□ а

vdd inO c_n vss

1.8V-à-

10p ■D-

-L- 360

3oo[

^360

Logic Analyzer Agilent 16557D

Agilent 16702A Logic Analysis System

Pattern Generator Agilent 16522A

Рис.6. Схема измерений микросхемы децимирующего фильтра.

В заключении приведены основные результаты и выводы:

1. Предложен базовый троичный вентиль с пониженной потребляемой мощностью. Вентиль состоит из двух блоков: схемы управления и схемы мультиплексирования,- и реализован на основе МОП технологии. В отличие от известных схем, в устройстве уменьшены статические токи между шинами питания в схеме управления вентиля от значений единиц микроампер до уровня токов утечки МОП транзисторов при любом логическом состоянии на входе вентиля. Данное схемное решение защищено патентом РФ на изобретение [10]. При использовании 0,18 мкм МОП технологии компании UMC статический ток троичного вентиля не превышает 185 пА. На основе троичного вентиля разработаны схемы троичного инвертора, одноразрядного троичного умножителя, троичных сумматоров, троичного D-триггера.

2. Разработан дифференциальный по входу и выходу операционный транскондуктивный усилитель. При сохранении полосы рабочих частот достигается снижение потребляемой мощности за счет применения однокаскадной каскодной КМОП схемы с комплементарными входными транзисторами, в которой входной сигнал подается на оба транзистора каждой каскодной пары, а на затворы транзисторов, являющихся источниками тока, подается напряжение смещения нулевого уровня по переменному току. При использовании 0,18 мкм МОП технологии компании UMC, нагрузочных конденсаторах 4 пФ, полосе рабочих частот до 500 МГц и коэффициенте усиления 60 дБ потребляемая мощность составляет 4 мВт, что на 20% меньше, чем в лучших из известных реализаций.

3. Разработана методика синтеза двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов АЦП. Показано, что целесообразно проводить исследования модулятора последовательно на функциональном, схемном и схемотехническом уровнях. На функциональном уровне проводится структурный синтез модулятора. Параметрический синтез модулятора осуществляется в два этапа. На первом этапе с помощью моделирования на схемном уровне определяются основные требования к характеристикам компонентов схемы и начальные значения параметров. На втором этапе путем моделирования на схемотехническом уровне контролируются заданные характеристики модулятора. На основе предложенного подхода при использовании 0,18 мкм МОП технологии компании UMC для тактовой частоты 100 МГц разработаны схемы двоичного и троичного модуляторов 2-го порядка с расширенной до 1 МГц полосой рабочих частот, в то время как в большинстве известных реализаций аналогичный модулятор имеет полосу рабочих частот не более 200 кГц. Потребляемая мощность синтезированных модуляторов составляет не более 11 мВт, что

является типичным значением. При этом двоичная схема обеспечивает динамический диапазон 60 дБ, а троичная - динамический диапазон 66 дБ.

4. При синтезе децимирующих фильтров АЦП снижение динамической мощности по сравнению с традиционной реализацией в виде фильтра, работающего с высокой тактовой частотой, достигается за счет уменьшения числа переключений в схеме фильтра. Последнее реализуется на практике применением структуры, состоящей из двух частей: КИХ-фильтра на основе интеграторно-гребенчатых фильтров, осуществляющего снижение тактовой частоты и формирующего параллельный код, и БИХ-фильтра с пониженной тактовой частотой, обеспечивающего необходимое подавление за пределами полосы рабочих частот. Предложена методика структурного синтеза КИХ-фильтра для двоичной и троичной систем представления данных. Представлены структуры фильтров: двоичного с коэффициентом децимации 8, троичного с коэффициентом децимации 9.

5. Для уменьшения затрат машинного времени при структурном синтезе и оценке характеристик устройств троичной логики целесообразно проводить построение структуры на функциональном уровне, применяя разработанные модели троичных устройств в программном средстве ЗптшПпк, а моделирование схем на транзисторном уровне использовать для определения параметров схемы, в том числе времени задержки и потребляемой мощности устройств. Так, на одной и той же вычислительной машине моделирование троичного умножителя 10x5 при смене 100 комбинаций входных сигналов на транзисторном уровне занимает 5 часов, а на функциональном уровне - 45 секунд.

6. Разработаны микросхемы двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов и децимирующих фильтров. Компоновка кристаллов выполнена на основе 0,18 мкм МОП технологии компании 1ЖС. Изготовлены микросхемы двоичного дельта-сигма модулятора и децимирующего фильтра. По результатам экспериментов динамический диапазон модулятора составил не менее 56 дБ, что обеспечивает разрешающую способность 9 двоичных разрядов. Децимирующий фильтр с коэффициентом децимации 9 формирует 10-разрядный параллельный код. Средняя потребляемая мощность фильтра при тактовой частоте 10 МГц составила 160 мкВт, что пренебрежимо мало по сравнению с потребляемой мощностью дельта-сигма модулятора, типичное значение которой составляет единицы-десятки милливатт. Результаты эксперимента подтвердили основные теоретические положения диссертационной работы.

Публикации по теме диссертации

1. Пилипко М.М., Короткое A.C. Сигма-дельта модулятор АЦП с расширенным диапазоном рабочих частот // Материалы Всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов «XXXIV неделя науки СПбГПУ». 4.VI-Cn6.: Изд-во СПбГПУ, 2006. С. 16-18.

2. Короткое A.C., Пилипко М.М. Дельта-сигма модулятор АЦП с расширенным диапазоном рабочих частот // Научные исследования на РФФ - Труды СПбГПУ, №500. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2006. С. 73-78.

3. Пилипко М.М., Короткое A.C. Моделирование дельта-сигма модулятора АЦП с учетом неидеальностей элементов схемы // Материалы Всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов «XXXV неделя науки СПбГПУ». Ч. VI - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2007. С. 23-25.

4. Korotkov A.S., Morozov D.V., Pilipko М.М., Sinha A. Delta-Sigma ADC for Ternary Code System // Proc. Int. Symposium Signals, Circuits and Syst., Iasi, Romania. July 2007. P. 1-4.

5. Пилипко М.М. Разработка дельта-сигма модулятора АЦП для систем связи // Сборник материалов VI Международного научно-практического семинара «Проблемы современной аналоговой микросхемотехнии», Шахты, 3-5 октября 2007. Часть 1 - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007. С. 158-165.

6. Короткое A.C., Морозов Д.В., Пилипко М.М. Базовый троичный логический элемент на основе стандартной МОП технологии // III Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» - 2008. Сборник научных трудов. - М.: ИППМ РАН, 2008. С. 466-472.

7. Борисов С.А., Пилипко М.М., Короткое A.C. Дельта-сигма модулятор, выполненный по 180 нм технологии // Материалы Всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ». Ч. IX - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. С. 25-27.

8. Д.В.Морозов, М.М.Пилипко, А.С.Коротков. Реализация устройств троичной логики на основе стандартной МОП технологии // Микроэлектроника, 2009. Том 38, № 3. С. 224-236.

9. А.С.Коротков, М.М.Пилипко, Д.В.Морозов, Й.Хауэр. Дельта-сигма модулятор с частотой дискретизации 50 МГц на основе 0.18 мкм КМОП технологии // Микроэлектроника, 2010. Том 39, № 3, С. 230-240.

10. Патент № 2373639. Троичный инвертор на КМОП транзисторах // Морозов Д.В., Пилипко М.М., Короткое A.C. - опубл. 20.11.2009 - Бюл. № 32.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 02.11.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 6657Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

На правах рукописи

0«01150714

Пилипко Михаил Михайлович

СИНТЕЗ И РЕАЛИЗАЦИЯ ДЕЛЬТА-СИГМА АЦП ДВОИЧНОГО И ТРОИЧНОГО КОДА С РАСШИРЕННОЙ ПОЛОСОЙ РАБОЧИХ ЧАСТОТ И МАЛОЙ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТЬЮ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. А.С. Коротков

Санкт-Петербург - 2010

Содержание работы

Введение..............................................................................................5

1 Основные положения теории аналого-цифрового преобразования сигналов......12

1.1 Аналого-цифровые преобразователи систем связи.............................................12

1.1.1. Назначение и характеристики аналого-цифровых преобразователей....................12

1.1.2 Типы аналого-цифровых преобразователей...................................................12

1.1.3 Аналого-цифровые преобразователи на основе дельта-сигма модуляторов............16

1.1.4 Особенности моделирования дельта-сигма модуляторов...................................20

1.2 Двоичная и троичная системы представления данных.........................................21

1.3 Основные функции троичной логики..............................................................25

1.4 Особенности построения троичных устройств...................................................29

1.5 Цель и задачи работы.................................................................................33

2 Построение устройств двоичной логики...................................................35

2.1 Инвертор......................................................................................'...........35

2.2 Элемент «И-НЕ».......................................................................................36

2.3 Одноразрядный сумматор............................................................................38

2.3.1 Особенности построения одноразрядных сумматоров.......................................38

2.3.2 КМОП-сумматор.....................................................................................39

2.3.3 РТЬ-сумматор.........................................................................................41

2.3.4 Методика моделирования одноразрядных сумматоров......................................43

г ,4

2.4 Триггер задержки (О-триггер).......................................................................46

2.5 Функциональное моделирование двоичных устройств........................................48

2.5.1 Обоснование выбора среды моделирования...................................................48

2.5.2 Моделирование двоичных устройств в БипиПпк..............................................49

2.6 Выводы...................................................................................................53

3 Синтез устройств троичной логики.........................................................55

3.1 Синтез базового троичного вентиля...............................................................55

3.2 Синтез одноразрядного троичного умножителя.................................................61

3.3 Синтез одноразрядных троичных сумматоров...................................................63

3.3.1 Особенности построения и функционирования одноразрядных

троичных сумматоров.....................................................................................63

3.3.2 Синтез полусумматора..............................................................................63

2

3.3.3 Синтез неполного сумматора на основе блоков троичного вентиля......................67

3.3.4 Синтез неполного сумматора с использованием характеристических функций.......70

3.3.5 Синтез неполного сумматора с использованием двоичных сумматоров.................74

3.3.6 Синтез полного сумматора........................................................................77

3.3.7 Моделирование одноразрядных троичных сумматоров.....................................81

3.4 Троичный триггер задержки (D-триггер).........................................................86

3.4.1 Троичный D-триггер на основе троичных инверторов................ ........................86

3.4.2 Троичный D-триггер с использованием двоичных D-триггеров...........................88

3.5 Функциональное моделирование троичных устройств в ПО Simulink.....................90

3.5.1 Обоснование выбора среды моделирования...................................................90

3.5.2 Реализация и моделирование троичного вентиля.............................................91

3.5.3 Реализация и моделирование одноразрядного троичного умножителя..................93

3.5.4 Реализация и моделирование троичного полусумматора....................................95

3.5.5 Реализация и моделирование неполного троичного сумматора...........................96

3.5.6 Реализация и моделирование полного троичного сумматора..............................99

3.5.7 Реализация и моделирование троичного D-триггера.......................................101

3.6 Выводы.................................................................................................102

4 Синтез дельта-сигма модуляторов двоичного и троичного кода.....................104

4.1 Общие положения теории синтеза дельта-сигма модуляторов..............................104

4.1.1 Свойства дельта-сигма модулятора............................................................104

4.1.2 Анализ схемы дельта-сигма модулятора второго порядка.................................106

4.1.3 Моделирование дельта-сигма модулятора на функциональном уровне................109

4.1.4 Методика синтеза двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов АЦП..........111

4.2 Схемная реализация двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов

второго порядка...........................................................................................112

4.2.1 Структуры дельта-сигма модуляторов.........................................................112

4.2.2 Моделирование двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов

на схемном уровне........................................................................................114

4.3 Разработка операционного усилителя............................................................121

4.3.1 Двухкаскадный операционный усилитель....................................................121

4.3.2 Телескопический каскодный операционный транскондуктивный усилитель.........125

4.3.3 Операционный транскондуктивный усилитель по схеме «свернутый каскод».......129

4.3.4 Операционный транскондуктивный усилитель по схеме «свернутый каскод»

с расширенным диапазоном амплитуд...............................................................133

/

4.3.5 Дифференциальный ОТУ по схеме «свернутый каскод» с расширенным диапазоном амплитуд и пониженной потребляемой мощностью..............................137

4.4 Схемотехническая реализация дельта-сигма модулятора....................................144

4.4.1 Разработка компонентов схемы дельта-сигма модулятора................................144

4.4.2 Моделирование двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов

на схемотехническом уровне...........................................................................150

4.5 Выводы.................................................................................................153

5 Синтез децимирующего фильтра...........................................................155

5.1 Особенности построения децимирующего фильтра..........................................155

5.2 Каскадные интеграторно-гребенчатые фильтры...............................................157

5.2.1 Основные положения процедуры синтеза интеграторно-гребенчатых фильтров.... 157

5.2.2 Методика синтеза интеграторно-гребенчатых фильтров..................................162

5.3 Синтез интеграторно-гребенчатых фильтров двоичного и троичного дельта-сигма АЦП........................................................................................164

5.3.1 Реализация двоичного интеграторно-гребенчатого фильтра дельта-сигма АЦП.....164

5.3.2 Реализация троичного интеграторно-гребенчатого фильтра дельта-сигма АЦП.....169

5.4 Общие положения синтеза фильтра с БИХ......................................................174

5.5 Синтез БИХ-фильтра для двоичного и троичного дельта-сигма АЦП....................175

5.5.1 Реализация двоичного БИХ-фильтра для дельта-сигма АЦП.............................175

5.5.2 Реализация троичного БИХ-фильтра для дельта-сигма АЦП.............................179

5.6 Выводы.................................................................................................183

6 Экспериментальные исследования разработанных устройств........................185

6.1 Постановка задачи экспериментальной проверки теоретических результатов..........185

6.2 Экспериментальные исследования двоичного дельта-сигма модулятора................186

6.3 Экспериментальные исследования двоичного децимирующего фильтра................188

6.3.1 Общие характеристики фильтра.................................................................188

6.3.2 Разработка и моделирование схемы фильтра на транзисторном уровне...............192

6.3.3 Разработка и моделирование кристалла фильтра............................................197

6.3.4 Измерения характеристик микросхемы........................................................203

6.4 Выводы.................................................................................................214

Заключение........................................................................................216

Список литературы..............................................................................218

Введение

Актуальность темы диссертации:

Перспективы развития современных радиоэлектронных систем в первую очередь определяются достижениями микроэлектронных технологий, позволяющих реализовывать новейшие методы обработки сигналов. Интенсивное развитие мобильной связи (сотовой и спутниковой), цифрового телевидения и различных мультимедиа приложений невозможно без совершенствования технологии изготовления интегральных схем. В настоящее время развитие МОП технологии позволило уменьшить длину канала МОП транзистора до 0.18 мкм и менее, в результате чего стала возможной интеграция высокочастотного, низкочастотного трактов и аналого-цифровой части радиоустройства в виде единой МОП микросхемы, то есть реализация концепции «система на кристалле» («зу51ет-оп-а-сЫр»), Для преобразования аналогового сигнала в цифровой код служит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), являющийся неотъемлемой частью любой системы обработки сигналов. Аналого-цифровое преобразование сигналов представляет совокупность операций дискретизации непрерывного сигнала по времени, квантования дискретных значений сигнала по уровню и кодирования квантованных дискретных значений сигнала. Развитие цифровой части радиоэлектронной аппаратуры приводит к повышению требований к аналого-цифровым преобразователям.

Известно несколько основных классов преобразователей, среди которых АЦП

параллельного типа, многокаскадные (конвейерные) АЦП, преобразователи

последовательного приближения, следящие АЦП. Каждый из указанных типов

преобразователей обладает как преимуществами, так и некоторыми недостатками. Это

обстоятельство определяет области применения АЦП различных типов. Например, для

кодирования высокочастотных сигналов (до единиц гигагерц) используются АЦП

параллельного типа, однако такие преобразователи редко имеют разрядность выше 10. В

звуковом диапазоне частот при количестве разрядов от 18 до 24 оказываются вне

конкуренции так называемые следящие АЦП с использованием дельта-сигма модуляции

(ДЕ АЦП). Современный Д£ АЦП состоит из Д£ модулятора и кодирующего устройства,

как правило, это цифровой децимирующий фильтр [1,2]. В общем случае, модулятор

содержит один или несколько интеграторов и квантователь, охваченные отрицательной

обратной связью, подключенной к сумматору на входе модулятора. Схема модулятора

осуществляет тактируемое следящее преобразование с интегрированием и

уравновешиванием заряда непрерывного входного сигнала в последовательность

импульсов высокого и низкого уровней. Кодирующее устройство преобразует

5

полученную импульсную последовательность в многоразрядный цифровой код. Промышленно выпускаемые преобразователи используются в диапазоне частот до сотен килогерц. Известны также экспериментальные разработки для преобразования сигналов в диапазоне рабочих частот до десятков МГц. АЦП данного типа обладают малым потреблением мощности, высокой точностью и линейностью характеристик, малыми габаритами по сравнению с преобразователями иных принципов действия. В мобильных системах связи последнего поколения используются приемники с однократным гетеродинированием (а не двукратным, как ранее) и преобразованием на нулевую промежуточную частоту. В связи с этим возникает задача передачи постоянной составляющей по каналу связи. Для использования в подобных телекоммуникационных системах необходим АЦП, осуществляющий преобразование постоянных уровней входного сигнала и обладающий хорошими динамическими свойствами для обеспечения высокого качества приема. Дельта-сигма АЦП удовлетворяют этим требованиям. Дельта-сигма АЦП могут быть выполнены как интегральные схемы на переключаемых конденсаторах (SC) или на переключаемых токах, элементная база которых (операционные усилители (ОУ), конденсаторы и транзисторы, работающие в ключевом режиме) является полностью совместимой с современной МОП технологией.

Анализ и синтез современного радиотехнического устройства невозможен без

использования систем автоматизированного проектирования на базе ЭВМ,

осуществляющих моделирование разрабатываемого устройства на основе данных об

элементах его схемы. В настоящее время существует специальное программное

обеспечение (ПО), предназначенное для анализа различных радиотехнических схем.

Среди самых известных в последнее время программ можно отметить SPICE, Micro-Cap,

OrCad, Workbench, Multisim. Однако использование программ общего назначения,

например SPICE, в ряде случаев оказывается неэффективным. Так, схема ДЕ модулятора

или ДЕ АЦП работает с двумя сильно отличающимися частотами: тактовая частота может

превосходить частоту входного сигнала в сто и более раз. Основным параметром

модулятора является отношение сигнал-шум, которое определяет динамический

диапазон, а, следовательно, и разрешающую способность АЦП в целом. Для расчета

отмеченного параметра необходимо построить спектр выходного сигнала модулятора по

рассчитанному во временной области отклику устройства. В этом случае анализ схемы с

использованием стандартных программных средств, например SPICE, занимает очень

большое время, так как интегрирование дифференциальных уравнений, описывающих

схему во временной области, идет с шагом, соответствующим наименьшей постоянной

времени в схеме. Проблемы моделирования дискретных радиотехнических схем на

6

переключаемых конденсаторах привели к созданию специализированных методов и программных продуктов. Потребность рассмотрения влияния линейных искажений в схеме радиотехнического устройства привела к созданию программ анализа на основе метода узловых потенциалов (или модифицированного метода узловых потенциалов). В этом случае становится возможным рассмотрение таких эффектов как влияние внутреннего сопротивления ключей, конечной площади усиления активных элементов.

Применение двоичной системы представления чисел в цифровых системах обработки сигналов является традиционным. В то же время, ежегодно проводимые под эгидой IEEE тематические симпозиумы (IEEE Symposium on Multiple Valued Logic) подтверждают пристальное внимание специалистов к разработкам на основе других систем счисления. Анализ опубликованных материалов позволяет утверждать, что основные усилия на сегодняшний день сосредоточены в части построения алгоритмов и методов обработки данных на основе троичной логики. Данное обстоятельство обусловлено следующим.

Критерием эффективности системы счисления является удельная информационная плотность представления данных, которая определяется произведением основания системы счисления на количество используемых разрядов. Оптимальным основанием системы счисления в рамках указанного критерия является число Эйлера, округление которого до ближайшего целого равно трем. Для представления чисел с одинаковой точностью требуется в 1,58 раза меньше троичных разрядов, чем двоичных, что позволяет сократить время выполнения арифметических операций и, возможно, уменьшить потребляемую схемой мощность при заданном динамическом диапазоне. В отличие от двоичного случая, балансное троичное представление данных —1,0,+1 позволяет непосредственно представлять как положительные, так и отрицательные числа. Необходимость введения дополнительного кода отсутствует.

Известны различные способы реализации троичных устройств, в числе которых устройства на основе схем двоичной логики, на основе квантовых эффектов, на основе туннельных диодов и транзисторов, МОП-транзисторов обогащенного типа, на основе стандартной МОП технологии. Наиболее перспективно построение статических цифровых схем с использованием стандартной МОП технологии, поскольку данные схемы не требуют специальных условий эксплуатации и усложнения технологического процесса, в них отсутствуют дополнительные тактовые генераторы.

Цель диссертационной работы:

Целью работы является решение проблемы синтеза дельта-сигма аналого-цифровых преобразователей двоичного и троичного кода с расширенной полосой рабочих частот при малой потребляемой мощности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Синтез базового троичного вентиля с малой потребляемой мощностью и цифровых устройств на его основе.

2. Реализация операционного усилителя с расширенной полосой рабочих частот при малой потребляемой мощности.

3. Разработка методики синтеза и реализация двоичного и троичного дельта-сигма модуляторов АЦП.

4. Разработка методики синтеза и реализация двоичного и троичного децимирующих фильтров АЦП.

5. Разработка методики моделирования и моделирование троичных цифровых устройств.

6. Синтез дельта-сигма АЦП двоичного и троичного кода с разрешением, соответствующим 8-10 двоичным разрядам, и экспериментальные исследования АЦП.

Положения,