Введение к работе
Актуальность темы. Современные информационные технологии требуют непрерывного расширения функциональных возможностей электронных схем, что сопровождается ужесточением требований к их составляющим блокам и компонентам.
Преимущества цифровых методов обработки информации в настоящее время не нуждаются в доказательствах, а их реализация невозможна без высококачественных устройств, осуществляющих преобразование аналоговых сигналов в цифровые - аналого-цифровых преобразователей (АЦП). При этом аналого-цифровые преобразователи используются практически во всех устройствах обработки информации с цифровой элементной базой, находя широкое применение в различных областях современной науки и техники, а именно в измерительной аппаратуре, сигнальных процессорах, системах преобразования и отображения информации, системах управления технологическими процессами и т.д.
Одним из аспектов развития аналого-цифровых преобразователей в интегральном БиКМОП исполнении является широкое распространение микропроцессоров и цифровых методов обработки информации. Существующая потребность в микросхемах АЦП приводит к их производству и проектированию с новыми, более качественными характеристиками.
Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи в ряду прочих преобразователей занимают особое место, поскольку обладают исключительными свойствами, позволяющими обеспечивать точность преобразования выше 16 разрядов в условиях стандартных субмикронных технологий. Достоинствами сигма-дельта преобразователей являются низкая интегральная нелинейность, малый дрейф усиления, широкий динамический диапазон, программируемый баланс между скоростью и разрешением.
Прецизионные сигма-дельта АЦП находят применение во многих областях, включая управление процессами обработки информации, преобразование сигналов датчиков, измерительное и медицинское оборудование, инструментальные приложения, сбор данных, преобразование сигналов точных датчиков и многое другое.
Эффективное число разрядов преобразователя данных непосредственно зависит от уровня шума в полосе сигнала. В связи с этим наиболее критичным узлом сигма-дельта АЦП является модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума.
Таким образом, построение сигма-дельта модулятора с низким уровнем шума является в настоящее время весьма значимой и актуальной задачей.
Цель работы: совершенствование шумовых свойств сигма-дельта модуляторов с различными типами шумовых характеристик, реализация сигма-дельта модуляторов обладающих оптимальными шумовыми характеристиками с использованием равноволновых типов аппроксимаций при построении шумовой и сигнальной передаточных характеристик, разработка схемотехники основных узлов сигма-дельта модуляторов, применяемых в прецизионных системах обработки информации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- исследовать зависимость уровня подавления шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от коэффициента избыточной дискретизации при различных порядках модулятора для аппроксимаций Баттерворта, инверсной Чебышева и Золотарева;
сопоставить известные численные методы приближения с наиболее эффективными стандартными аппроксимирующими функциями;
определить зависимость уровня подавления в сигнальной полосе золотаревской шумовой передаточной характеристики от порядка модулятора, ширины сигнальной полосы, величины неравномерности;
реализовать способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с различным расположением нулей в полосе непрозрачности;
- разработать основные узлы сигма-дельта модуляторов в рамках
субмикронной БиКМОП технологии 0,35 мкм.
Научная новизна диссертации определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем:
-
Исследование возможностей равноволновых типов аппроксимаций (Золотарева и Чебышева второго рода) при построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора установило заметное преимущество дробей Золотарева, которое позволяет снизить порядок модулятора для получения заданного уровня подавления или увеличить подавление при заданном порядке.
-
Сопоставление известных подходов к построению шумовых передаточных функций с равноволновыми типами аппроксимации выявило преимущество аппроксимации дробями Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума за пределами полосы сигнала.
-
Получена зависимость уровня подавления золотаревской шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от порядка модулятора, ширины сигнальной полосы, величины неравномерности. Наличие колебаний в полосе пропускания приводит к тому, что построенная зависимость имеет
локальный максимум подавления, а это, в свою очередь, обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.
-
Реализован предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с заданными полюсами (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614639 «Синтез оптимальной шумовой функции передачи для прецизионных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей»).
-
Разработаны основные узлы сигма-дельта модуляторов по субмикронной БиКМОП-технологии (получены патенты на полезные модели: №114396 «Компаратор для 1,5-битного аналого-цифрового преобразователя», №130122 «Устройство выборки-хранения данных»).
Научная и практическая значимость диссертации.
В зарубежной и отечественной практике проектирования при построении
передаточных характеристик модулятора широко распространен численный
метод "delta-sigma toolbox". Сопоставление возможностей этого метода с
использованием стандартных аппроксимирующих функций показало
преимущества дробей Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе модулятора несмотря на то, что автор численного метода определяет его как оптимальный при синтезе шумовой передаточной характеристики. При этом уменьшение коэффициента избыточной дискретизации и рост порядка модулятора приводит к снижению эффективности численного метода. Таким образом, установлено, что шумовая передаточная характеристика сигма-дельта модулятора, аппроксимированная дробями Золотарева, обладает оптимальными характеристиками по уровню подавления шума в сигнальной полосе.
Предложенные способы построения шумовой и сигнальной передаточных характеристик позволяют получить сигма-дельта модулятор с усовершенствованными шумовыми характеристиками, что обеспечивает повышение качества систем обработки информации, таких как линии связи, сигнальные процессоры, системы звуковоспроизведения, контроллеры, контрольно-измерительная аппаратура и др.
Предложенные схемотехнические подходы к построению основных узлов позволили реализовать сложно-функциональный блок сигма-дельта модулятора второго порядка, исполненный по субмикронной БиКМОП технологии 0.35 мкм. Разработанный сигма-дельта модулятор имеет следующие характеристики: ширину полосы пропускания до 1 кГц, потребление не более 500 мкА при напряжении питания 3.3 В, отношение сигнал-шум ПО дБ при коэффициенте избыточной дискретизации 1024. В составе аналого-цифрового
преобразователя модулятор обеспечивает 16-разрядную точность, что подтверждается результатами испытаний экспериментальных образцов. Результаты диссертации использованы в ряде НИОКР по темам:
- «Разработка аналоговых и цифро-аналоговых компонентов для
унифицированной платформы «системы-на-кристалле» - модулей АЦП и ЦАП
и программируемого синтезатора частот с фазовой автоподстройкой (ФАПЧ)» в
рамках государственного контракта № 02.527.12.9001 от 13.09.2007 г.;
«Разработка перспективной электронной компонентной базы беспроводных микро- и наносистем на основе технологий «система-на-кристалле» в рамках государственного контракта № 6628р/9248 от 24.02.2009
г.;
«Разработка СФ-блока 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя для энергосберегающих систем жизнеобеспечения зданий и сооружений» (государственный контракт № 8125р/12821 от 28.06.2010 г.);
«Проектирование аналогового интерфейса для систем сбора данных и микроконверторов для интеллектоуправляемых систем энергосбережения» (государственный контракт № 8128р/12820 от 28.06.2010 г.);
- «Разработка КМОП 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового
преобразователя в технологии 0,35 мкм» (государственный контракт №
8965р/14052 от 19.04.2011 г.).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
При построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора использование дробей Золотарева дает наилучший результат по сравнению с аппроксимациями Баттерворта и инверсной Чебышева.
-
Наличие колебаний в полосе пропускания золотаревской шумовой передаточной характеристики приводит к появлению максимума ее подавления, что обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.
-
Сравнение шумовых передаточных характеристик, аппроксимированных дробями Золотарева и Чебышева второго рода с численной оптимизацией по "delta-sigma toolbox", показывает преимущества золотаревской аппроксимации как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе.
-
Сопоставление зависимости глубины подавления от величины коэффициента избыточной дискретизации показывает преимущество дробей Золотарева перед численным методом.
-
Предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики позволяет увеличить уровень подавления в необходимом диапазоне частот.
6. Уровень подавления сигнальной передаточной характеристики за полосой пропускания меньше для золотаревской шумовой передаточной характеристики, чем для инверсной чебышевской, однако амплитудно-частотная характеристика модулятора в этом случае имеет более крутой спад.
Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались на следующих конференциях:
- международной научно-технической конференции "Радиолокация,
навигация, связь" (Воронеж, 2009, 2010, 2013);
- научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные
процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2012);
- международной финальной конференции проекта 7РП SEMIDEC
«Стимулирование Российско-Европейского сотрудничества в области
разработки полупроводников» (Москва, 2011 г.).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликована двадцать одна научная работа, в том числе в 2-х изданиях рекомендованных ВАК РФ, два патента на полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [1-10, 12-13] - анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [11, 14-21] - проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной КМОП-технологии в составе систем на кристалле.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 71 наименование. Работа изложена на 136 страницах, содержит 14 таблиц и 80 рисунков.
