Введение к работе
Актуальность- проблемы. При создании на основе средств вычислительной техники современных автоматизированных систем управления технологическими процессами' (АСУТП), информационно-измерительных систем (МИС), а также высококлассных изделий бытовой электроники важнейшей задачей является улучшение качественных показателей подсистемы ввода-вывода аналого-цифровой информации, основными- узлами которой являются преобразователи формы информации (ЦФИ). Наиболее распространенные представители современных ПФИ - аналого-цифровые (АЩ) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи. Постоянно вограстаккг требования по обеспечению работы АЦП и ЦАП в жестких эксплуатационных условиях при сохранении0вы-сокой точности преобразования, по повышению быстродействия и надежности, по*снижению габаритно-массовых показателей и энерго- о потребления. Это'доказывает целесообразность разработки отечественных- прецизионных АЩ f ЦАП с диапазоном быстродействия в пределах 5-20 икс при разрешающей способности 14-18 двоичных разря-' дов
В настоящей работе исследуются -проблемы создания прецизионных высокопроизводительных АЦП, построенных на схемотехнике коммутируемых конденсаторов в интегральном исполнении.
Современная технология обеспечивает получение достаточно высоких точностных характеристик АЦП. Однако возможности схемотехники и технологии-, связанные с разработкой и применением высококачественных элементов и узлов преобразователей, имеют определение пределы. Даже при использовании сложных и дорогостоящих операций подгонки ПФИ с целью повышения точности, современные технологические способы не обеспечивают в настоящее время создание прецизионных АЦП, сохраняющих высокую точность преобразования (0,002 процента и выше) при долговременной эксплуатации в широкой температурном диапазоне.
В настоящее время сформировалась и относительно быстро достигла зрелости новая область электроники, опирающаяся на применение коммутируемых конденсаторов (КК). Конденсаторы с поликремниевыми обкладками .отличаются стабильностью характеристик, а
значения емкостей, получаемых в ходе технологического процесса, хорошо согласуются с заданными номиналами. По технологической точности изготовления, а также по температурной и временной стабильности конденсаторы не уступают, а в разработках ряда фирм превосходят высокоточные элементы других типов и, в частности, тонкопленочных резисторов.. Характеристики цепей на переключаемых конденсаторах определяются отношением емкостей конденсаторов, которые выдерживаются значительно легче, чем их абсолютные значения. .Кроме того, конденсаторы более технологичны для интегральной реализации, чем резисторы.
В связи с этим перспективна реализация высокопроизводительных интегральных АЩ на основе схемотехники КК. Преимущество схем на коммутируемых конденсаторах по сравнению с АЦП на резис-тивных делителях тока и напряжения состоит в совместимости по технологии с современными стандартными КМОП цифровыми узлами, малом потреблении мощности и возможности совмещения функций преобразования и запоминания аналогового сигнале. Недостатки интегральной реализации АЦП КК, состоящие в Трудности обеспечения точных геометрических размеров конденсаторов на кристалле и значительном влиянии паразитных емкостей могут быть преодолены за счет использования структурных методов улучшения характеристик.
Структурные методы улучшения характеристик АЦП, в том числе повышение точности и быстродействия, а также улучшение помехозащищенности и надежности, нашли Широкое отражение в работах научных, коллективов, руководимых А.Н.Кондалевым, В.Б.Смоловым, А.П.Стаховым , А.Н.Касперовичем и другими. Известны разработки в этом направлении и ряда ведущих зарубежных фирм (Analog Devices Inc., Вшт-Brovm Reasearch Corp., Crystal Semiconductors Corp, и др.). Однако описания реализации этих методов конкретно для АЦП КК носят разрозненный и поверхностный характер, что делает актуальными исследования структурных, алгоритмических и схеютехни-ческих особенностей построения прецизионных преобразоватэлей на основе схемотехники коммутируемых конденсаторов.
^Специфика схем на коммутируемых конденсаторах требует пересмотра вопросов, уже исследованных для резистивных /ДП, и решения целого ряда новых проблем. Необходимо на различил, уровнях детализации (от структуры до схемотехники) проанализировать пути
достижения совокупности показателей разрядность-быстродействие. Большую важность при этом приобретает как структурная реализация схемы преобразователя, так и выбор метода и структурно-алгоритмического построения процедуры коррекции, обеспечивающих при сложившейся технологии минимизацию погрешностей. Для рассматриваемых диапазонов точности и быстродействия большую важность имеет исследование влияния коммутационных помех, точности перезаряда емкостной матрицы даже для предельно упрощенной схемы АЦП КК, сведенной к цепи типа ключ-конденсатор-усилитель.
Свойственные для преобразователя на коммутируемых конденсаторах комбинации специфических и традиционных режимов работы АЦП КК требуют поиска новых структур и методик разработки для построения компаратора, входящего в состав преобразователя. Сложность такого устройства и противоречивые требования к компаратору в различных режимах требуют найти решения, позволяющие реализовать блоки компаратора с приемлемыми характеристиками, а также .исследовать зависимость последних от параметров компонент. Дополнительного исследования требуют особенности построения типовых фрагментов компаратора. Актуальной является задача создания методики проектирования устройств подобного класса.
Проектирование и производство ИС прецизионных АЦП существенно отличается от традиционных. Совокупность специфических свойств преобразователей выдвигает задачу создания и использования специальных средств проектирования и исследования на различных этапах создания_высокопроизводительных АЦП от предварительной разработки схемы до' серийного выпуска изделия. Многовариантность задач проектирования и большие затраты на обработку и проверку рабочих версий требуют организации автоматизированных исследований. Необходимо осуществить правильный выбор уровней и средств моделирования, а также адекватных каждому уровню параметров моделей компонент. При интегральной реализации БИС АЦП возникает проблема сложности, а иногда и невозможности прямого определения источников ухудшения характеристик. В связи с этим необходима разработка специфической структуры тестовых образцов, методики их экспериментального исследования. Требуется разработка структуры и взаимодействия аппаратных и программных средств, совокупность которых может применяться для исследования тестовых.
кристаллов, испытаний опытных образцов, тестирования и измерения параметров готовых изделий как в процессе производства, так и во время эксплуатации. Большой интерес представляет оценка возможной организации встроенной схемы самодиагностики АЦП и разработки на ее основе методики контроля и тестирования БИС АЦП.
Цель работы. Исследование применимости существующих и разработка новых структурных и схемотехнических решений и .методик, используемых при создании интегральных прецизионных АЦП с учетом реализации последних на коммутируемых конденсаторах.
Методы исследования. Научные исследования в рамках диссертационной работы проводились с использованием теории электрических цепей, теории погрешностей и математической статистики, а также с применением элементов теории устойчивости.и математичес-т кого моделирования. Применялись натурные эксперименты и компьютерная обработка-результатов.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в развитие теории и схемотехники коммутируемых конденсатсфбв применительнс к прецизионным интегральным АЦП. Оснбвные научные результаты, выносимые на защиту: -
-
Структура и схемотехнические особенности реализации многоступенчатых схем АЦП на коммутируемых конденсаторах, ориентированных на достижение разрешающей способности 14-18 разрядої при быстродействии 5-20 мкс.
-
Комбинированный метод коррекции погрешностей АЦП ККц его алгоритмическая и схемотехническая реализация для многоступенчатых структур преобразователя.
3« Структурные решения для построения компаратора, входящег го в состав АЦП КК и обеспечивающего работу преобразователя г специфических режимах.
4. Методика автоматизации исследований и совокупность аппаратно-программных средств для организации разноплановых комплексных экспериментов с тестовымиобразцами и серийными изделиями.
Практическая ценность, газработаны структуры и схемотехнические решения типовых фрагментов, позволяющие на основе стандартных КМОП-технологий строить АЦП с временем преобразования е диапазоне 5-20мкс при разрешающей способности 14-18 двоичных
разрядов. Разработан и отлажен комплексный стенд, состоящий из1 аппаратных средств и программного обеспечения и позволяющий исследовать прецизионные АЦП на различных этапах создания серийного изделия. Даны рекомендации по построению высококачественных АЦП, учитывающие специфику схемотехники коммутируемых конденсаторов. Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались:
в НПО ''Альфа" при создании преобразователей с автокоррекцией;
в НИР "Исследование методов автоматического контроля и коррекции каналов ввода-вывода аналоговой информации", выполненной в СПбГЭТУ имени В.И. Ульянова (Ленина);
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 48-й научно-технической конференции, посвященной дню Радио (Санкт-Петербург, 1993); на семинаре "Аналого-цифровые преобразователи на коммутируемых конденсаторах" в Щецинском политехническом университете (Польша, Щецин, 1993); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ имени В.И.Ульянова (Ленина) и Мордовского ГУ имени Н.П.Огарева в 1991-1994 гг.
оПубликации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, в том числе -3 статьи и тезисы доклада на конференции.
Структура и объем работы, диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 138 наименований, и двух приложений. Основная часть*работы изложена на 150 страницах машинописного текста. Работа содержит 4 таблицы и 37 иллюстраций.
