Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ компьютерных систем электрохимической импедансной спектроскопии 17
1.1. Метод электрохимической импедансной спектроскопии 17
1.1.1. Биологический датчик EIS 17
1.1.2. Типичные параметры биологических датчиков 19
1.1.3. Формирование выходных сигналов БД при методе EIS 22
1.2. Обработка информации в компьютерных системах электрохимической импедансной спектроскопии 24
1.2.1. Структура программно-аппаратного комплекса КСЭИС 24
1.2.2. Рассмотрение особенностей дискретизации сигнала БД 28
1.2.3. Оценка методов представления сигнала БД 30
1.2.4. Исследование обобщённых параметров МПОИ с выводом аналогового сигнала БД 32
1.2.5. Исследование обобщённых параметров МПОИ с выводом цифрового сигнала БД 35
1.2.6. Исследование особенностей МПОИ с выводом аналоговых квадратурных составляющих сигналов БД 36
1.2.7. Исследование особенностей МПОИ с выводом цифровых квадратурных составляющих сигналов БД 39
1.2.8. Анализ структур МПОИ с выдачей информации об амплитуде и фазе выходного сигнала БД 41
1.3. Выводы 44
2. Исследование предельных характеристик АЦП двойного интегрирования в компьютерных системах электрохимической импедансной спектроскопии 48
2.1. Исследование общих параметров устройств EIS на основе АЦП двойного интегрирования 48
2.1.1. Особенности построения устройств EIS на основе АЦП двойного интегрирования 48
2.1.2. Оценка общих принципов функционирования АЦП двойного интегрирования для устройств EIS 49
2.1.3. Выбор оптимального соотношения точности и быстродействия для АЦП двойного интегрирования 52
2.1.4. Прямая задача распределения погрешностей АЦП двойного интегрирования 53
2.2. Исследование влияния шумов в устройствах EIS на основе АЦП двойного интегрирования 54
2.2.1. Исследование шумовой модели аналогового тракта с АЦП двойного интегрирования 54
2.2.2. Анализ влияния шума на первом промежутке интегрирования 57
2.2.3. Анализ влияния шума на втором промежутке интегрирования. 59
2.2.4. Анализ влияния шума на промежутке сброса 60
2.2.5. Оценка отношения сигнал-шум интегратора 60
2.2.6. Оценка предельных характеристик АЦП для стандартного КМОП-техпроцесса 61
2.3. Выводы 63
3. Исследование устройств EIS с применением умножающих АЦП двойного интегрирования 65
3.1. Исследование характеристик перемножающих АЦП двойного интегрирования как основы квадратурных демодуляторов в устройствах EIS 65
3.1.1. Анализ операции умножения с использованием АЦП двойного интегрирования 65
3.1.2. Особенности устройств EIS с использованием умножающего АЦП в качестве квадратурного демодулятора 67
3.1.3. Исследование схемотехники основных функциональных блоков устройства EIS с умножающим АЦП в рамках 90нм КМОП техпроцесса 69
3.1.4. Исследование структуры канала преобразования устройства EIS с умножающим АЦП 80
3.2. Выводы 87
4. Исследование устройств EIS для высокочастотных компьютерных систем электрохимической импедансной спектроскопии 89
4.1. Анализ высокочастотных устройств EIS на основе метода квадратурной демодуляции 89
4.2. Анализ высокочастотных устройств EIS на основе амплитудно-фазового метода 91
4.2.1. Применение амплитудно-фазового метода в устройствах EIS 91
4.2.2. Исследование пикового детектора для высокочастотного устройства EIS 93
4.2.3. Исследование фазового детектора для высокочастотного устройства EIS 101
4.3. Выводы 124
5. Заключение 126
Основные использованные сокращения и обозначения 129
Библиографический список 130
Приложение А. Акт внедрения результатов диссертации 144
- Структура программно-аппаратного комплекса КСЭИС
- Исследование шумовой модели аналогового тракта с АЦП двойного интегрирования
- Исследование схемотехники основных функциональных блоков устройства EIS с умножающим АЦП в рамках 90нм КМОП техпроцесса
- Исследование пикового детектора для высокочастотного устройства EIS
Введение к работе
Актуальность исследования. Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) – сравнительно новое и быстро развивающееся направление исследования свойств различных твердых и жидких веществ, позволяющее также отслеживать динамику протекания химических реакций. Совершенствование современных биотехнологий и биоинженерии значительно расширяет область применения EIS за счет широкого внедрения биологических датчиков (БД) в различные сферы деятельности человека (контроль производственных процессов, медицина, сельское хозяйство, экологический мониторинг и др.). Данный вид датчиков отличается использованием биологического распознающего элемента в качестве первичного преобразователя биохимического сигнала в электрический. Применительно к БД метод EIS выделяется среди остальных электрохимических методов повышенной информативностью. Он не производит необратимых изменений в исследуемом материале в связи с малосигнальным воздействием и возможностью безметочного анализа, не расходующего дополнительные реагенты.
Использование БД в устройствах, реализующих метод EIS, позволяет детектировать и измерять концентрацию различных газов и растворов, нуклеиновых кислот, протеинов, метаболитов, гор мо но в, а т акже кле то к, б актер ий и микроор ган измов . Пол уча емы е в ходе измер ен ия данные о т устройств EIS передаются в компьютер, где они накапливаются и обрабатываются. Конечный результат представляется в виде информации о наличии/отсутствии целевых веществ в исследуемом образце или их концентрации. Информация выдаётся на экран монитора в удобной для восприятия форме (диаграмма, таблица и т.д.). Устройство EIS вместе с персональным компьютером (ПК) или другой ЭВМ образуют единую специализированную компьютерную систему электрохимической импедансной спектроскопии (КСЭИС), которая имеет, как правило, большое число встроенных БД и может быть реализована в виде системы на кристалле (СнК) с внутренней интеграцией основных функциональных блоков. Это существенно удешевляет производство таких систем и сами измерения. Помимо этого, высокие скоростные характеристики современной компонентной базы значительно увеличивают частотный диапазон EIS и возможности биохимических исследований.
Современные КСЭИС могут быть созданы на техпроцессах зарубежной компании TSMC либо на отечественных субмикронных технологиях, в частности, с использованием техпроцесса “Микрон H8” (HCMOS8D, v2) (ОАО "НИИМЭ и МИКРОН", г. Москва). Стремление пользователей КСЭИС получать достоверный результат приводит к необходимости одновременного проведения до 500 анализов одного вещества. Увеличение частотного диапазона работы БД до десятков гигагерц существенно расширяет возможности биохимических исследований. Такие высокие требования предполагают использование специальных решений на уровнях структуры, схемотехники и цифровой обработки результатов измерений.
Данная работа посвящена решению вопросов создания устройств EIS в виде систем на кристалле как составной части КСЭИС. Актуальность работы подтверждается соответствием её приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечню критических технологий (утверждённых Указом Президента РФ от 7 июля 2011 года № 899). Отдельные этапы исследования проведены при поддержке Государственного Фонда содействия инновациям в рамках конкурсной программы "У.М.Н.И.К." (проекты № 523ГУ1/2013 и № 4932ГУ2/2014).
Степень разработанности темы диссертации. Направление, посвящённое исследованию биодатчиковых систем, является сравнительно новым и развивающимся. Эта тематика прорабатывается в основном зарубежными авторами, из которых наиболее значимыми можно назвать: A. Manickam, H. M. Jafari, J. S. Daniels, A. L. Ghindilis, A. Hassibi, C. Yang, X. Liu, P. Kassanos, C. W. Gregory, J. Prada, F. Artis, K. A. Jensen, E. Lagally, P. Levine, T. Chen, K. Grenier, V.M. M ir sk y.
Среди отечественных публикаций присутствуют преимущественно теоретические работы и
4 обзор ные ст атьи, а также ст ат ьи по свя щённые б ио хим ически м о со бенно стям производ ства БД . Из авторов можно выделить: Евтюгин Г.А., Будников Г.К., С.Е. Тарасов, В.В. Емец, М.А. Гуторов, А.Н. Решетилов, Е. К. Апарцин, Д. С. Новопашина, А. Г. Веньяминова, В.А. Устюжанин, В.В. Епифанцев.
В рамках существующих подходов описаны различные варианты создания устройств EIS в компьютерной системе. Рассмотрены как низкочастотные, так и высокочастотные системы. Значительное внимание уделено низкочастотным системам, преимущественно для детектирования ДНК. Такие системы базируются на достаточно известных КМОП-схемах и за счёт этого могут легко интегрироваться в СнК с использованием стандартных техпроцессов. Следует отметить, что в последние годы начинает складываться классическая структура низкочастотных систем с многоканальным параллельным подключением достаточно большого количества БД. Последнее продиктовано главным образом возрастающей необходимостью в высокоточных универсальных анализах веществ в клинической диагностике раковых заболеваний.
Тематика высокочастотных систем, характеризуемых их новизной и сложностью, отличается пока невысоким, но заметно увеличивающимся со временем числом публикаций. Существует тенденция к повышению диапазона частот устройств EIS для большего охвата различных целевых веществ. Проблемы преобразования СВЧ сигналов опроса БД в удобную для дальнейшей обработки форму решаются путём квадратурной демодуляции и выделения медленноменяющейся огибающей выходного сигнала БД. Подобный подход требует использования аналоговых умножителей с повышенным энергопотреблением и невысоким диапазоном линейности. Это ограничивает совокупные метрологические характеристики КСЭИС, построенных на основе таких аналоговых интерфейсов.
В многочисленных работах по КСЭИС на основе БД можно выделить отсутствие целостного системного подхода к проектированию. Не прослеживается наличие подробных сравнений существующих подходов к предварительной обработке информации с целью её более удобного представления и облегчения интеграции устройств со стандартными шинами.
Объектом исследований являются компьютерные системы электрохимической импедансной спектроскопии биологических датчиков.
Предметом исследований являются методы и устройства предварительной обработки информации в компьютерных системах электрохимической импедансной спектроскопии.
Целью работы является улучшение технических характеристик компьютерных систем электрохимической импедансной спектроскопии путём разработки универсальных устройств предварительной обработки информации и упрощения интеграции этих устройств с ПК.
Основные задачи, решаемые для достижения цели работы: o анализ параметров и моделей существующих биологических датчиков; o выработка требований к устройствам EIS; o исследование структур КСЭИС;
o сравнительный анализ методов предварительной обработки информации в КСЭИС; o разработка схемотехнических решений основных функциональных блоков аналоговых
интерфейсов для КСЭИС; o исследо вание и параметрическая оптимизация основных функциональных бло ко в анало говых
интерфейсов для КСЭИС; o выработка методов для улучшения основных характеристик устройств EIS.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Параметрическая модель интегрирующего АЦП для КСЭИС при работе с различными БД. Произведена декомпозиция источников погрешностей преобразования для АЦ-интерфейса БД в КСЭИС с анализом частотных и точностных характеристик. Показанные пути оптимизации АЦП облегчают процедуру проектирования универсальных низкочастотных КСЭИС. Выявленные
5 закономерности в модели АЦП позволяют производить параметрическую настройку его функциональных блоков с целью достижения предельных характеристик.
-
Устройство предварительной обработки информации низкочастотной КСЭИС на основе умножающего АЦП двойного интегрирования в рамках техпроцесса КМОП 90 нм. Реализованные в функциональных блоках АЦП схемотехнические решения позволяют достигнуть точности КСЭИС до 10 бит при 1 МГц частоты преобразования на тактовой частоте 5 ГГц. Благодаря низкому энергопотреблению и малой занимаемой площади на кристалле возможна высокая степень интеграции параллельных каналов АЦП в многоканальной КСЭИС. Устройство может быть легко встроено в различные компьютеризированные автоматизированные и автоматические комплексы на основе БД.
-
Структура аналогового интерфейса высокочастотной КСЭИС на основе амплитудно-фазового метода работы с сигналом БД, позволяющая улучшить основные показатели КСЭИС на частотах до десятков гигагерц. Данный метод упрощает структуру аналогового интерфейса БД и создаёт благоприятные условия для создания экономичных широкополосных устройств EIS в виде систем на кристалле. За счет низкой частоты выходных сигналов возможна упрощенная интеграция с ПК посредством универсальных модулей сбора информации и дальнейшее использование в автоматизированных или автоматических системах.
-
Высокочастотное устройство предварительной обработки информации для КСЭИС в рамках техпроцесса TSMC 0.35 BiCMOS. Устройство спроектировано на основе амплитудно-фазового метода и имеет оптимизированную схемотехнику основных функциональных блоков. Предложены методы коррекции результатов измерения. Для данного устройства достигнуты предельные характеристики – до 20 ГГц частоты опроса БД при сохранении до 8 бит точности.
Научная новизна результатов исследования заключается в:
o создании структур и схем функциональных блоков КСЭИС, охватывающих как низкочастотный, так и высокочастотный диапазон для осуществления анализа различных биологических веществ с использованием параллельно работающих БД;
o анализе разработанных моделей функциональных блоков, учитывающих основные погрешности и позволяющие проводить дальнейшую структурную и параметрическую оптимизацию схемотехнических решений в КСЭИС;
o создании методов коррекции измерений для высокочастотных КСЭИС, которые дают возможность испо льзовать наиболее быстродействующую схемотехник у без обратных связей при сохранении допустимой точности.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что исследованы различные варианты построения КСЭИС с использованием модулей предварительной обработки информации для облегчения интеграции данных устройств с ПК. Выделены преимущества и недостатки использования отдельных видов модулей. Показаны пути оптимизации КСЭИС для низких и высоких частот. Проведено детальное исследование амплитудно-фазового метода определения параметров БД, который существенно упрощает структуру аналогового интерфейса. Разработаны методы коррекции устройств ИС с целью увеличения частотного диапазона и точности измерений. Исследованы возможности построения многодатчиковых систем с большим количеством параллельно опрашиваемых БД.
Практическая значимость работы состоит в том, что показана возможность создания универсальных устройств EIS для компьютерных систем, предназначенных для проведения анализов различных веществ в диапазоне частот до десятков гигагерц. Выделены основные проблемы проектирования. Приведены схемотехнические решения для основных функциональных блоков таких устройств на базе стандартной КМОП-технологии для низких частот и на базе кремниево-германиевой технологии для высоких частот. Устройства могут быть произведены по программе импортозамещения на отечественных производственных мощностях.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ набора практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием, актом внедрения, публикациями, патентами, апробацией работы на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях и семинарах, научно-технических выставках инновационных работ.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования включает: теорию цепей и классические методы анализа линейных электронных схем; стандартные математические аппараты анализа сигналов в частотной области; элементы теории вероятности; теория погрешностей. Основная часть моделирований произведена в профессиональной среде схемотехнического проектирования Cadence Virtouso с библиотеками компонентов различных техпр оцессов (Микрон H10 90 nm, HCMOS8D 0,18 um, TSMC SiGe 0.35um). Отдельные расчёты и математические моделирования проводились в среде MATLAB и программе Mathcad. Для представления результатов в удобной форме использована программа MS Excel.
Реализация результатов работы. По тематике исследований выполнены Государственные контракты конкурсной программы "У.М.Н.И.К." (проекты № 523ГУ1/2013 и № 4932ГУ2/2014) Государственного Фонда содействия инновациям. Результаты диссертационной работы использованы в научн о-практической деятельности профильного отечественно го пр ед прия тия ООО "Ми кро-проект" (Москва). В частности, в рамках ОКР «Разработка и освоение серийного производства на отечественном предприятии сверхвысокочастотных синтезаторов частот» (шифр «Многоцветник-И2-РК») по контракту № 17-2017/М для ООО "Микропроект" разработан набор компараторов и схема регулировки задержки цифровых импульсов на основе интегрирования (технология КМОП Микрон HCMOS8D 0,18 мкм), а также библиотека быстродействующих цифровых компонентов (технология КМОП Микрон CMOS090_LP 90 нм). Помимо этого, для технологии BiCMOS TSMC 0,18 мкм спроектированы операционные усилители различного назначения.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации и отдельные её результаты обсуждались и получили положительные отзывы на:
o VI Всеро ссийская научно-техническая конференция «Пр облемы р азработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2014» (МЭС-2014). Москва. 2014 г. (входит в перечень ВАК);
o VII Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016» (МЭС-2016). Москва. 2016 г. (входит в перечень ВАК);
o IEEE 18th International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems (DDECS’2015), 22. - 24. April 2015, Belgrade, Serbia (входит в базу SCOPUS);
o IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, ICECS 2017, Batumi, Georgia on December 5-8, 2017 (входит в базу SCOPUS).
Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в 34-х печатных работах, из них 5 патентов РФ, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 1 монография и 27 статей, среди которых 15 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ и 10 в журналах, входящих в реферативную базу SCOPUS, общий объем печатных работ 38,62 печатных листов (личный вклад автора 12,94 п.л.).
Соответствие паспорту специальности. Диссертация представляется к защите по специальности 05.13.05 – «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления». Диссертация соответствует пункту 3 паспорта специальности (разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических характеристик) по следующим причинам.
Разработанные в ходе исследования устройства EIS и методы их улучшения относятся к новым, перспективным и активно развивающимся разделам знаний – бионанотехнологиям и биодатчиковым микроэлектронным комплексам. Важность этих знаний в общечеловеческом
7 масштабе заставляет создавать инновационные и экспериментальные устройства в условиях отсутствия значительно проработанной, устоявшейся теоретической базы и распространённых практических реализаций. При проектировании устройств EIS требуется сочетать применение новых технологий и методов с заимствованием стандартных решений из смежных областей.
Структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 111 наименований. Основной текст работы изложен на 144 страницах машинописного текста, поясняется 65 рисунками, 7 таблицами и приложением.
Структура программно-аппаратного комплекса КСЭИС
В самом общем случае КСЭИС с точки зрения аппаратной реализации представляют собой традиционные контрольно - испытательные системы на основе интерфейсной шины [33]: имеется устройство, формирующее испытательный сигнал и устройство для регистрации реакции объекта испытаний на этот сигнал. Дальнейшая обработка результатов и пользовательский интерфейс реализуются программными средствами в ЭВМ. Обобщенная структура такой системы, предназначенной для низких частот, показана на рис. 1.6 [34]. Высокочастотные системы будут отличаться отсутствием локальных обратных связей для достижения оптимальных скоростных характеристик.
Массив из БД имеет общие для всех датчиков электроды СЕ и RE, через которые обеспечивается стабилизация уровня аналогового сигнала, подаваемого в испытательную среду СПТ датчиками.
Система состоит из микро-ЭВМ с последовательным интерфейсом ввода – вывода, серийных модулей ввода – вывода и платформы с биологическими ячейками (БЯ) размерностью 8-16-32-64. Каждая БЯ состоит из БД и МПОИ.
БЯ платформы служат для одновременной оценки и обнаружения биомолекул: ДНК, протеина, токсина, микроорганизмов и т.п.
Потенциостат вместе с устройством генерации сигнала опроса, аналоговой частью отдельного МПОИ и БД являются аналоговым интерфейсом КСЭИС, который служит в качестве прослойки между химической сигналами с одной стороны и ЭВМ с другой. Аналоговые интерфейсы массива БД могут разделять между собой общие элементы (потенциостат и генератор сигнала опроса) при одновременной совместной работе При этом МПОИ необходимо выполнять отдельно для обеспечения независимого функционирования всех БД в системе.
Существует возможность мультиплексирования нескольких БД к единственному МПОИ [29]. Данный подход значительно осложняет использование большого количества БД в системе. При этом частотные требования к МПОИ будут принципиально выше, а снятые данные для отдельных БД будут рассогласованы во времени, что необходимо будет учитывать на этапе цифровой обработки и анализа результатов измерений.
Платформы с БЯ могут быть выполнены по технологии СМОS процесса при максимальной рабочей частоте биологических датчиков до нескольких ГГц.
В КСЭИС на БД подается постоянное (DC) и переменное (АС) напряжения, как правило, небольших величин (единицы милливольт, см. табл. 1.1).
Генератор цифровой синусоиды выдает цифровые значения синусоидального сигнала Аm sinwрt с частотой временной дискретизации fдциф , которая значительно больше f р Переменное аналоговое напряжение с частотой fр формируется из цифрового сигнала с помощью ЦАП.
Генератор цифровой синусоиды позволяет с помощью ФСС формировать служебные сигналы: цифровые и аналоговые исходные синусоидальные сигналы, сигналы начала измерения фазы, импульсы синхронизации работы АЦП и др., необходимые при рассматриваемых методах обработки.
Основной задачей МПОИ является подготовка выходного сигнала БД к вводу в ЭВМ для последующей обработки и представления с помощью пользовательского интерфейса итоговых значений спектроскопии.
МПОИ могут характеризоваться допустимой погрешностью, потребляемой мощностью, возможностью миниатюризации, использованием унифицированных элементов и устройств.
Отдельные отсчеты аналоговых или цифровых сигналов с выхода МПОИ вводятся в ЭВМ с помощью модулей ввода [23][5] через интерфейсную шину с использованием протокола обмена. Отсчеты сигналов с выхода каждой БЯ берутся с временным интервалом, который определяется частотой дискретизации.
При вводе аналоговых сигналов БЯ модули ввода по команде опроса, поступающей от ЭВМ, обеспечивают временную дискретизацию, аналого-цифровое преобразование и ввод в память ЭВМ через интерфейсную шину получаемого отсчета сигнала.
При вводе цифровых сигналов БЯ модули ввода по команде опроса, поступающей от ЭВМ, обеспечивают ввод уже полученного раннее в МПОИ цифрового отсчета сигнала.
Протоколы современных интерфейсов имеют т.н. «широковещательные команды», когда по одной команде ввода внутри модуля ввода формируются импульсы циклического опроса всех входов модуля [23][5]. Это позволяет в разах повысить скорость ввода сигналов БЯ.
При вводе в ЭВМ сигналов БЯ почти всегда необходима дополнительная синхронизация работы ЭВМ и платформы с БЯ. Вопросы синхронизации работы отдельных модулей внутри КСЭИС выходят за рамки настоящей работы.
Разрядность представления обрабатываемых сигналов лежит в пределах 8 – 12 разрядов.
Скорость работы КСЭИС, изображенной на рис. 1.6, определяется быстродействием амплитудных коммутаторов, АЦП и стандартных интерфейсов.
Быстродействие стандартных интерфейсов определяется скоростью работы интерфейсных шин и протоколов обмена.
Например, интерфейсная шина RS-485 [23] с протоколом обмена ProfiBus DP или ModBus может обеспечить скорость обработки (получение одного отсчета продискретизированного по времени аналогового сигнала) в 14 – 100 кГц в зависимости от длины линий связи [101].
Скорости ввода цифровых сигналов с выходов МПОИ в КСЭИС могут быть значительно выше. Например, многофункциональное устройство сбора дан ных U2300A (от Keysight Technologies) c про токолом обмена HI-Speed USB 2.0 обеспечивает ввод аналоговых сигналов со скоростью 500кГц, а отсчетов цифровых сигналов со скоростью до 10 МГц [20].
Исследование шумовой модели аналогового тракта с АЦП двойного интегрирования
На рис. 2.4 показана модель аналогового тракта БД с выделением основных источников шума. Все показанные источники считаются случайными, некоррелированными помехами (шумами).
На рис. 2.4 присутствуют следующие обозначения: VБД.Ш – среднеe значение шума БД, который создаётся тепловым шумом сопротивления раствора и дробовым шумом электрохимических процессов окисления-восстановления,
VК1.Ш – среднее значение теплового шума эквивалентного сопротивления ключа К1 (МОП-транзистор),
VК 2.Ш – среднеe значение теплового шума эквивалентного сопротивления ключа К2 (МОП-транзистор),
VГО.Ш – среднеe значение эквивалентного шума генератора сигнала опроса БД, итоговый выходной шум ЦАП и потенциостата (тепловой, дробовой), среднеe значение теплового шума ОУ, приведённое к входу, среднеe значение фликкер-шума ОУ, приведённое ко входу;
Rоп - сопротивление ключа опорного тока;
Z - импеданс БД;
Ксбр - ключ сброса емкости интегратора;
К1 - проходной ключ входного тока;
К2 - проходной ключ опорного тока;
Синт - емкость интегратора;
Vинт - напряжение на выходе интегратора.
Шум возникает вследствие физической природы компонентов схемы. Существует несколько механизмов шума – тепловой шум, дробовой шум и фликкер-шум [50].
Тепловой шум (или джонсоновский шум) является белым шумом по своей природе и связан с тепловым возбуждением зарядов в проводнике. Он присутствует в любых резисторах при температуре отличной от абсолютного нуля.
Дробовой шум возникает из-за флуктуаций тока и напряжения относительно их среднего значения, что обусловлено дискретностью носителей электрического заряда. Дробовой шум, как и тепловой, может быть смоделирован источником белого шума.
Фликкер-шум, также называемый 1/f шум, возникает вследствие неоднородности в проводящей среде, генерации и рекомбинации носителей заряда в транзисторах. Фликкер-шум имеет спектр розового шума. Данный вид шума является значимым для МОП транзисторов и может игнорироваться для биполярных.
В АЦП двойного интегрирования передача шумов компонентов аналогового тракта передаются на выход интегратора и смешиваются с полезным сигналом, что приводит к искажениям выходного напряжения интегратора и, как следствие, к погрешностям АЦ-преобразования.
Уровень шумовых искажений выходного сигнала интегратора характеризуется отношением сигнал-шум (signal to noise ratio, SNR). Для его конкретизации разберём подробнее особенности передачи шума в аналоговой части схемы на протяжении всего периода преобразования - два промежутка интегрирования и промежуток сброса.
Исследование схемотехники основных функциональных блоков устройства EIS с умножающим АЦП в рамках 90нм КМОП техпроцесса
Для проектирования базовых узлов устройства EIS с умножающим АЦП двойного интегрирований выбран отечественный КМОП техпроцесс Микрон H10 (CMOS090 LP), предоставляемый ПАО «Микрон» (г. Зеленоград), с технологической нормой 90 нм и стандартной шиной питания 1,2 В. Уменьшение размеров транзисторов позволяет уменьшить энергопотребление, сократить площадь кристалла и увеличить быстродействие. Платой за указанные преимущества является уменьшенный диапазон рабочих напряжений по сравнению с более распространёнными в аналоговых приложения х нормами 180 нм и 350 нм.
Для создания ОУ интегратора устройства EIS с умножающим АЦП была использована классическая схема "перегнутый каскод", обладающая транскондуктивными свойствами. Так как усилительные характеристики транзисторов в глубоких субмикронных техпроцессах оказываются сравнительно малыми, то для обеспечения достаточного усиления ОУ интегратора схема дополнена внутренними контурами для увеличения коэффициента передачи [80] (рис. 3.4).
На рис. 3.4: (Vin+-Vin-) - входное дифференциальное напряжение ОУ, Vout - выходное напряжение ОУ, GND - земля схемы, A - коэффициенты усиления дополнительных цепей компенсации, 1,2V - напряжение питания схемы.
На рис. 3.5 в среде Cadence Virtuoso показана реализация ОУ для техпроцесса Микрон H10 и предназначенный для использования в интеграторе устройства EIS с умножающим АЦП. Показаны также геометрии элементов.
Внутренние контуры для увеличения коэффициента передачи выполнены на транзисторах с уменьшенной геометрией и низким (порядка 100нА) токопотреблением. Это позволяет добиться существенного прироста характеристик при сохранении общей структуры "перегнутого каскода" с его транскондуктивными свойствами. Увеличения энергопотребления и занимаемой на кристалле площади не являются существенными.
Продемонстрированная схема ОУ интегратора рис. 3.5 может быть дополнена динамически-коммутируемыми цепями компенсации напряжения смещения и минимизации фликкер-шумов – т.н. chopper stabilization [68][72] – для увеличения точности (см. главу 2).
Высокий коэффициент усиления спроектированного ОУ в рабочем диапазоне выходных напряжений приближает данный блок и идеальному и сводит до недоминирующей ошибку интегрирования.
Компаратор устройства EIS с умножающим АЦП строится по стандартной схеме, сочетающей динамический компаратор-защёлку (ДК) с регенеративной обратной связью и предусилительным каскадом (КП). Общая структура компаратора показана на рис. 3.8.
ДК за счёт своих структурных особенностей обладает высоким внутренним усилением и скоростями выходных фронтов. Выходные сигналы (Q, /Q) соответствуют логическим уровням КМОП, что гарантирует легкую интеграцию в системе. Недостатком данного блока является наличие достаточно большого (порядка десятков милливольт) напряжения смещения нуля. Указанный недостаток парируется при помощи усиления входного сигнала в КП.
Спроектированный в среде Cadence Virtuoso ДК для техпроцесса КМОП 90нм показан на рис. 3.9 с указанием использованных геометрий элементов.
Согласно проведённым статистическим моделированиям при наихудшем корнере (рис. 3.10) напряжение смещения нуля ДК, приведённое ко входу, для 99,8% выборки составляет менее 90мВ. Характеристики ДК, полученные в ходе моделирования в среде Cadence Virtuoso, приведены в табл. 3.2.
Благодаря использованию современного техпроцесса 90нм возможно уверенное приключение ДК вплоть до частоты тактирования 5ГГц (рис. 3.11). Близкие к минимальным геометрии транзисторов ДК (рис. 3.9) позволяют сократить энергопотребление, которое даже на предельно высокой частоте составляет в среднем не более 34мкА. Помимо этого сокращается занимаемая площадь и нагрузка для КП. Для выравнивания положительного и отрицательного фронта произведена оптимизация соотношений ширин p- и n-канальных транзисторов, которая в выбранном техпроцессе составила 3 к 1 соответственно.
Геометрии элементов схемы рис. 3.12 были оптимизированы с использованием встроенных в среду Cadence Virtuoso автоматизированных средств. Таким образом, в двухкаскадной схеме удалось добиться усиления (см. рис. 3.13) эквивалентного трёхкаскадному варианту в [72] при одинаковой структуре и схожем энергопотреблении порядка 12 мкВт.
Исследование пикового детектора для высокочастотного устройства EIS
Пиковый детектор (ПД) предназначен для определения модуля импеданса БД. Обеспечение высоких частотных характеристик широкополосных устройств EIS в компьютерной системе, в которых частоты сигналов опроса БД (несущий сигнал) могут достигать 20ГГц и выше, при построении ПД требует применения соответствующих техпроцессов с наличием СВЧ компонентов и схемотехники, ориентированной на быстродействие.
Для решения данной задачи подходит техпроцесс TSMC 0.35um BiCMOS. Он является относительно бюджетным вариантом при изготовлении СВЧ электроники широкого применения. Помимо стандартных КМОП транзисторов он имеет биполярные npn транзисторы с высокими частотными характеристиками (fT70GHz при стандартной шине питания 3,3В и комнатной температуре), а также необходимые в ПД прецизионные MIM-емкости.
В рассматриваемой технологии отсутствуют аналогичные по характеристикам pnp транзисторы, что осложняет проектирование широкополосных ОУ. Резистивная нагрузка в балансном каскаде с npn биполярами либо крайне ограничит коэффициент усиления, либо потребует значительно больших шин питания, чем стандартная для потребительской электроники шина 3,3В.
Рассматриваемые ограничения – высокая частота несущего сигнала (порядка 20ГГц) стандартная шина питания (3.3В) и бюджетный техпроцесс (TSMC 0.35um BiCMOS) – значительно сужают область схемотехнических вариантов исполнения ПД. Прецизионные ПД с применением ОУ и обратных связей не способны работать с входными сигналами на десятках гигагерц. Анализ, проведенный в [58], утверждает, что для достижения точности превышающей 0,1% в ПД с обратной связью ОУ должен иметь террагерцовую частоту единичного усиления даже при 20МГц несущего сигнала. Проведённые в рамках данного исследования предварительные моделирования подтверждают указанное ограничение. Даже с использованием быстродействующих биполярных SiGe транзисторов невозможно обеспечить достаточно высокое быстродействие ОУ в схемах ПД с обратной связью.
Показанный на рис. 4.3 ПД [104] строится исключительно на биполярных npn транзисторах и не имеет О У и обратных связей, что гарантирует наилучшие частотные свойства.
При проектировании схемы рис. 4.3 на компонентах техпроцесса TSMC 0.35um BiCMOS были использованы следующие значения параметров основных компонентов: Idis =100nA, C1=C2=100pF, Vin max =1В, Vcm =Vcc/2=1.65В. Для относительно низкой частоты опроса БД f=100МГц такой выбор параметров обеспечивает достаточно малые колебания выходного напряжения UPKD droop=100мкВ с учетом диапазона входного сигнала и максимальную частоту огибающей fe max160Гц, что значительно превосходит частоту протекания реальных исследуемых химических процессов [64][90]. Для дополнительного ускорения процесса детектирования можно использовать ключ S1, замыкая его на короткое время перед каждым измерением.
На рис. 4.4 показаны результаты моделирования схемы рис. 4.3 на компонентах тех процесса TSMC 0.35 um BiCMO S во всем диапазоне входных амплитуд при различных частотах сигнала опроса БД в сравнении с идеализированным ПД и моделью (4.11).
Как видно из рис. 4.4 характеристика выходного напряжения ПД имеет изгиб в районе Vin pk 50 мВ, что достаточно точно соответствует модели (4.11) особенно для низкочастотных сигналов (/ 100 МГц). В этой точке (Vi„= 50 мВ) выходное напряжение VOU UPKD=20мВ, что также совпадает с практическими результатами в [91]. Большие амплитуды входных напряжений (УІПрк»Ут) при низких частотах также с хорошей точностью (до 2 мВ) коррелируют с (4.11).
Необходимо отметить, что реальное значение постоянной времени ПД будет меняться под воздействием изменения Vin в условиях большого сигнала. Транзистор Q1 будет периодически переключаться из активного режима с меняющимся током коллектора в режим отсечки и обратно. Несмотря на это модель (4.15) достаточно точно описывает поведение ПД на высоких частотах. На рис. 4.5 показаны характеристики вход-выход ПД (рис. 4.3) при частотах 5 ГГц, 10 ГГц и 20 ГГц (непрерывные линии), полученные моделированием в САПР на компонентах техпроцесса TSMC 0.35um BiCMOS, а также наложены результаты вычисления по модели (4.15) (показаны точками).
В полосе частот до 20ГГц отклонение модели (4.15) от моделей техпроцесса TSMC 0.35um BiCMOS не превышает 2%, а в полосе частот до 10ГГц соответственно 0,1%. Для частот существенно превосходящих 10ГГц большее отклонение модели (4.15) можно объяснить возрастанием влияния нелинейных процессов включения-выключения транзистора Q1. С ростом частоты в СВЧ диапазоне проявляются дополнительные (не доминирующие ранее) факторы, влияющие на постоянную времени, кроме тех, что рассмотрены в (4.14) и в [91].
Стандартное отклонение () постоянной времени (4.14) с учетом корнера и мисматча в рассматриваемом техпроцессе составляет порядка 200фс (рис. 4.6) при температуре 300К (в которой обычно проводятся лабораторные исследования). Благодаря этому модель (4.15 ) можно использовать в ходе коррекции выходных данных ПД рис. 4.3 без предварительной калибровки параметров модели.
Вычисления, производимые в ходе коррекции, не требуют от цифрового ядра КСЭИС быстродействия, так как выходное напряжение ПД медленно-меняющееся. В этом смысле коррекция мало отличается по сложности реализации от необходимых вычислений конечных искомых величин (4.6), (4 .7) для метода квадратурной демодуляции и (4.8), (4.10) для амплитудно-фазового метода.