eng
Выпуск #5/2014
Ю.Агрич, В.Лифшиц
Новый АЦП компании "Миландр" – Высокое быстродействие и малое энергопотребление
Новый АЦП компании "Миландр" – Высокое быстродействие и малое энергопотребление
Просмотры: 5945
Сегодня широко востребованы АЦП, в которых сочетаются такие характеристики как высокая производительность, большая разрядность, широкая полоса пропускания и низкое энергопотребление. До сих пор устройства данного класса производились в основном зарубежными компаниями. Сейчас в ЗАО ПКК "Миландр" разработан и готовится к выпуску быстродействующий конвейерный АЦП 5101НВ015 с разрядностью 12 или 14 бит и частотой выборки 20–150 МГц. О его особенностях и возможностях рассказывается в статье.
Теги: adc calibration ic ацп калибровка микросхема
Архитектура и функционирование
В состав микросхемы 5101НВ015 входят: конвейерный АЦП; подстраиваемый источник опорного напряжения Vref; источник напряжения синфазного уровня входного сигнала Vcmin; источник токов смещения; КМОП/LVDS-выходные драйверы; блок логики (формирователи тактовых сигналов; логика синхронизации, коррекции и калибровки; SPI-интерфейс) (рис.1, табл.1).
АЦП имеет дифференциальный аналоговый вход, но может преобразовывать и однопроводной сигнал, правда при этом ухудшаются точностные параметры. Вход тактового сигнала также дифференциальный, но возможна работа и от однопроводного КМОП тактового сигнала.
Для управления функциями АЦП предусмотрен SPI-интерфейс. Через него можно выбирать формат выхода (КМОП или LVDS), задавать напряжение опорного источника и синфазного уровня входного сигнала, выбирать режим калибровки, выполнять запись/чтение регистров калибровки при отладке АЦП.
АЦП функционирует следующим образом [1–5]. Дифференциальный входной сигнал одновременно выбирается схемами выборки 16 компараторов и устройством выборки-хранения (УВХ) 4-битного флеш-каскада (рис.2). Выходной сигнал УВХ, равный удвоенной разности входного сигнала и напряжения выхода цифро-аналогового преобразователя (ЦАП1) флеш-каскада, обрабатывается далее 1,5-битными RSD (Redundant Signed Digit) каскадами [6]. Выходной каскад является 3-битным флеш-преобразователем. Избыточные 0,5 бит RSD-каскадов и избыточный бит последнего флеш-каскада используются для цифровой коррекции ошибок компараторов входного флеш-каскада и RSD-каскадов.
Стандартные опорное и входное (Vin) напряжения равны 1 В (рис.3), но АЦП сохраняет работоспособность при увеличении их значений вплоть до напряжения питания. Это позволяет увеличить отношение сигнал-шум АЦП.
Максимальная амплитуда сигнала на выходе УВХ и в RSD-каскадах в четыре раза меньше амплитуды входного сигнала, что обеспечивает повышение быстродействия при уменьшенном токе потребления. Однако уменьшенная амплитуда сигналов требует более низкого опорного напряжения (Vrefi) для RSD-каскадов. Это напряжение формируется на выходе операционного усилителя (ОУ) с ошибкой, вызванной смещением нуля ОУ и рассогласованием сопротивлений резистивного делителя. Указанная ошибка формирования Vrefi, присущая данной архитектуре, вызывает необходимость ее калибровки, при этом одновременно калибруются ошибки усиления УВХ и первого RSD-каскада.
УВХ и входы всех каскадов АЦП выполнены по схеме двойной выборки для повышения быстродействия. Выборка реализуется двумя устройствами на переключаемых конденсаторах (семплерами), поочередно подключаемыми к входу УВХ или к усилителю. Усилитель все время, за исключением короткого периода переключения семплеров, работает в режиме усиления сигнала. Плата за повышение быстродействия в УВХ с двойной выборкой – дополнительные статические и динамические ошибки из-за рассогласования параметров ключей и конденсаторов, а также моментов выборки.
Для уменьшения негативного влияния рассогласования параметров ключей и конденсаторов на параметры АЦП предусмотрены раздельные по семплерам калибровки смещения нуля УВХ и опорного напряжения Vrefi.
Калибровка
В АЦП введены по два токовых ЦАП для калибровки Vrefi и смещения УВХ, а также ЦАП1к, аналогичный ЦАП1 флеш-каскада, для подачи напряжений, замещающих входные сигналы в режиме калибровки.
Отметим, что принятая реализация калибровки [7–9] не требует дополнительных компараторов и использует выходной сигнал центрального компаратора 3-битного флеш-каскада, сравнивающий выходное напряжение RSD-конвейера с нулем, и для калибровки смещения нуля, и для калибровки Vrefi.
Калибровка запускается сигналом calRun. На входе УВХ поочередно формируются напряжения, равные нулю, положительному или отрицательному напряжению одного из 16 сегментов резистивного делителя входного флеш-каскада. Автомат калибровки определяет коды калибровочных ЦАП, при которых выходные коды АЦП соответствуют нулю и номинальным напряжениям всех сегментов резистивного делителя. Повторяя эти процедуры многократно (для снижения влияния случайного шума), автомат калибровки вычисляет следующие коды: код, компенсирующий ошибку смещения нуля для каждого семплера; код, компенсирующий ошибку Vrefi для каждого семплера; коды ошибок, вызванных рассогласованием резисторов делителя, для каждого из 16 сегментов.
При работе АЦП в обычном режиме вычисленные компенсирующие коды загружаются в калибровочные ЦАП, а результат преобразования суммируется с вычисленной ошибкой сегмента, в который попала текущая выборка.
Длительность калибровки пропорциональна глубине усреднения, обратно пропорциональна частоте выборки fc и составляет 5,4 мс при fc = 100 МГц и глубине усреднения 32 (значение по умолчанию). Во время калибровки АЦП не выполняет нормальное преобразование и его выход выключен.
Можно выключать компенсацию различных ошибок через SPI. При этом значения кодов ошибок по-прежнему хранятся в регистрах и их компенсацию снова можно активировать без повторной калибровки.
Наличие шумов в процессе калибровки не позволяет полностью устранить внутренние ошибки АЦП, поэтому подстройкой кодов в регистрах калибровки можно улучшить параметры АЦП.
Аналоговый вход АЦП
Аналоговый вход оказывает наибольшее влияние на параметры АЦП, поэтому рассмотрим подробнее его особенности. Дифференциальный аналоговый вход АЦП подключен ко входу УВХ вычитателя-умножителя (SM) и входам схем выборки 16 компараторов флеш-каскада (рис.4). На рис.4 приведены n-канальные МОП-ключи в состоянии выборки входного сигнала. Горизонтальная линия в значке ключа соответствует его проводящему состоянию, вертикальная – непроводящему. Входы rdivp, dacp – отвод резистивного делителя флеш-каскада и положительный выход ЦАП1 соответственно. Вход vcmi – синфазный уровень для УВХ и компараторов.
Одновременность выборки сигналов в УВХ вычитателя-умножителя и в схемах выборки компараторов обеспечивается при условии:
C3 . (R55 + R51) = C1 . (R11 + R15),
где Rхх – сопротивление ключа xx.
Выполнение этого условия достигнуто пропорциональным уменьшением емкости С3 и ширины каналов ключей 51, 52, 55 в схеме выборки компараторов по сравнению с емкостью С1 и ключами 11, 12, и 15 УВХ вычитателя-умножителя, а также тщательным проектированием топологии с учетом паразитных сопротивлений и емкостей шин разводки.
Вход тактовой частоты
Сигнал тактовой частоты (fс) может быть дифференциальным или однопроводным. Джиттер тактового сигнала при высокой частоте входного сигнала может существенно ухудшить динамические параметры АЦП. При частоте входного сигнала fin и джиттере тактового сигнала tj отношение сигнал/шум (SNR) ограничено величиной:
SNR = −20 log (2π . fin . tj).
Так, при fin = 70 МГц и tj = 1 пс, SNR идеального 12-разрядного АЦП будет ограничено 66,3 дБ.
Возможна работа АЦП с однопроводным 1,8 В КМОП тактовым сигналом, подаваемым на неинвертирующий вход clk, при этом инвертирующий вход nclk должен быть подключен к земле через конденсатор 0,1 мкФ.
Управление током потребления
Ток потребления АЦП, а также быстродействие аналоговых схем (усилителей и компараторов), определяется величиной тока смещения (Ibs). В рассматриваемом АЦП предусмотрены два режима работы источника тока смещения: пропорциональный тактовой частоте ток смещения при biasMode = 0 (установлен по умолчанию) и независимый от частоты ток смещения при biasMode = 1.
Частотно-зависимый ток смещения существенно меньше, чем независимый, подвержен влиянию параметров технологического процесса изготовления, температуры и напряжения питания, поэтому работа в режиме biasMode = 0 способствует минимизации тока и мощности, потребляемых АЦП.
АЦП имеет два входа управления величиной тока смещения: biasSel1 и biasSel2. Режим по умолчанию выводов управления током смещения (biasMode = 0, biasSel1 = biasSel2 = 1) настроен на минимальный ток при тактовой частоте 20–80 МГц. Заземление вывода biasSel1 увеличивает Ibs во всех каскадах АЦП на ~30%, а заземление вывода biasSel2 повышает на ~50% ток смещения только для входного флеш-каскада.
Для получения лучших точностных параметров при частотно-зависимом токе смещения рекомендуется подключить выводы biasSel2, biasSel1 к земле.
АЦП имеет режим низкого энергопотребления при pd = 1. В этом режиме постоянные токи потребления всех аналоговых схем отключены.
Источник опорного напряжения
АЦП работает с внутренним (при refEn = 1, по умолчанию) или внешним (при refEn = 0) опорным источником. Напряжение внутреннего источника может составлять 1 В (по умолчанию) или 0,5 В (выбирается командой SPI).
Величина опорного напряжения определяет диапазон входного сигнала и должна быть равна половине максимальной амплитуды дифференциального входного сигнала. Наибольшее отношение сигнал/шум достигается при максимальном опорном напряжении 1,5 В, соответствующем амплитуде дифференциального входного сигнала 3 В. Следует учесть, что увеличение опорного напряжения ведет к уменьшению быстродействия, в связи с чем опорное напряжение более 1 В рекомендуется использовать при тактовой частоте не выше 80 МГц.
Для нормальной работы внутреннего источника опорного напряжения необходимо между выводами vref и gnd подключить фильтрующий конденсатор емкостью не менее 100 нФ с низким последовательным сопротивлением.
Ошибка напряжения внутреннего опорного источника и его температурный дрейф в основном определяют погрешность и температурный дрейф шкалы преобразования АЦП. Эти параметры АЦП можно существенно улучшить подстройкой опорного источника. Она реализуется записью через SPI 8-битового кода, корректирующего величину опорного напряжения и его температурный коэффициент.
Параметры АЦП
Размер кристалла АЦП (рис.5) равен 3,89 × 3,82 = 14,9 мкм2. Он определяется 130 мкм шагом размещения контактных площадок, выбранным по требованиям сборки. Размер блока АЦП значительно меньше: 2,05 × 0,86 = 1,76 мкм2. Блок источника опорного напряжения (Vref) также небольшой: 0,32 × 0,76 = 0,24 мкм2. Свободная площадь кристалла заполнена RC-фильтрами опорного напряжения и питания.
В ходе измерений были определены типовые параметры АЦП (табл.2, рис.6–7). Зависимость тока потребления (Idd) от частоты выборки (fc) в режиме АЦП с частотно-зависимым током смещения практически линейна и на нее слабо влияет напряжение питания Vdd (см. рис.6). Дифференциальная нелинейность (DNL) слабо зависит от fс в диапазоне до 140 МГц, а при больших fc возрастает тем сильнее, чем ниже напряжение питания (см. рис.7а). Интегральная нелинейность (INL) также значительно увеличивается при частотах выше 140 МГц (см. рис.7б). При этом 14-разрядный АЦП показывает отсутствие пропусков кодов до частоты 200 МГц.
Несомненное достоинство АЦП – существенно меньшие, по сравнению с зарубежными аналогами, ток потребления и рассеиваемая мощность.
В научно-технической литературе для оценки качества АЦП часто используется критерий FOM (Figure of Merit), представляющий собой энергию преобразования на эффективный бит информации [10]:
FOM = (Idd . Vdd . (1/fc)) / 2ENOB.
Представленный 14-разрядный АЦП имеет типовое значение FOM = 440 фДж/бит, что является хорошим показателем для АЦП с частотой выборки 125 МГц, выполненного по технологии 0,18 мкм.
Опытные образцы АЦП уже сегодня доступны потребителям, а его серийные поставки планируются к концу этого года. Сегодня ЗАО ПКК "Миландр" ведет работу по улучшению параметров АЦП на частотах выборки до 200 МГц.
Литература
Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б. Архитектура быстродействующих конвейерных АЦП, оптимизированная под современные субмикронные технологии. – Сборник трудов Всероссийской конференции МЭС-2010, с.497.
Патент РФ №2341017. Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь и способ его калибровки / Агрич Ю.В. Опубл. 10.12.2008.
Патент РФ №2352061. Дифференциальный компаратор с выборкой входного сигнала / Агрич Ю.В. Опубл. 10.04.2009.
Патент РФ №2442279. Аналого-цифровой преобразователь и способ его калибровки / Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б. Опубл. 10.02.2012.
Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б. Быстродействующий АЦП с малым энергопотреблением. – Сборник трудов Всероссийской конференции МЭС-2012, с.362–367.
US Patent No. 5,644,313. Redundant signed digit A-to-D conversion circuit and method thereof / Rakers P.L. et al. Jul. 1, 1997.
Патент РФ №2520421. Аналого-цифровой преобразователь и способ его калибровки / Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б., Лифшиц О.В. Опубл. 27.06.2014.
Патент РФ №2520427. Аналого-цифровой преобразователь и способ калибровки смещения нуля / Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б., Лифшиц О.В. Опубл. 27.06.2014.
Лифшиц В.Б., Агрич Ю.В. Калибровка сегментов в конвейерных АЦП. – Сборник трудов Всероссийской конференции МЭС-2012, с.368–373.
Kazutaka Honda, Masanori Furuta, Shoji Kawahito. A Low-Power Low-Voltage 10-bit 100-MS/s Pipeline A/D Converter Using Capacitance Coupling Techniques. – IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2007, V.42, №4, p.757–765.
В состав микросхемы 5101НВ015 входят: конвейерный АЦП; подстраиваемый источник опорного напряжения Vref; источник напряжения синфазного уровня входного сигнала Vcmin; источник токов смещения; КМОП/LVDS-выходные драйверы; блок логики (формирователи тактовых сигналов; логика синхронизации, коррекции и калибровки; SPI-интерфейс) (рис.1, табл.1).
АЦП имеет дифференциальный аналоговый вход, но может преобразовывать и однопроводной сигнал, правда при этом ухудшаются точностные параметры. Вход тактового сигнала также дифференциальный, но возможна работа и от однопроводного КМОП тактового сигнала.
Для управления функциями АЦП предусмотрен SPI-интерфейс. Через него можно выбирать формат выхода (КМОП или LVDS), задавать напряжение опорного источника и синфазного уровня входного сигнала, выбирать режим калибровки, выполнять запись/чтение регистров калибровки при отладке АЦП.
АЦП функционирует следующим образом [1–5]. Дифференциальный входной сигнал одновременно выбирается схемами выборки 16 компараторов и устройством выборки-хранения (УВХ) 4-битного флеш-каскада (рис.2). Выходной сигнал УВХ, равный удвоенной разности входного сигнала и напряжения выхода цифро-аналогового преобразователя (ЦАП1) флеш-каскада, обрабатывается далее 1,5-битными RSD (Redundant Signed Digit) каскадами [6]. Выходной каскад является 3-битным флеш-преобразователем. Избыточные 0,5 бит RSD-каскадов и избыточный бит последнего флеш-каскада используются для цифровой коррекции ошибок компараторов входного флеш-каскада и RSD-каскадов.
Стандартные опорное и входное (Vin) напряжения равны 1 В (рис.3), но АЦП сохраняет работоспособность при увеличении их значений вплоть до напряжения питания. Это позволяет увеличить отношение сигнал-шум АЦП.
Максимальная амплитуда сигнала на выходе УВХ и в RSD-каскадах в четыре раза меньше амплитуды входного сигнала, что обеспечивает повышение быстродействия при уменьшенном токе потребления. Однако уменьшенная амплитуда сигналов требует более низкого опорного напряжения (Vrefi) для RSD-каскадов. Это напряжение формируется на выходе операционного усилителя (ОУ) с ошибкой, вызванной смещением нуля ОУ и рассогласованием сопротивлений резистивного делителя. Указанная ошибка формирования Vrefi, присущая данной архитектуре, вызывает необходимость ее калибровки, при этом одновременно калибруются ошибки усиления УВХ и первого RSD-каскада.
УВХ и входы всех каскадов АЦП выполнены по схеме двойной выборки для повышения быстродействия. Выборка реализуется двумя устройствами на переключаемых конденсаторах (семплерами), поочередно подключаемыми к входу УВХ или к усилителю. Усилитель все время, за исключением короткого периода переключения семплеров, работает в режиме усиления сигнала. Плата за повышение быстродействия в УВХ с двойной выборкой – дополнительные статические и динамические ошибки из-за рассогласования параметров ключей и конденсаторов, а также моментов выборки.
Для уменьшения негативного влияния рассогласования параметров ключей и конденсаторов на параметры АЦП предусмотрены раздельные по семплерам калибровки смещения нуля УВХ и опорного напряжения Vrefi.
Калибровка
В АЦП введены по два токовых ЦАП для калибровки Vrefi и смещения УВХ, а также ЦАП1к, аналогичный ЦАП1 флеш-каскада, для подачи напряжений, замещающих входные сигналы в режиме калибровки.
Отметим, что принятая реализация калибровки [7–9] не требует дополнительных компараторов и использует выходной сигнал центрального компаратора 3-битного флеш-каскада, сравнивающий выходное напряжение RSD-конвейера с нулем, и для калибровки смещения нуля, и для калибровки Vrefi.
Калибровка запускается сигналом calRun. На входе УВХ поочередно формируются напряжения, равные нулю, положительному или отрицательному напряжению одного из 16 сегментов резистивного делителя входного флеш-каскада. Автомат калибровки определяет коды калибровочных ЦАП, при которых выходные коды АЦП соответствуют нулю и номинальным напряжениям всех сегментов резистивного делителя. Повторяя эти процедуры многократно (для снижения влияния случайного шума), автомат калибровки вычисляет следующие коды: код, компенсирующий ошибку смещения нуля для каждого семплера; код, компенсирующий ошибку Vrefi для каждого семплера; коды ошибок, вызванных рассогласованием резисторов делителя, для каждого из 16 сегментов.
При работе АЦП в обычном режиме вычисленные компенсирующие коды загружаются в калибровочные ЦАП, а результат преобразования суммируется с вычисленной ошибкой сегмента, в который попала текущая выборка.
Длительность калибровки пропорциональна глубине усреднения, обратно пропорциональна частоте выборки fc и составляет 5,4 мс при fc = 100 МГц и глубине усреднения 32 (значение по умолчанию). Во время калибровки АЦП не выполняет нормальное преобразование и его выход выключен.
Можно выключать компенсацию различных ошибок через SPI. При этом значения кодов ошибок по-прежнему хранятся в регистрах и их компенсацию снова можно активировать без повторной калибровки.
Наличие шумов в процессе калибровки не позволяет полностью устранить внутренние ошибки АЦП, поэтому подстройкой кодов в регистрах калибровки можно улучшить параметры АЦП.
Аналоговый вход АЦП
Аналоговый вход оказывает наибольшее влияние на параметры АЦП, поэтому рассмотрим подробнее его особенности. Дифференциальный аналоговый вход АЦП подключен ко входу УВХ вычитателя-умножителя (SM) и входам схем выборки 16 компараторов флеш-каскада (рис.4). На рис.4 приведены n-канальные МОП-ключи в состоянии выборки входного сигнала. Горизонтальная линия в значке ключа соответствует его проводящему состоянию, вертикальная – непроводящему. Входы rdivp, dacp – отвод резистивного делителя флеш-каскада и положительный выход ЦАП1 соответственно. Вход vcmi – синфазный уровень для УВХ и компараторов.
Одновременность выборки сигналов в УВХ вычитателя-умножителя и в схемах выборки компараторов обеспечивается при условии:
C3 . (R55 + R51) = C1 . (R11 + R15),
где Rхх – сопротивление ключа xx.
Выполнение этого условия достигнуто пропорциональным уменьшением емкости С3 и ширины каналов ключей 51, 52, 55 в схеме выборки компараторов по сравнению с емкостью С1 и ключами 11, 12, и 15 УВХ вычитателя-умножителя, а также тщательным проектированием топологии с учетом паразитных сопротивлений и емкостей шин разводки.
Вход тактовой частоты
Сигнал тактовой частоты (fс) может быть дифференциальным или однопроводным. Джиттер тактового сигнала при высокой частоте входного сигнала может существенно ухудшить динамические параметры АЦП. При частоте входного сигнала fin и джиттере тактового сигнала tj отношение сигнал/шум (SNR) ограничено величиной:
SNR = −20 log (2π . fin . tj).
Так, при fin = 70 МГц и tj = 1 пс, SNR идеального 12-разрядного АЦП будет ограничено 66,3 дБ.
Возможна работа АЦП с однопроводным 1,8 В КМОП тактовым сигналом, подаваемым на неинвертирующий вход clk, при этом инвертирующий вход nclk должен быть подключен к земле через конденсатор 0,1 мкФ.
Управление током потребления
Ток потребления АЦП, а также быстродействие аналоговых схем (усилителей и компараторов), определяется величиной тока смещения (Ibs). В рассматриваемом АЦП предусмотрены два режима работы источника тока смещения: пропорциональный тактовой частоте ток смещения при biasMode = 0 (установлен по умолчанию) и независимый от частоты ток смещения при biasMode = 1.
Частотно-зависимый ток смещения существенно меньше, чем независимый, подвержен влиянию параметров технологического процесса изготовления, температуры и напряжения питания, поэтому работа в режиме biasMode = 0 способствует минимизации тока и мощности, потребляемых АЦП.
АЦП имеет два входа управления величиной тока смещения: biasSel1 и biasSel2. Режим по умолчанию выводов управления током смещения (biasMode = 0, biasSel1 = biasSel2 = 1) настроен на минимальный ток при тактовой частоте 20–80 МГц. Заземление вывода biasSel1 увеличивает Ibs во всех каскадах АЦП на ~30%, а заземление вывода biasSel2 повышает на ~50% ток смещения только для входного флеш-каскада.
Для получения лучших точностных параметров при частотно-зависимом токе смещения рекомендуется подключить выводы biasSel2, biasSel1 к земле.
АЦП имеет режим низкого энергопотребления при pd = 1. В этом режиме постоянные токи потребления всех аналоговых схем отключены.
Источник опорного напряжения
АЦП работает с внутренним (при refEn = 1, по умолчанию) или внешним (при refEn = 0) опорным источником. Напряжение внутреннего источника может составлять 1 В (по умолчанию) или 0,5 В (выбирается командой SPI).
Величина опорного напряжения определяет диапазон входного сигнала и должна быть равна половине максимальной амплитуды дифференциального входного сигнала. Наибольшее отношение сигнал/шум достигается при максимальном опорном напряжении 1,5 В, соответствующем амплитуде дифференциального входного сигнала 3 В. Следует учесть, что увеличение опорного напряжения ведет к уменьшению быстродействия, в связи с чем опорное напряжение более 1 В рекомендуется использовать при тактовой частоте не выше 80 МГц.
Для нормальной работы внутреннего источника опорного напряжения необходимо между выводами vref и gnd подключить фильтрующий конденсатор емкостью не менее 100 нФ с низким последовательным сопротивлением.
Ошибка напряжения внутреннего опорного источника и его температурный дрейф в основном определяют погрешность и температурный дрейф шкалы преобразования АЦП. Эти параметры АЦП можно существенно улучшить подстройкой опорного источника. Она реализуется записью через SPI 8-битового кода, корректирующего величину опорного напряжения и его температурный коэффициент.
Параметры АЦП
Размер кристалла АЦП (рис.5) равен 3,89 × 3,82 = 14,9 мкм2. Он определяется 130 мкм шагом размещения контактных площадок, выбранным по требованиям сборки. Размер блока АЦП значительно меньше: 2,05 × 0,86 = 1,76 мкм2. Блок источника опорного напряжения (Vref) также небольшой: 0,32 × 0,76 = 0,24 мкм2. Свободная площадь кристалла заполнена RC-фильтрами опорного напряжения и питания.
В ходе измерений были определены типовые параметры АЦП (табл.2, рис.6–7). Зависимость тока потребления (Idd) от частоты выборки (fc) в режиме АЦП с частотно-зависимым током смещения практически линейна и на нее слабо влияет напряжение питания Vdd (см. рис.6). Дифференциальная нелинейность (DNL) слабо зависит от fс в диапазоне до 140 МГц, а при больших fc возрастает тем сильнее, чем ниже напряжение питания (см. рис.7а). Интегральная нелинейность (INL) также значительно увеличивается при частотах выше 140 МГц (см. рис.7б). При этом 14-разрядный АЦП показывает отсутствие пропусков кодов до частоты 200 МГц.
Несомненное достоинство АЦП – существенно меньшие, по сравнению с зарубежными аналогами, ток потребления и рассеиваемая мощность.
В научно-технической литературе для оценки качества АЦП часто используется критерий FOM (Figure of Merit), представляющий собой энергию преобразования на эффективный бит информации [10]:
FOM = (Idd . Vdd . (1/fc)) / 2ENOB.
Представленный 14-разрядный АЦП имеет типовое значение FOM = 440 фДж/бит, что является хорошим показателем для АЦП с частотой выборки 125 МГц, выполненного по технологии 0,18 мкм.
Опытные образцы АЦП уже сегодня доступны потребителям, а его серийные поставки планируются к концу этого года. Сегодня ЗАО ПКК "Миландр" ведет работу по улучшению параметров АЦП на частотах выборки до 200 МГц.
Литература
Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б. Архитектура быстродействующих конвейерных АЦП, оптимизированная под современные субмикронные технологии. – Сборник трудов Всероссийской конференции МЭС-2010, с.497.
Патент РФ №2341017. Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь и способ его калибровки / Агрич Ю.В. Опубл. 10.12.2008.
Патент РФ №2352061. Дифференциальный компаратор с выборкой входного сигнала / Агрич Ю.В. Опубл. 10.04.2009.
Патент РФ №2442279. Аналого-цифровой преобразователь и способ его калибровки / Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б. Опубл. 10.02.2012.
Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б. Быстродействующий АЦП с малым энергопотреблением. – Сборник трудов Всероссийской конференции МЭС-2012, с.362–367.
US Patent No. 5,644,313. Redundant signed digit A-to-D conversion circuit and method thereof / Rakers P.L. et al. Jul. 1, 1997.
Патент РФ №2520421. Аналого-цифровой преобразователь и способ его калибровки / Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б., Лифшиц О.В. Опубл. 27.06.2014.
Патент РФ №2520427. Аналого-цифровой преобразователь и способ калибровки смещения нуля / Агрич Ю.В., Лифшиц В.Б., Лифшиц О.В. Опубл. 27.06.2014.
Лифшиц В.Б., Агрич Ю.В. Калибровка сегментов в конвейерных АЦП. – Сборник трудов Всероссийской конференции МЭС-2012, с.368–373.
Kazutaka Honda, Masanori Furuta, Shoji Kawahito. A Low-Power Low-Voltage 10-bit 100-MS/s Pipeline A/D Converter Using Capacitance Coupling Techniques. – IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2007, V.42, №4, p.757–765.
Отзывы читателей
