Разработка прецизионных гибридных интегральных схем функционально полных цифроаналоговых преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Диянов, Александр Иванович

• Диянов, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Диянов, Александр Иванович

Введение.

1 Современное состояние и тенденции развития производства прецизионных интегральных ЦАП.

1.1 Основные нормируемые электрические параметры ИС линейных ЦАП.

1.2 Методы построения прецизионных интегральных ЦАП.

1.3 Особенности организации биполярного режима работы ЦАП.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка прецизионных гибридных интегральных схем функционально полных цифроаналоговых преобразователей»

Широкое развитие методов и средств цифровой обработки и передачи информации, особенно микропроцессорной техники, а также достижения в микроэлектронике привели к массовому производству цифроаналоговых преобразователей (ПАП) в интегральном исполнении. Прецизионные ЦАП с числом двоичных разрядов более 16-ти нашли применение в радиолокации, электронно-лучевой литографии, reo- и сейсморазведке, гидроакустике, радиоэлектронной аппаратуре специального назначения. Производству таких преобразователей характерно органичное единство конструктивно-технологических и схемотехнических решений, метрологического обеспечения измерения их параметров в процессе изготовления.

Вопросы теории и экспериментального определения параметров и характеристик ЦАП успешно исследовались в научных коллективах, возглавляемых Смоловым В.Б., Шляндиным В.М., Нетребенко К.А., Вострокнутовым H.H., Шлыковым Г.П., Кондалевым Н.И., Диденко В.И., Ребане Р.П., Касперовичем А.Н., Брагиным A.A. и другими. Вопросы разработки и серийного производства интегральных схем ЦАП успешно решались в коллективах, возглавляемых Федорковым Б.Г. и Буцом В.П. Результатом этих работ явились не только широкая номенклатура интегральных ЦАП, но и аппаратура для измерения их параметров, соответствующие методики и нормативные документы.

Повышение технического уровня преобразователей связано с совершенствованием двух основных технологий производства ЦАП -гибридной и полупроводниковой. При этом гибридные ЦАП имеют более высокие технические характеристики, т. к. позволяют в наибольшей степени использовать преимущества интегральных полупроводниковых схем и тонкопленочных элементов.

Целью диссертационного исследования является разработка и внедрение в серийное производство гибридных интегральных схем (ГИС) функционально полных 18-разрядных ЦАП с нелинейностью до 0,0002%. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: •

1. Анализ математических моделей и исследование нелинейности характеристики преобразования ГИС ЦАП, вызванной погрешностями несуперпозиционного характера.

2. Оптимальный выбор схем отдельных узлов с учетом технологии их изготовления и всего ЦАП в целом.

3. Создание прецизионного внутреннего источника опорного напряжения (ИОН) с малым значением температурного коэффициента напряжения (ТКН).

4. Разработка технологии получения тонкопленочных резисторов с температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) не более ±5-10"61У°С

5. Выбор основных технологических операций и оснащение их оборудованием контроля параметров ЦАП.

6. Проведение квалификационных испытаний, подтверждающих технические характеристики и стойкость ЦАП к внешним воздействующим факторам.

Решение указанных задач позволит разработать и организовать серийное производство прецизионных ЦАП, обеспечив при этом достоверный контроль их электрических параметров.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Диянов, Александр Иванович

Основные результаты и выводы

1. Предложен алгоритм функциональной подгонки, позволяющий без итераций осуществить процесс формирования параметров прецизионных ГИС ЦАП.

2. Проведена косвенная аттестация установки ЮУМ 2.681.011 с помощью исходной образцовой установки НПО "Система" (г. Львов) Госстандарта СССР путем измерения нелинейности в одних и тех же точках ХП одного ЦАП на обеих установках, что позволило выявить значительный метрологический запас установки ЮУМ 2.681.011 и возможность ее использования для измерения статических параметров экспериментальных образцов ГИС ЦАП К427ПА5Т.

3. Проведенные экспериментальные исследования и испытания подтвердили адекватность предложенных моделей, а также правильность предложенных конструкторско-технологических решений.

4. На основе анализа вида функции погрешности предложено оценку нелинейности ХП 18-разрядных ЦАП проводить по результатам измерения 8Л в 29 точках, что значительно сокращает трудоемкость контроля параметров.

5. Разработаны и освоены в серийном производстве функционально полные 18-разрядные ГИС ЦАП с нелинейностью ХП до 0,0002%, которые найдут применение в радиолокации, электронно-лучевой литографии, гидроакустике и другой радиоэлектронной аппаратуре, в т.ч. специального назначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором в ходе выполнения настоящей работы, заключаются в следующем:

1. Предложена математическая модель ЦАП на основе РМ в обращенном включении и использования обоих выходов двухпозиционных ключей, учитывающая паразитные параметры ОУ, результаты исследования которой показали, что в случае обеспечения идентичности паразитных параметров исключается их влияние на нелинейность ХП ЦАП.

2. Синтезированы модели нелинейности ХП ЦАП вызванной перегревом резистора обратной связи и изменением остаточного сопротивления компенсирующего транзистора, с помощью которых исследован характер распределения нелинейности по диапазону преобразования ЦАП, а также получены оценки нелинейности. ХП, показавшие определяющий вклад перегрева резистора обратной связи и изменения остаточного сопротивления компенсирующего транзистора в ее формирование для 18-разрядных функционально полных ЦАП.

3. По результатам моделирования разработана технология изготовления тонкопленочных резисторов с ТКС менее ± 5-Ю"61/°С, которая наряду с уменьшением перегрева резистора обратной связи за счет увеличения его номинала и площади, а также уменьшением влияния остаточного сопротивления компенсирующего транзистора за счет предложенных схемотехнических решений, позволила получить нелинейность ГИС ЦАП на уровне 0,0002%.

4. Предложена методика и создана установка компенсации ТКН стабилитронов, позволяющая уменьшить этот параметр в 3-5 раз.

5. Предложен алгоритм функциональной подгонки позволивший без итераций сформировать параметры прецизионных ГИС ЦАП.

6. Совпадение экспериментальных исследований характера распределения нелинейности по диапазону преобразования ЦАП с результатами моделирования позволило на основе анализа вида функции погрешности провести оценку нелинейности по результатам ее измерения в 29 точках, что значительно снизило трудоемкость измерений.

7. Под руководством автора разработаны и освоены в серийном производстве прецизионные 18-разрядные ГИС ЦАП 427ПАЗ и К427ПА5Т, которые не уступают по своим характеристикам лучшим мировым достижениям.

8. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, одна из которых написана без соавторов.

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на следующих научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах:

-Всероссийская научно-практическая конференция "Актуальные проблемы науки в России" (г. Кузнецк, 31 мая 2005 г.);

- 3-я международная научно-техническая конференция "Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта (ИНФОС-2005)" (г. Вологда, 11-12 октября 2005 г.);

- Научно-практическая конференция "Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества" КБД-Инфо-2005 (г. Сочи, 1-10 октября 2005 г.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Диянов, Александр Иванович, 2006 год

1. ГОСТ 14015-68. Преобразователи измерительные цифрового кода в напряжение или ток. ГСП. Основные параметры. Технические требования. - М.: Изд-во стандартов, 1968.

2. ГОСТ 24736-81. Преобразователи интегральные цифроаналоговые и аналого-цифровые. Основные параметры. М.: Изд-во стандартов, 1981.

3. Шлыков Г.П. Измерение параметров интегральных ЦАП и АЦП. --М.: Радио и связь, 1985. 128 с.

4. Gold М., Leeke J. Data Converters Getting Lift // Electronic News. 1979. v.25. - N1252. - p.48-49, 56-58.

5. Tsants J. Data Converters // EDN. 1982. v.27. - N16. - p.76, 78-89,93.

6. OCT 11 0583-88. Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей. -М.: Изд-во стандартов, 1988.

7. ОСТ 11 0078.0-84. Микросхемы интегральные. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. Общие требования при измерении параметров. М.: Изд-во стандартов, 1984.

8. ОСТ 11 0078.1-84. Микросхемы интегральные. Цифроаналоговые преобразователи. Методы измерения параметров характеристики преобразования.-М.: Изд-во стандартов, 1984.

9. ОСТ 11 0078.2-84. Микросхемы интегральные. Цифроаналоговые преобразователи. Методы измерения времени установления. М.: Изд-во стандартов, 1984.

10. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналогово-цифровые преобразователи. М.: Радио и связь, 1984. -120 с.

11. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. / Под ред. Г.Д. Бахтиарова. М.: Советское радио, 1980. --280 с.

12. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналогово-цифровые преобразователи информации. /В.Б. Смолов, Е.П. Угрюмов, В.К. Шмидт, B.C. Фомичев, Е.А. Чернявский, Р.И. Грушвицкий; под ред. В.Б. Смолова-- Д.: Энергия, 1976.-336 с.

13. Данилов A.A. Методы и средства оценивания нелинейности функции преобразования измерительных преобразователей. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. - 140 с.

14. Product Guide and Applications Manual / Micro Networks Company,1980.

15. Шляндин B.M. Цифровые измерительные устройства. M.: Высшая школа, 1981. - 335 с.

16. Data converter reference manual / Analog Devices corporation, 1992.-V.l.

17. Components for Data Conversion & Signal Processing / Hybrid Systems corporation. 1985-86.-Catalog 17.

18. Burr-Brown integrated circuits data book / Burr Brown corporation, 1989.-V. 33.

19. Шлыков Г.П. Контроль параметров цифроаналоговых преобразователей: Учеб. пособие. Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1980. - 104с.

20. Самюэл Виленски. Высокоточный ЦАП с дешифрацией старших разрядов // Электроника. 1980. - т. 53. -N13. - С.41-47.

21. EDN.- 1989.-v.l.-N34.-р. 148.

22. Э.Балестриери, П. Дапонте, С. Рапуано. Цифроаналоговые преобразователи: метрологический обзор // ИКА. Датчики и Системы. 2005. --N1. - С.61-67.

23. Analog/Mixed Signal Products / Designer'sGuide / Burr - Brown Products from Texas Instruments Incorporated, 2000.

24. Щукин А. АЦП и ЦАП фирмы Linear Technology // Электронные компоненты. 2004. - N2. - C.43-45.

25. Данилов А. Микросхемы инструментальных и специализированных ЦАП//Электронные компоненты. 2004. - N5. -С.92-97.

26. Гельман М.М. Системные аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов. М.: Мир, 1999. - 559 с.

27. Погрибной В.А. Дельта-модуляция в цифровой обработке сигналов. М.: Радио и связь, 1990. - 216 с.

28. Данилов A.A. Прецизионные цифроаналоговые преобразователи на резисторных кодоуправляемых делителях: Дис. . канд. техн. наук. -Пенза, Пенз. политехи, ин-т, 1991. 177 с.

29. Данилов A.A. Исследование нелинейности функции преобразования ЦАП несуперпозиционного характера // Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1989. - Вып. 18. - С. 32-38.

30. Атабеков Г.И. Основы теории цепей: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1969.-424 с.

31. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х томах. Пер. с англ.-М.: Мир, 1983.-Т. 1.598 с.

32. Розенблат М.Г., Михайлов Г.Х. Источники калиброванных напряжений постоянного тока. М.: Энергия, 1976. - 208 с.

33. Миллер, Дефрайтс. Стабилизация источника опорного напряжения операционным усилителем //Электроника. 1975. - т. 38. -N4.-С. 51-57.

34. Герасимов А.Н., Диянов А.И., Регеда В.В. Повышение стабильности источника опорного напряжения многоразрядных ЦАП // Актуальные проблемы науки в России, матер, докл. Всерос. научно-практ. конф. -Вып.З. -Т.З. Кузнецк: Изд-воКИИУТ, 2005. -С.132-133.

35. Каталог полупроводниковых приборов / Гос. центр, констр. бюро "Дейтон". М.: Изд-во ГЦКБ "Дейтон", 1997.

36. Грубник B.C. Надежность электронных средств измерений / B.C. Грубник, Ю.М. Крысин: Учеб. пособие. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001.- 120 с.

37. Гудзь A.A., Иванковский М.М., Судьин С.А. Бескорпусная ИС Б572ПП1-4 для гибридных прецизионных преобразователей// Электронная промышленность. 1987. - Вып. 2 (160). - С. 10-12.

38. Регеда О.Н. Разработка и исследование аппаратуры для измерения параметров ЦАП и АЦП на основе кодоуправляемых делителей: Дис. канд. тех. наук. Пенза, Пенз. гос. ун-т, 1998. - 186с.

39. Шлыков Г.П. Метод оценки погрешностей двоичных декодирующих сеток // Цифровая информационно измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза: политехи, ин-т, 1973, Вып. 1,2, С. 127-134.

40. Кастеров В.М. Распределение погрешности линейности функции преобразования кодоуправляемых делителей напряжения по диапазону//Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1981, Вып. 11, С. 137-144.

41. Алешин H.H. Влияние параметров усилителя на дифференциальную нелинейность ЦАП / H.H. Алешин, Е.А. Ломтев,

42. B.B. Регеда // Информационно-измерительная техника: Тр. ун-та. Межвуз. сб. науч. тр. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - Вып. 25. - С. 69-80.

43. Алешин H.H. Влияние взвешенных разрядов ЦАП на алгоритм их функциональной подгонки / H.H. Алешин, В.В. Регеда // Информационно-измерительная техника: Тр. ун-та, 2002. Вып. 26. - С. 58-65.

44. Прейзак. Разработчику о дрейфе преобразователей данных // Электроника. - 1977. - т. 50. - N 23. - С. 48-53.

45. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователям: Пер. с англ. / Под ред. Ю.А. Рюжина. М: Радио и связь, 1982. - 552 с.

46. Диянов А.И. Высокоточный аналого-цифровой преобразователь с устройством аналоговой свертки входного сигнала / А.И. Диянов, И.Н. Мазов, Ю.В. Полубабкин, В.П. Сафронов //Приборы и техника эксперимента. -1982. -Nl. С.110-113.

47. Брагин A.A., Зильберман Г.А., Панькив В.В. 22-х разрядный ЦАП для систем метрологических преобразователей ИИС //Метрологическое обеспечение ИИС и АСУ ТП. Тех. докл. Всесоюзн. конф.- Львов, 1990.-С.84.

48. Диянов А.И. Конструкторско-технологические пути повышения точности прецизионных ГИС ЦАП // Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества. КБД-ИНФО-2005. Мат. научно-практ. конф. -Сочи, 1-10 октября 2005. -С.164-169.

49. Попов В.П. Прецизионный метод повышения и оперативного поддержания точности цифроаналоговых преобразователей //Приборы и техника эксперимента. 1988. -N4. - С.72-75.

50. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.-512 с.

51. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981. - 312 с.

52. Каталог цифровых и аналоговых интегральных микросхем / Гос. унит. пред-е Центр, констр. бюро "Дейтон". М.: Изд-во ЦКБ "Дейтон", 1998.

53. Ott. составной высококачественный операционный усилитель // Электроника. 1973. - т. 39. -N 23. - С. 60-61.

54. Скупски С.Е. Функциональная подгонка параметров компонентов в гибридных схемах // Электроника. 1972. - N 8. - С. 41-50.

55. Шлыков Г.П. Функциональная подгонка гибридно-пленочных схем // Приборы и системы управления. 1978. - N 11. - С. 42-43.

56. Герасимов А.Н. Функционально полные 18-разрядные ГИС ЦАП 427-й серии / А.Н. Герасимов, А.И. Диянов // Информационно-измерительная техника: Тр. ун-та. Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - Вып. 29. - С. 162-166.

57. Водеватов Ф.Ф. Лазеры в технологии. М: Энергия. 1975. -216 с.

58. Шлыков Г.П. Лазерная установка для подгонки тонкопленочных кодоуправляемых делителей / Г.П. Шлыков, H.H. Алешин, О.Н. Селютин и др. // Приборы и системы управления. -1979.-N9.-С. 36-37.

59. Шлыков Г.П. Автоматизированная установка для подгонки гибридных интегральных ЦАП / Г.П. Шлыков, H.H. Алешин, О.Н. Селютин и др. // Приборы и системы управления. 1981. — N 11.— -С. 36-37.

60. Алешин H.H. Алгоритмы функциональной подгонки многоразрядных прецизионных ЦАП / H.H. Алешин, В.В. Регеда // Информациионно-измерительная техника: Тр. ун-та. Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Изд-во пенз. гос. ун-та, 2002. - Вып. 26. - С. 50-57.

61. Алешин H.H. Функциональная подгонка многоразрядных ЦАП / H.H. Алешин, В.В. Регеда, Е.В. Регеда // Информационно-измерительная техника: Тр. ун-та. Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - Вып. 27. - С. 88-92.

62. Алешин H.H. Влияние структуры ЦАП на организацию его функциональной подгонки / H.H. Алешин, В.В. Регеда, О.Н. Регеда // Информационно-измерительная техника: Тр. ун-та. Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - Вып. 27. - С. 93-98.

63. Брагин A.A., Семенюк А.Л. Основы метрологического обеспечения аналого-цифровых преобразователей электрических сигналов. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 164 с.

64. Диденко В.И., Капустин В.Н., Бахметьев A.A. Измерение параметров нелинейных прецизионных ЦАП // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. Пенза: Пенз. политех, ин-т, 1990.-Вып. 19.-С. 121-126.

65. Брагин A.A., Зильберман Г.А. Исходная образцовая установка для измерения напряжений и ее применение для определения погрешности линейности АЦП и ЦАП // Измерительная техника. 1991.-N 9.-С. 18-19.

66. Данилов A.A. Измерение времени установления быстродействующих аналоговых и цифроаналоговых преобразователей / A.A. Данилов, А.Ю. Поюсов, Д.Е. Полонников // Приборы и техника эксперимента. 1987. -N 3. - С. 120-122.

67. Чернышев Н.И. К предельному соотношению разрешения и быстродействия ЦАП // Электронная техника. Сер. Микроэлектроника. -1987.-Вып. 2.-С. 18-22.

68. ГОСТ 20.57.406-81. Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1991 (переиздание).

69. ГОСТ 18725-83. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.-М.: Изд-во стандартов, 1987 (переиздание).

70. ОСТ 11 073.915-2000. Классификация и система условных обозначений/Принят и введен в действие ТК 303 "Изделия электронной техники, материалы и оборудование".

71. Герасимов А.Н., Диянов А.И. Серийные 18-разрядные гибридные интегральные схемы цифроаналоговых преобразователей 427 серии // Научные материалы 3-й международной научно-технической конференции

72. Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта" (ИНФОС-2005). Вологда, 2005. - С.32-35.

73. РМ 11070.071-81. Изделия электронной техники. Методы определения типовых характеристик. М.: Изд-во стандартов, 1982.

74. Диянов А.И., Чаадаев Г.Н, Прецизионные тонкопленочные наборы резисторов отношения // Электронная промышленность. 1985. -N8.-C.33.

75. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 248 с.

76. Вострокнутов H.H. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. М.: Энергоиздат, 1990. - 208 с.