Шумовые свойства и схемотехника сигма-дельта модуляторов прецизионных аналого-цифровых преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Колесников, Дмитрий Васильевич

• Колесников, Дмитрий Васильевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Колесников, Дмитрий Васильевич

Содержание

1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СИГМА-ДЕЛЬТА АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Возможности сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей прецизионной обработки сигналов

1.2. Принципы построения сигма-дельта преобразователей

1.3. Анализ работы сигма-дельта модулятора во временной области

1.4. Частотный спектр выходного сигнала сигма-дельта модулятора. Свойства избыточной дискретизации

1.5. Анализ работы сигма-дельта модулятора в г-области, критерий устойчивости

2. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОВ

2.1. Основные параметры сигма-дельта модулятора

2.2. Архитектура сигма-дельта модуляторов и шумовые передаточные функции

2.3. Возможности равноволновых типов аппроксимации при построении шумовой передаточной характеристики

2.4. Построение сигнальной передаточной характеристики

3. СХЕМОТЕХНИКА СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРА

3.1. Задачи проектирования субмикронных интегральных схем

3.2. Поведенческая модель сигма-дельта модулятора

3.3. Структурная схема сигма-дельта модулятора второго порядка с однобитным квантователем

3.4. Схемотехника компонентов сигма-дельта модулятора

3.4.1. Усилители на МОП-транзисторах

3.4.2. Построение узлов компаратора

3.4.3. Цифро-аналоговый преобразователь

3.4.4. Основные структуры устройства выборки и хранения

3.4.5. Источник опорного напряжения

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ БИКМОП УЗЛОВ МОДУЛЯТОРА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ БАЗИСЕ 0,35 МКМ

4.1. Компоненты сигма-дельта модулятора

4.1.1. Дифференциальный операционный усилитель

4.1.2. Стробируемый компаратор

4.1.3. КМОП устройство выборки и хранения

4.1.4. Источник опорного напряжения

4.1.5. Схема КМОП кварцевого генератора

4.1.6. Моделирование электрической схемы сигма-дельта модулятора

4.2. Особенности топологического решения

4.3. Результаты измерения экспериментальных образцов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Шумовые свойства и схемотехника сигма-дельта модуляторов прецизионных аналого-цифровых преобразователей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современные информационные технологии требуют непрерывного расширения функциональных возможностей электронных схем, что сопровождается ужесточением требований к их составляющим блокам и компонентам.

Преимущества цифровых методов обработки информации в настоящее время не нуждаются в доказательствах, а их реализация невозможна без высококачественных устройств, осуществляющих преобразование аналоговых сигналов в цифровые - аналого-цифровых преобразователей (АЦП). При этом аналого-цифровые преобразователи используются практически во всех устройствах обработки информации с цифровой элементной базой, находя широкое применение в различных областях современной науки и техники, а именно в измерительной аппаратуре, сигнальных процессорах, системах преобразования и отображения информации, системах управления технологическими процессами и т.д.

Одним из аспектов развития аналого-цифровых преобразователей в интегральном БиКМОП исполнении является широкое распространение микропроцессоров и цифровых методов обработки информации. Существующая потребность в микросхемах АЦП приводит к их производству и проектированию с новыми, более качественными характеристиками.

Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи в ряду прочих преобразователей занимают особое место, поскольку обладают исключительными свойствами, позволяющими обеспечивать точность преобразования выше 16 разрядов в условиях стандартных субмикронных технологий. Достоинствами сигма-дельта преобразователей являются низкая интегральная нелинейность, малый дрейф усиления, широкий динамический диапазон, программируемый баланс между скоростью и разрешением.

Прецизионные сигма-дельта АЦП находят применение во многих областях, включая управление процессами обработки информации, преобразование сигналов датчиков, измерительное и медицинское оборудование, инструментальные приложения, сбор данных, преобразование сигналов точных датчиков и многое другое.

Эффективное число разрядов преобразователя данных непосредственно зависит от уровня шума в полосе сигнала. В связи с этим наиболее критичным узлом сигма-дельта АЦП является модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума.

Таким образом, построение сигма-дельта модулятора с низким уровнем шума является в настоящее время весьма значимой и актуальной задачей.

Цель работы: совершенствование шумовых свойств сигма-дельта модуляторов с различными типами шумовых характеристик, реализация сигма-дельта модуляторов обладающих оптимальными шумовыми характеристиками с использованием равноволновых типов аппроксимаций при построении шумовой и сигнальной передаточных характеристик, разработка схемотехники основных узлов сигма-дельта модуляторов, применяемых в прецизионных системах обработки информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать зависимость уровня подавления шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от коэффициента избыточной дискретизации при различных порядках модулятора для аппроксимаций Баттерворта, инверсной Чебышева и Золотарева;

- сопоставить известные численные методы приближения с наиболее эффективными стандартными аппроксимирующими функциями;

- определить зависимость уровня подавления в сигнальной полосе золотаревской шумовой передаточной характеристики от порядка модулятора, ширины сигнальной полосы, величины неравномерности;

реализовать способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с различным расположением нулей в полосе непрозрачности;

- разработать основные узлы сигма-дельта модуляторов в рамках субмикронной БиКМОП технологии 0,35 мкм.

Научная новизна диссертации определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем:

1. Исследование возможностей равноволновых типов аппроксимаций (Золотарева и Чебышева второго рода) при построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора установило заметное преимущество дробей Золотарева, которое позволяет снизить порядок модулятора для получения заданного уровня подавления или увеличить подавление при заданном порядке.

2. Сопоставление известных подходов к построению шумовых передаточных функций с равноволновыми типами аппроксимации выявило преимущество аппроксимации дробями Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума за пределами полосы сигнала.

3. Получена зависимость уровня подавления золотаревской шумовой передаточной характеристики в сигнальной полосе от порядка модулятора, ширииы сигнальной полосы, величины неравномерности. Наличие колебаний в полосе пропускания приводит к тому, что построенная зависимость имеет локальный максимум подавления, а это, в свою очередь, обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.

4. Реализован предложенный способ построения сигнальной передаточной характеристики модулятора с заданными полюсами (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614639 «Синтез оптимальной шумовой функции передачи для прецизионных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей»).

Разработаны основные узлы сигма-дельта модуляторов по субмикронной БиКМОП-технологии (получены патенты на полезные модели: №114396 «Компаратор для 1,5-битного аналого-цифрового преобразователя», №130122 «Устройство выборки-хранения данных»).

Научная и практическая значимость диссертации.

В зарубежной и отечественной практике проектирования при построении передаточных характеристик модулятора широко распространен численный метод "delta-sigma toolbox". Сопоставление возможностей этого метода с использованием стандартных аппроксимирующих функций показало преимущества дробей Золотарева как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе модулятора несмотря на то, что автор численного метода определяет его как оптимальный при синтезе шумовой передаточной характеристики. При этом уменьшение коэффициента избыточной дискретизации и рост порядка модулятора приводит к снижению эффективности численного метода. Таким образом, установлено, что шумовая передаточная характеристика сигма-дельта модулятора, аппроксимированная дробями Золотарева, обладает оптимальными характеристиками по уровню подавления шума в сигнальной полосе.

Предложенные способы построения шумовой и сигнальной передаточных характеристик позволяют получить сигма-дельта модулятор с усовершенствованными шумовыми характеристиками, что обеспечивает повышение качества систем обработки информации, таких как линии связи, сигнальные процессоры, системы звуковоспроизведения, контроллеры, контрольно-измерительная аппаратура и др.

Предложенные схемотехнические подходы к построению основных узлов позволили реализовать сложно-функциональный блок сигма-дельта модулятора второго порядка, исполненный по субмикронной БиКМОП технологии 0.35 мкм. Разработанный сигма-дельта модулятор имеет

следующие характеристики: ширину полосы пропускания до 1 кГц, потребление не более 500 мкА при напряжении питания 3.3 В, отношение сигнал-шум 110 дБ при коэффициенте избыточной дискретизации 1024. В составе аналого-цифрового преобразователя модулятор обеспечивает 16-разрядную точность, что подтверждается результатами испытаний экспериментальных образцов.

Результаты диссертации использованы в ряде НИОКР по темам:

- «Разработка аналоговых и цифро-аналоговых компонентов для унифицированной платформы «системы-на-кристалле» - модулей АЦП и ЦАП и программируемого синтезатора частот с фазовой автоподстройкой (ФАПЧ)» в рамках государственного контракта № 02.527.12.9001 от 13.09.2007 г.;

- «Разработка перспективной электронной компонентной базы беспроводных микро- и наносистем на основе технологий «система-на-кристалле» в рамках государственного контракта № 6628р/9248 от 24.02.2009 г.;

«Разработка СФ-блока 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя для энергосберегающих систем жизнеобеспечения зданий и сооружений» (государственный контракт № 8125р/12821 от 28.06.2010 г.);

- «Проектирование аналогового интерфейса для систем сбора данных и микроконверторов для интеллектоуправляемых систем энергосбережения» (государственный контракт № 8128р/12820 от 28.06.2010 г.);

- «Разработка КМОП 16-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя в технологии 0,35 мкм» (государственный контракт № 8965р/14052 от 19.04.2011 г.).

Обоснованность научных положений и выводов обеспечена корректным применением научно-технических подходов при проведении исследований, совпадением результатов работы с известными положениями

существующих теоретических и экспериментальных исследований в области преобразователей данных.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1.При построении шумовой передаточной характеристики сигма-дельта модулятора использование дробей Золотарева дает наилучший результат по сравнению с аппроксимациями Баттерворта и инверсной Чебышева.

2. Наличие колебаний в полосе пропускания золотаревской шумовой передаточной характеристики приводит к появлению максимума ее подавления, что обеспечивает дополнительную степень влияния на шумовые характеристики модулятора.

3. Сравнение шумовых передаточных характеристик, аппроксимированных дробями Золотарева и Чебышева второго рода с численной оптимизацией по "delta-sigma toolbox", показывает преимущества золотаревской аппроксимации как по отношению сигнал/шум, так и по величине подавления шума в сигнальной полосе.

4. Сопоставление зависимости глубины подавления от величины коэффициента избыточной дискретизации показывает преимущество дробей Золотарева перед численным методом.

5. Предложенный' способ построения сигнальной передаточной характеристики позволяет увеличить уровень подавления в необходимом диапазоне частот.

6. Уровень подавления сигнальной передаточной характеристики за полосой пропускания меньше для золотаревской шумовой передаточной характеристики, чем для инверсной чебышевской, однако амплитудно-частотная характеристика модулятора в этом случае имеет более крутой спад.

Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались на следующих конференциях:

- международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2009, 2010, 2013);

- научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2012);

- международной финальной конференции проекта 7РП 8ЕМГОЕС «Стимулирование Российско-Европейского сотрудничества в области разработки полупроводников» (Москва, 2011 г.).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликована двадцать одна научная работа, в том числе в 2-х изданиях рекомендованных ВАК РФ, два патента на полезную модель и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [1-10, 12-13] - анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [11, 14-21] - проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной КМОП-технологии в составе систем на кристалле.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 71 наименование. Работа изложена на 136 страницах, содержит 14 таблиц и 80 рисунков.

1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СИГМА-ДЕЛЬТА АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Возможности сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей

прецизионной обработки сигналов

Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи - один из наиболее востребованных типов преобразователей данных. Они наиболее эффективны в тех задачах, где не требуются большое быстродействие, но необходимо высокое разрешение сигнала [1]. Проведение анализа микросхем АЦП ведущих фирм-производителей позволяет сделать вывод, что приблизительно третья часть преобразователей имеют 16-разрядную точность преобразования и выше. Такая точность характерна только для архитектуры сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей. Традиционно такие преобразователи используются на частотах от нуля до нескольких мегагерц.

Основными недостатками многоразрядных АЦП двойного и многократного интегрирования являются: существенная интегральная нелинейность, обусловленная погрешностью передаточной характеристики операционного усилителя интегратора, значительное число внешних элементов - резисторов, конденсаторов большой емкости, низкое помехоподавление, связанное с тем, что значительную часть времени цикла преобразования АЦП многократного интегрирования не принимают входной сигнал. При этом в сигма-дельта аналого-цифровых преобразователях перечисленные недостатки отсутствуют. Современные субмикронные БиКМОП технологии позволяют изготовить сигма-дельта АЦП в виде однокристальной интегральной микросхемы с минимумом внешних элементов и потребляемой мощностью в единицы милливатт.

Характерными особенностями сигма-дельта АЦП являются: - высокая точность преобразования (выше 16 разрядов);

- низкое энергопотребление;

- возможность реализации в виде сложно-функционального блока;

- низкая интегральная нелинейность;

- малый дрейф усиления;

- широкий динамический диапазон;

- программируемый баланс между скоростью и разрешением.

В настоящее время сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи активно применяются в аудиотехнике, промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, а также в измерительных приборах и других приложениях, где требуется высокая точность.

1.2. Принципы построения сигма-дельта преобразователей

Сигма-дельта АЦП состоит из сигма-дельта модулятора и цифрового преобразователя - децимирующего цифрового фильтра. Наиболее критичным блоком сигма-дельта АЦП является сигма-дельта модулятор, так как именно его характеристики определяют количество эффективных разрядов преобразователя.

В отличие от АЦП других типов, в которых отсчеты преобразуемого аналогового сигнала берутся в точках его дискретизации и являются мгновенными значениями в этих точках, в сигма-дельта АЦП отсчеты берутся на интервалах дискретизации и являются средними значениями преобразуемого сигнала на этих интервалах [1].

Если взять компаратор и подать на его вход сигнал от интегратора, а на интегратор подать алгебраическую сумму входного сигнала и выходного сигнала одноразрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), на вход которого сигнал поступает с выхода компаратора, то в результате получится сигма-дельта модулятор первого порядка. Добавив цифровой низкочастотный фильтр и дециматор на цифровой выход, получим сигма-дельта АЦП первого порядка (рис. 1) [2].

Рис. 1. Блок-схема сигма-дельта АЦП первого порядка

1.3. Анализ работы сигма-дельта модулятора во временной области

Работу сигма-дельта АЦП во временной области можно описать следующим образом. Подадим на вход Уш постоянное напряжение. Сигнал на выходе интегратора в точке А при этом постоянно нарастает или убывает (см. рис. 1). С выхода компаратора сигнал поступает на вход одноразрядного ЦАП, а выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя на суммирующий вход в точке В. Благодаря отрицательной обратной связи, соединяющей выход компаратора через одноразрядный ЦАП с точкой суммирования, среднее значение постоянного напряжения в точке В стабилизируется на уровне Ум. Вследствие этого, среднее выходное напряжение ЦАП равняется входному напряжению Уш. При этом среднее выходное напряжение ЦАП определяется плотностью потока единиц в одноразрядном потоке данных, следующего с выхода компаратора. Когда значение входного сигнала увеличивается до положительного уровня опорного напряжения +У'цЕ/?, число единиц в последовательном потоке

данных увеличивается, а число нулей уменьшается. Точно так же, когда значение сигнала приближается к отрицательному уровню опорного напряжения -У^, число единиц в последовательном потоке данных уменьшается, а число нулей увеличивается. Таким образом, в последовательном потоке разрядов на выходе компаратора содержится среднее значение входного напряжения. Затем цифровой фильтр и дециматор обрабатывают последовательный поток битов и выдают окончательный выходной сигнал.

Как и любой аналого-цифровой преобразователь, сигма-дельта АЦП выдает оцифрованные значения сигнала в долях диапазона измерения. Измеряемый сигнал должен находиться в диапазоне от опорного напряжения + до -упег (относительно некоего установленного уровня "О", численно равного половине диапазона измерения). Если разрядность АЦП N бит, то весь этот диапазон разбит на интервалы: 2УПЕр/2ы. Очевидно, что значения + УцЕр и могут быть любыми, как положительными, так и

отрицательными. Будем полагать, что уровень "О" соответствует напряжению О В. Одноразрядный ЦАП, входящий в состав сигма-дельта модулятора, представляет собой коммутатор, который в зависимости от входного сигнала равного 1 или 0 выдает напряжение +Ур>ер- или -Уцег, соответственно.

Перед началом вычисления новой выборки, напряжения на выходе интегратора (Уу) и на выходе ЦАП равны нулю. Сигнал с выхода сумматора К, поступает на интегратор, где суммируется с предыдущим значением интегратора (т.е. для ьой итерации = 7 — 1) + Вначале входной сигнал Ув без изменений поступает на интегратор, поскольку на другом входе сумматора сигнал равен 0 {Уу(0) = У0). Компаратор сравнивает выходное значение интегратора У£ с уровнем "О" и выдает 1, если > 0, и 0 при < 0. Сигнал с компаратора поступает в выходной регистр, образуя последовательность одноразрядных цифровых отсчетов (выборка модулятора). Этот же сигнал попадает в ЦАП, который в зависимости от его

уровня выдает Vref или -Vref■ В сумматоре это значение вычитается из входного сигнала Vo и складывается с F^ в интеграторе. После этого данный процесс многократно повторяется.

Математически механизм работы модулятора можно представить следующим образом. Пусть значение V^ в ходе преобразования было меньше "О" к раз и п раз больше или равным нулю; арифметическая сумма п + к равняется N, где N— общая длина кодовой последовательности для одной выборки. Следовательно, ~Vy(N) = V0 + n(V0 - Vref) + k(Vo + VREF)\ VyfOJ = V0. Предположим, что через какое-то число итераций N Ф 0, напряжение на интеграторе вновь принимает исходное значение V^(N) = Vo. Тогда можно записать V0 = Vo(l + п + к) + VREf (к - п), отсюда следует выражение для измеряемого напряжения: V0 = VREF (п - к) / (п +к) = VREf (2п /N- 1).

Таким образом, отношение числа единиц к общей длине циклической последовательности n/N однозначно определяет измеряемое напряжение Vo, как часть диапазона измерений VREF.

Если длина выборки сигнала в модуляторе достаточно велика, она окажется в несколько раз больше самой длинной циклической последовательности N. Поэтому, даже если она не кратна N, все равно лишние отсчеты (биты) существенно не исказят статистику и не повлияют на результат измерения напряжения. Таким образом, с помощью всего лишь одноразрядного преобразования в заданном диапазоне напряжений можно измерить входной сигнал с любой точностью. Чем выше требуемая точность, тем больше отсчетов должно быть в выборке модулятора для одного сигнала. Если частота следования многоразрядных выборок fs (т.е. скорость выдачи результатов измерения сигнала АЦП) должна удовлетворять теореме Котельникова, т.е. по крайней мере, вдвое превышать ширину полосы частот сигнала F (fs> 2F), то частота одноразрядных отсчетов гораздо выше: fmod = Kfs, где К - коэффициент избыточной дискретизации. Коэффициент К может варьироваться в достаточно широких пределах, от единиц до тысяч. Именно этот факт и является одним из существенных ограничителей частотных

свойств сигма-дельта АЦП, задавая обратную зависимость числа разрядов в выборке от диапазона рабочих частот [2].

1.4. Частотный спектр выходного сигнала сигма-дельта модулятора.

Свойства избыточной дискретизации

Идеальный классический Л/-разрядный АЦП имеет погрешности (по постоянному или переменному току), связанные только с процессами отсчетов и квантования.

Известно [3], что среднеквадратичное значение напряжения шума квантования для аналого-цифрового преобразователя определяется следующим соотношением:

где е - погрешность квантования, как функция времени, q -величина младшего значащего разряда.

Шум квантования равномерно распределен в диапазоне от 0 до fJ2 (где fs — частота дискретизации), как видно из спектра выходного сигнала АЦП (рис. 2а). Поэтому, отношение сигнал/шум {SNR - Signal to Noise Ratio) АЦП для полнодиапазонного синусоидального входного сигнала будет равен (6,02N+1,76) дБ. У реального аналого-цифрового преобразователя эффективная разрешающая способность будет меньше, чем TV-разрядов. Фактическая разрешающая способность (эффективное число разрядов или ENOB) реального АЦП определяется как:

(1.1)

ENOB =

SNR - \,16dB 6,02dB

(1.2)

Г

ацп

Применение теоремы Котельннкова

1

Избыточная дискретизация + цифровой фильтр + децимация . £

АЦП Цифровой фильтр БЕС

Б

г

Избыточная дискретизация

+ формирование формы кривой распределения шут. г л + цифровой фильтр

+ децимация

I

1Д Цифровой БЕС

мсго фильтр

шум

квантовашш = ч/|12

цифровой фильтр

' удаляемый шум

удаляемы! г шум

Ж

Рис. 2. а) распределение шума квантования стандартного АЦП при частоте дискретизации /¡¡, б) распределение шума квантования стандартного АЦП при частоте дискретизации К/ц, прореживание, в) распределение шума квантования сигма-дельта АЦП, прореживание

Если выбрать более высокую частоту дискретизации К^ (см. рис. 26),

я

то среднеквадратичное значение шума квантования остается равным но

спектр шума квантования будет теперь распределен в более широкой полосе от 0 до К//2.

Использование на выходе цифрового низкочастотного фильтра значительно уменьшает шум квантования, повышая эффективное число разрядов. Таким образом, выполняется аналого-цифровое преобразование с высоким разрешением на основе аналого-цифрового преобразователя с низкой разрешающей способностью (избыточная дискретизация). Для оценки количества дополнительных битов точности преобразования (IV), полученных при использовании избыточной дискретизации, может быть использована следующая формула [26]:

/о = 2 (1.3)

Так как выходной цифровой фильтр уменьшает ширину полосы пропускания, то скорость выдачи выходных данных будет ниже, чем первоначальная частота дискретизации К/х, и при этом все же удовлетворять теореме Котелышкова. Данный результат достигается посредством передачи на выход каждого М-го значения и отбрасывания остальных значений. Такой процесс называют децимацией, коэффициент М может принимать любое целое значение, при условии, что частота выходных данных больше, чем удвоенная ширина полосы сигнала. При этом прореживание не вызывает потери информации.

Из формулы (1.3) следует, что для получения 7У-разрядного увеличения разрешающей способности АЦП при использовании только свойств избыточной дискретизации значение коэффициента избыточной дискретизации должно быть 22Ы. В связи с тем, что сигма-дельта преобразователь данных задает форму кривой распределения шума квантования таким образом, что большая ее часть выходит за пределы этой полосы пропускания, как представлено на рис. 2в, то нет необходимости использовать такой высокий коэффициент избыточной дискретизации при применении сигма-дельта модуляции.

Принцип формирования кривой распределения шума квантования в частотной области объясняется на простой модели сигма-дельта модулятора, приведенной на рис. 3.

Интегратор в сигма-дельта модуляторе представлен в виде аналогового фильтра нижних частот (ФНЧ) с передаточной функцией Щб) = 1/в. Одноразрядный квантователь (компаратор) генерирует шум квантования (2, который добавляется к выходному сигналу суммирующего блока.

Если считать входной сигнал равным X, а выходной — равным Г, то сигнал на выходе первого сумматора должен быть равен У. Эта величина умножается на передаточную функцию фильтра 7/у, и результат подается на

один из входов второго сумматора. В итоге получается выражение для выходного напряжения У в виде:

У=±(Х-У) + (2. (1.4)

<2

Х-У

4- (x - ¥) | шум

1 ■ 1 квантования

X +

, V аналоговый V ,

фильтр * А

1 " 1

Н(з) = —

I

У = 4-(Х-¥) + <2

X <2*

V = ——--1———

8+1 й+1 / \

с1егнальная составляющая шумовая составляющая

Рис. 3. Упрощенная линеаризованная модель сигма-дельта модулятора в

частотной области

Это выражение может быть решено относительно У с аргументами X, я

и б:

У = - + ■ (1.5)

5 5+1 4 '

Если 5 приближается к нулю, значение выходного напряжения Г стремится к X, а шумовая составляющая устремляется к нулю. На более высоких частотах амплитуда сигнальной составляющей стремится к нулю, а шумовая составляющая приближается к При дальнейшем повышении частоты выходной сигнал состоит практически из одного шума квантования. В сущности, аналоговый фильтр представляет собой фильтр нижних частот для входных сигналов модулятора и фильтр верхних частот для шума квантования. Аналоговый фильтр выполняет функцию формирования кривой распределения шума квантования в модели сигма-дельта модулятора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Колесников, Дмитрий Васильевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голуб, В. Цифровая обработка сигналов: сигма-дельта АЦП / В. Голуб // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2001. — № 4. - С. 22-26.

2. Шахнович, И. Сигма-дельта АЦП. Архитектура. Принципы. Компоненты. / И. Шахнович // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. -2006.-№4.-С. 18-22.

3. Кестер, У. Аналого-цифровое преобразование. / У. Кестер. - М.: Техносфера, 2007. - 1019 с.

4. Jarman, D. A Brief Introduction to Sigma Delta Conversion. / D. Jarman. -1995.-P. 1-7.

5. Лайонс, P. Цифровая обработка сигналов: Пер. с англ. / Р. Лайонс. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656 с.

6. Schreier, R. Understanding Delta-Sigma Data Converters / R. Schreier, Cabor C. Temes // IEEE Pres. - 2005. - 446 p.

7. Schreier, R. Delta-Sigma Data Converters. Theory, Design, and Simulation / R. Schreier, Cabor C. Temes. - 1997. - 477 p.

8. Белецкий, А. Ф. Теоретические основы электропроводной связи / А. Ф. Белецкий. -М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1959.-391 с.

9. Букашкин, С. А. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / С.А. Букашкин, В. П. Власов, Б. Ф. Змий. -М.: «Радио и связь», 1984. - 368 с.

10. Silva, J. Wideband low-distortion delta-sigma ADC topology / J. Silva, U. Moon, J. Steensgaard, G. C. Temes // IEEE Electronics Letters. - 2001. - P. 737738.

11.Ranjbar, M. Continuous-time feedforward SD modulators with robust lowpass STF / M. Ranjbar, O. Oliaei // IEEE Electronics Letters. - 2007. - P. 2425.

12. Ranjbar, M. A Robust STF 6mW CT Modulator with 76dB Dynamic Range and 5MHz Bandwidth / M. Ranjbar, O. Oliaei and R. W. Jackson // IEEE Electronics Letters. - 2010. - P. 1 -4.

13. Brueckner, T. A single DAC CT Sigma-Delta Modulator with Butterworth STF characteristic / T. Brueckner, C. Zorn, W. Mathis, M. Ortmanns // IEEE Electronics Letters. - 2011. - P. 1-4.

14. Стрижов, В. Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП [Электронный ресурс]. / В. Стрижов // Схемотехника. - 2000. - № 2. — С. 28. - Режим доступа: http://strijov.com/papers/gen__prym.pdf.

15. Бормонтов, Е. Н. Компоненты КМОП сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя в технологии 0,35 мкм / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 11. - С. 35-40.

16. Колесников, Д. В. Оптимизация шумовых характеристик прецизионных сигма-дельта модуляторов / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 11. - С. 95-97.

17. Пат. 114396 Российская Федерация, МПК НОЗМ 1/12. Компаратор для 1,5-битного аналого-цифрового преобразователя / Колесников Д. В., Невежин Е. В., Татарченков Г. А. ; заявитель и патентообладатель ЗАО «Лагуна». - № 2010117285/08 ; заявл. 04.05.2010; опубл. 20.03.2012, Бюл. №8.-1 с.

18. Пат. 130122 Российская Федерация, МПК G11C 27/02. Устройство выборки-хранения данных / Колесников Д. В., Невежин Е. В. ; заявитель и патентообладатель ЗАО «Лагуна». - № 2013109474/08 ; заявл. 04.03.2013; опубл. 10.07.13. Бюл. № 19. - 2 с.

19. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2013614639 Российская Федерация. Синтез оптимальной шумовой функции передачи для прецизионных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей / Колесников Д. В., Невежин Е. В. ; заявитель и

патентообладатель ЗАО «Лагуна». - № 2013612488; заявл. 25.03.13; опубл. 17.05.13, Бюл. №9.- 1 с.

20. Бормонтов, Е. Н. Задача аппроксимации в проектировании сигма-дельта модуляторов / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Радиолокация, навигация, связь : материалы XIX междунар. конф. — Воронеж,-2013.-Т. 2.-С. 827-830.

21. Бормонтов, Е. Н. Шумовые характеристики прецизионных сигма-дельта преобразователей с равноволновыми функциями передачи / E.H. Бормонтов, Д.В. Колесников, Е.В. Невежин // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах : материалы докл. науч.-техн. семинара. - М., - 2013. - С. 121-125.

22. Сигма-дельта модулятор второго порядка в КМОП технологии 0,35 мкм / О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, С. В. Пахомов, Г. А. Татарченков // Радиолокация, навигация, связь : материалы XVI междунар. конф. - 2010.-Т. 2.-С. 1199-1204.

23. Бормонтов, Е. Н. Равноволновая аппроксимация шумовых характеристик прецизионных сигма-дельта преобразователей / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, -2012.-С. 18-21.

24. Бормонтов, Е. Н. Шумовые характеристики дельта-сигма модуляторов / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника : межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж,-2011.-С. 45-49.

25. Элементы широкодиапазонного КМОП-синтезатора частот в технологии 0,18 мкм / Е. Н. Берло, М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е.В. Невежин // Радиолокация, навигация, связь : материалы XV междунар. конф. - Воронеж, - 2009. - Т. 2. - С. 1199-1204.

26. Бормонтов, Е. I-I. Анализ характеристик VERILOG-модели сигма-дельта модулятора / Е. Н. Бормонтов, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Энергия XXI век.-2012.-№ 1-2.-С. 58-63.

27. Колесников, Д. В. Моделирование КМОП-устройства выборки-хранения / Д. В. Колесников // Математика. Компьютер. Образование: тезисы XVI междунар. конф. - Пущино, - 2009. - С. 103.

28. Компоненты КМОП сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя в технологии 0,35 мкм / М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, С. В. Пахомов // Энергия XXI век. - 2009. - № 4. - С. 26-31.

29. Зинченко, О. А. Дифференциальные КМОП устройства выборки-хранения / О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Энергия XXI век. -2008.- №4.- С. 25-28.

30. Вопросы проектирования КМОП-синтезаторов частот мегагерцового диапазона / Е. Н. Берло, М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Энергия XXI век. - 2009. - №1. - С. 94-98.

31. Микросхема стабилизатора напряжения в биполярной технологии 2 мкм / О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, Г. А. Татарченков // Энергия XXI век. - 2010. - № 1. - С. 34-38.

32. Колесников, Д. В. Усилитель мощности класса D в субмикронной BCD-технологии / Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, Г. А. Татарченков // Твердотельная электропика, микроэлектроника и наноэлектроника : межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, - 2010. - С. 11-14.

33. Широтно-импульсный модулятор интегрального BCD-усилителя класса D / М. А. Гудков, О. А. Зинченко, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин, Г.

A. Татарченков // Энергия XXI век. - 2010. -№ 1. - С. 34-38.

34. Компаратор для быстродействующего приемопередатчика RS-485 / В.

B. Богданов, А. Д. Зайдуллин, Д. В. Колесников, Е. В. Невежин // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника : межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, -2012.-№ 11.-С. 118-122.

35. Гребен, А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем / А. Б. Гребен. - М.: Энергия, 1976. - 256 с.

36. Ален, Ф. Электронные схемы с переключаемыми конденсаторами: Пер. с англ. / Ф. Ален, Э. Сапчес-Синенсио. - М. : Радио и связь, 1989. - 576 с.

37. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика / под редакцией В.И. Эннса. - М. : Горячая линия - Телеком, 2005.-454 с.

38. Baker, R. J. CMOS Circuit Design, Layout, And Simulation / R. J. Baker // Wiley - IEEE, 2005. - 904 c.

39. Razavi, B. Design of Analog CMOS Integrated Circuits / B. Razavi // NY: McGraw Hill, 2001.-676 c.

40. Fayomi, C. J. B. Reliable Circuit Techniques for Low-Voltage Analog Design in Deep Submicron Standard CMOS: A Tutorial / C. J. B. Fayomi, M. Sawan, and G. W. Roberts // Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 39.-2004,-P. 21-38.

41.Гуменюк, А. С. Сравнительный анализ вариантов схемотехнической реализации аналоговых ключей [Электронный ресурс]. / Ю. И. Бочаров // Научная сессия МИФИ. - 2006. - Т.1. - Режим доступа: http://www.ipmce.ru/about/press/articles/analiz_kmop/.

42. Гуменюк, А. С., Устройства выборки-хранения быстродействующих АЦП / Ю. И. Бочаров // Микроэлектроника. - 2007. - Т. 36. - № 5. - С. 390 -400.

43. Rinco-Mora, G. A. Voltage Reference from Diodes to Precision High-Order Bandgap / G.A. Rinco-Mora // IEEE Press, 2002. - 168 p.

44. Ming-Dou, K. New curvature-compensation technique for CMOS bandgap reference with sub 1-V operation / K. Ming-Dou, C. Jung-Sheng, C. Ching-Yun // IEEE Journal of Solid-State Circuits. -2005. - P. 3861-3864.

45. Ming-Dou, K. New curvature-compensation technique for CMOS bandgap reference with sub 1-V operation / K. Ming-Dou, C. Jung-Sheng // IEEE

Transactions on circuits and systems-II: Express Briefs, vol. 53. - 2006. - № 8. — P. 667-671.

46. Ro-Min, W. A 1.8-V high-precision compensated CMOS bandgap reference / W. Ro-Min, H. Xie-Ren, K. Yue-Fang // IEEE Journal of Solid-State Circuits. -2005.-P. 271-273.

47. Hou-Ming, C. A new temperature-compensated CMOS bandgap reference circuit for portable applications / C. Hou-Ming, H. Chih-Liang, C. Chang // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2006. - P. 577-580.

48. Hague, M. Use of the CMOS Unbuffered Inverter in Oscillator Circuits / E. Cox // Appl. Report of Texas Instrum. - 2004. - P. 1-25.

49. Wang, T.-M. Design of Mixed-Voltage Tolerant Crystal Oscillator Circuit / M.-D. Ker, H.-T. Liao // IEEE Trans on CAS. - 2009. - vol. 56. - № 5. - P. 966974.

50. Ивченко, В. Г. Применение языка VHDL при проектировании специализированных СБИС / В. Г. Ивченко. - Таганрог: издательство ТРТУ, 1999.-80 с.

51. Atherton, J. An Offset Reduction Technique for Use with CMOS Integrated Comparators and Amplifiers / H. Thomas Simmonds // IEEE J. Solid-State Circuits. - 1992,-№6.-P. 1168- 1175.

52. Rinco-Mora, G. Voltage Reference from Diodes to Precision High-Order Bandgap / G. Rinco-Mora // IEEE Press, 2002. - 168 p.

53. Строганов, А. В. Проектирование топологии КМОП заказных БИС / А. В. Строгонов // Компоненты и технологии. - 2007. - № 3. - 186-189 с.

54. Строгонов, А. В. Проектирование топологии КМОП заказных БИС. Окончание / А. В. Строгонов // Компоненты и технологии. - 2007. - № 4. -206-209 с.

55. Hastings, A. The Art of Analog Layout / A. Hastings. - New Jersey: Prentice-Hall, 2001. - 539 p.

56. Clein, D. CMOS 1С Layout: Concepts, Methodologies, and Tools / D. Clein. - Boston: Newnes, 2000. - 261 p.

57. Lee, W. L. A novel higher order interpolative modulator topology for high resolution oversampling A/D converters / W. L. Lee // Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology. - Cambridge, MA. - 1987.

58. A higher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D conversion / K.C.H. Chao, S. Nadeem, W. L. Lee, C. G. Sodini // IEEE Transactions on Circuits and Systems. - 1990. - Vol. 37. - p. 309-318.

59. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. - М.: Мир, 1982.- 828 с.

60. Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. / Г. И. Волович. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.-528 с.

61. Морозов, С. Аспекты эволюции субмикронной микроэлектроники -взгляд изнутри / С. Морозов, С. Соколов // Системы на кристалле. - 2004. -№5.-3-13 с.

62. Соколов, С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. / С. Соколов. -М.: Мир, 1988. - 583 с.

63. Guangming, Y. A 16-b 320-kHz CMOS A/D Converter Using Two-Stage Third-Order Noise Shaping / Y. Guangming, F. Stubbe, W. Sansen // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1993. - P. 640-647.

64. Francesconi, F. 10.7 MHz Band-Pass Sigma-Delta Modulator in CMOS Technology / V. Liberali, P. Magani, F. Maloberti // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2005. - P. 271-273.

65. Geerts, Y. A. High-Performance Multibit £-A CMOS ADC / Y. Geerts, M. Steyaert, W. Sansen // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2000. - P. 18291840.

66. Денисенко, В. Особенности субмикронных МОП-транзисторов [Электронный ресурс]. / В. Денисенко // Новости микроэлектроники. - 2007. - Режим доступа: http://www.chipnews.rU/html.cgi/arhiv/02_07/4.htm.

67. Гольцов, А. С. Теория автоматического управления / А. С. Гольцов. -Орел: ВИПС, 1998.- 169 с.

68. A New Algorithm for Statistical Circuit Design Based on Quasi-Newton Methods and Function Splitting / R. K. Brayton, S. W. Director, G. D. Hachtel, L. Vidigal // IEEE Transactions on Circuits and Systems. - 1979. - P. 784-794.

69. Biggs, M. C. Constrained Minimization Using Recursive Quadratic Programming / M. C. Biggs // Towards Global Optimization. - 1975. - P. 341-349.

70. Оценка точности источника опорного напряжения в технологии 0.18 мкм / Е.В. Сухотерин, Е.В. Невежин, Б.К. Петров, Д.В. Колесников // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы X междунар. науч.-практ. семинара. - Шахты, - 2013. - С. 69-74.

71.КМОП ИС задающего генератора стабилизацией частоты В. И. Золотаревский В. И., JI. И. Самотовка, Ю. Д. Мазалецкий, Б. А. Балай, Е. С. Товмач, А. Ф. Вощинкин // Технологии и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. - №6,- С. 69-74.