Сигма-дельта модуляторы для высокоразрядных АЦП звукового диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Самонов, Андрей Александрович

• Самонов, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Самонов, Андрей Александрович

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Классификация и общая характеристика сигма-дельта АЦП.

1.1. Обзор.

1.2. Тенденции развития сигма-дельта АЦП звукового диапазона.

1.3. СФ блоки как интегральные повторно используемые блоки.

1.4. Преобразование с передискретизацией.

Выводы.

Глава 2. Формирование кривой распределения шума в различных архитектурах сигма-дельта модуляторов.

2.1. Модуляция сигнала.

2.2. Модуляция высокого порядка.

2.3. Альтернативные структуры сигма-дельта модуляторов.

2.4. Анализ шумовой характеристики сигма-дельта модуляторов высокого порядка, расчет коэффициентов, устойчивость преобразования.

Выводы.

Глава 3. Математический анализ сигма-дельта модуляторов АЦП с учетом их схемотехнической реализации.

3.1. Маршрут проектирования устройств смешанной обработки сигналов

3.2. Расчет архитектуры модулятора.

Выводы.

Глава 4. Состав и особенности схемотехники аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона.

4.1. Влияние технологических норм на проектирование аналогового ядра

4.2. Аналоговое ядро СФ блоков сигма-дельта АЦП звукового диапазона

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сигма-дельта модуляторы для высокоразрядных АЦП звукового диапазона»

Диссертация посвящена пронектированию аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП (СДАЦП) звукового диапазона высоких порядков, ориентированных на применение в СБИС «система на кристалле».

Применение микросхем смешанной обработки сигналов в современной электронике является особенно актуальным. Интенсивное развитие телекоммуникаций, интернета, мобильных устройств, телевидения привело к тому, что практически повсеместно в электронных системах используются как цифровые, так и аналоговые схемы.

Развитие технологии изготовления интегральных схем позволило на одном кристалле размещать все более сложные устройства, которые еще совсем недавно можно было реализовать только на печатной плате. Одной из задач современной российской микроэлектроники является создание СБИС типа «система на кристалле», поэтому разработка сложно-функциональных блоков (далее СФ блоков), на основе которых и строится «система на кристалле», является приоритетной задачей, от решения которой зависит: смогут ли отечественные производители конкурировать с ведущими мировыми производителями электронных компонентов.

Одними из наиболее массовых электронных компонентов за рубежом в настоящее время являются микросхемы и СФ блоки СДАЦП. В настоящее время наметилась тенденция применения сигма-дельта АЦП не только в наиболее часто используемой области обработки сигналов звукового диапазона, но и в более широком частотном диапазоне: как на более низких (медицина, геология), так и на более высоких частотах (обработка видео сигналов, беспроводная связь). Сигма-дельта преобразователи с разрешением 16 бит могут достичь скорости обработки 10 Мбит/с уже в текущем году, что переводит их в разряд высокоскоростных. Примером служит АЦП ADS 1605 фирмы Texas Instruments, имеющий скорость обработки 5 Мбит/с. Достижение столь высоких характеристик становится возможным, благодаря изменениям в алгоритмах обработки сигнала и созданию новых архитектур устройств.

Кроме того, в последнее время наметилась тенденция к развитию звуковых сигма-дельта АЦП с жесткой привязкой к конкретному назначению (узкоспециализированный АЦП). Так фирмой Zarlink Semiconductor разработан сигма-дельта АЦП с сигма-дельта модулятором 4-го порядка для использования с миниатюрными цифровыми микрофонами в мобильных телефонах.

В соответствии с основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу определены приоритетные направления политики РФ в области электронной компонентной базы (ЭКБ). Одним из приоритетов политики является освоение разработки, производства (воспроизводства) и совершенствование ЭКБ на основе прогрессивной отечественной технологии сложно-функциональных блоков (СФ блоков), по зарубежной терминологии IP блоки.

Одной из областей применения ЦАП и АЦП является обработка звуковых сигналов. Частота дискретизации таких сигналов невысокая (до 192 кГц). При этом разрядность сигнала составляет 16.24. Поэтому для их обработки используются ЦАП и АЦП на основе сигма-дельта модуляции.

Диссертация выполнена в рамках программы «Национальная технологическая база» по проектированию СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона (договор № 010/02-мэ от 1 марта 2002 г шифр «Тон-СФ» на тему «Разработка технологии проектирования семейства КМОП СФ -блоков звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле»).

В рамках программы необходимо было разработать универсальные, отлаженные методы и средства проектирования СДЦАП и СДАЦП (на начальном этапе - математические методы, программные методы выбора оптимальной структуры и т.д.), применение которых позволит сократить время разработки СДЦАП и СДАЦП с заданными характеристиками.

Методы и средства разработки СФ блоков СДЦАП и СДАЦП широко используются во всем мире, однако для российских производителей они являются недоступными по причине отсутствия соответствующей информации о них.

Сигма-дельта АЦП принято делить на две основные части: это аналоговый модулятор, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой, и цифровой фильтр-дециматр, оперирующий только с цифровыми сигналами с выхода модулятора. Наиболее критичным и, по сути, определяющим блоком любого сигма-дельта АЦП является сигма-дельта модулятор, так как именно он отвечает за формирование кривой распределения шума, то есть определяет такие показатели как сигнал/шум и эффективная разрядность. Задачей же цифрового фильтра-дециматора является определение полосы пропускания и уменьшение скорости выдачи цифровой информации с выхода АЦП с передискретизованной частоты до частоты дискретизации без потери информации.

Результаты диссертационной работы связаны с разработкой программ быстрого моделирования аналоговых сигма-дельта модуляторов с учетом реальных электрических параметров его компонентов, созданием набора библиотечных элементов для аналогового ядра сигма-дельта АЦП.

Цель диссертации - создание программно-аппаратных средств разработки аналогового ядра СДАЦП звукового диапазона с различными архитектурами модулятора и создание на их основе семейства звуковых СДАЦП с различными характеристиками.

Достижение данной цели предусматривает решение следующих задач: - классификация и анализ различных вариантов построения сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП, исследование их свойств и особенностей; разработка методики предварительного расчета шумовых характеристик АЦП; создание унифицированной программы, позволяющей выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора при обеспечении его устойчивости;

- создание набора библиотечных элементов аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона, для использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектировании сигма-дельта АЦП;

- разработка на основе предложенных методик аналоговых ядер СФ блоков сигма-дельта АЦП для их последующего интегрирования в СБИС типа «система на кристалле».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками.

2. Методика выбора критериальных параметров сигма-дельта модуляторов.

3. Конкретные схемотехнические решения аналоговых ядер сигма-дельта модулятора, реализованные по КМОП-технологии.

4. Результаты практического применения разработанных методов проектирования при создании СФ блоков сигма-дельта АЦП.

Научные результаты.

Основными научными результатами диссертации являются:

• создание и развитие методик предварительного расчета шумовых характеристик проектируемого сигма-дельта модулятора;

• обоснование эффективности выбранной архитектуры для конкретного набора требуемых характеристик, а также процесса проектирования модулятора с учетом влияния схемотехнического исполнения отдельных функциональных блоков, входящих в его состав;

• разработка моделей в среде Ма^аЬ аналоговых блоков, входящих в состав сигма-дельта модуляторов, позволяющих учитывать электрические особенности схем при расчете шумовых характеристик модулятора и выборе коэффициентов модулятора;

• создание методики расчета коэффициентов передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Апробация диссертации.

Основные результаты работы были доложены на научно-технических конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника», проходивших в Санкт-Петербурге в 2002-м году, в Костроме в 2003-м году, в Нижнем Новгороде в 2004-м году, в Вологде в 2005-м году, всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005». А так же на конференциях «Молодежь и Наука», проведенных в 2001-м и 2004-м гг.

Результаты работы по теме диссертации нашли отражение в нескольких научно-технических отчетах в рамках ОКР «Разработка технологии проектирования семейства КМОП СФ блоков звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле», № 010/02-мэ от 1 марта 2002 г, шифр «Тон-СФ».

Научная и практическая значимость работы.

Автору неизвестно о наличии законченных разработок СДАЦП звукового диапазона в России. Сведения о практическом опыте проектирования такого рода устройств в нашей стране практически отсутствуют. Получение же конкретных готовых зарубежных методик и программных пакетов для проектирования сигма-дельта преобразователей затруднительно, так как это, как правило, является конфиденциальной информацией фирм-разработчиков.

Диссертация носит комплексный характер и условно делится на две части: первая - разработка программ расчета структур сигма-дельта модуляторов АЦП звукового диапазона на основе оригинальной методики расчета параметров разрабатываемого сигма-дельта модулятора для АЦП с учетом реальных электрических характеристик устройств, вторая - создание набора библиотечных элементов для аналогового ядра сигма-дельта АЦП звукового диапазона для использования в различных схемотехнических решениях, применяемых при проектировании сигма-дельта АЦП.

Научная значимость состоит в следующем:

• разработаны модели в среде Matlab аналоговых блоков входящих в состав сигма-дельта модулятора, позволяющие учитывать электрические особенности схем при расчете передаточных характеристик модулятора и выборе набора коэффициентов модулятора.

• разработана методика проектирования аналогового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона на основе созданных автором программных средств, которые позволяют оперативно проектировать СДАЦП с заданными характеристиками;

• создана методика, позволяющая выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Практическая значимость заключается в том, что:

• создан набор библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона в среде САПР Cadence;

• разработана программа расчета рационального набора коэффициентов модулятора с учетом его конкретного схемотехнического исполнения. Расчет с помощью предложенной программы дает выигрыш во времени по сравнению с аналогичным расчетом в программе spectre в САПР Cadence по меньшей мере в 40 раз.

Результаты работы применяются при проектировании широкого класса КМОП СБИС типа «система на кристалле» и могут быть легко использованы при производстве микросхем сигма-дельта АЦП.

Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы.В первой главе излагаются обзор развития и применения сигма-дельта преобразования, тенденции развития современных преобразователей, использующих сигма-дельта преобразование.

Во второй главе рассматриваются вопросы формирования кривой распределения шума, устойчивости модуляторов высоких порядков. Описывается механизм модуляции в сигма-дельта модуляции. Рассматриваются различные архитектуры модуляторов и их сравнительные особенности.

Третья глава посвящена математическому моделированию сигма-дельта модуляторов, используемых в АЦП звукового диапазона. Анализируются параметры реальных электрических схем, влияющие на качество преобразования. Обосновываются модели, отражающие данные схемы. Описывается расчет архитектуры модуляторов сигма-дельта АЦП, приводятся основные результаты моделирования.

В четвертой главе рассматривается схемотехника аналогового ядра сигма-дельта АЦП, применявшаяся при проектировании семейства сигма-дельта АЦП звукового диапазона. Анализируются различные структуры интеграторов с точки зрения их влияния на качество преобразования модулятора.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Самонов, Андрей Александрович

Основные выводы и результаты

Работа носит комплексный характер и условно делится на две части: первая - разработка программ расчета структур сигма-дельта модуляторов АЦП звукового диапазона, вторая - создание набора библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона. Основной теоретический результат.

Предложена методика проектирования аналоговых ядер СДАЦП звукового диапазона, не уступающих по набору основных характеристик зарубежным аналогам для аудио применений, а также методика проектирования модулятора с учетом влияния схемотехнического исполнения отдельных функциональных блоков входящих в его состав. Обоснована оценка эффективности выбранной архитектуры для получения требуемых характеристик.

Частные теоретические результаты.

• Разработаны модели в среде Ма1;1аЬ аналоговых блоков, входящих в состав сигма-дельта модулятора, позволяющие учитывать электрические

И «МИГ

•тт

Аналоговое ядро особенности схем при расчете передаточных характеристик модулятора и выборе набора коэффициентов модулятора.

• Разработана методика, позволяющая выбирать и оптимизировать коэффициенты передаточной функции сигма-дельта модулятора для выбранной архитектуры модулятора.

Основной практический результат.

Разработано с использованием предложенных методик семейство аналоговых ядер для звуковых СДАЦГТ различных классов и семейство СФ блоков СДАЦП. Разработаны СФ блоки СДАЦП низшего и среднего классов по технологиям уровня 0,6 мкм и 0,25 мкм.

Частные практические результаты.

• Создан набор библиотечных элементов для аналоговых ядер сигма-дельта АЦП звукового диапазона в среде САПР Cadence.

• Разработана программа расчета рационального набора коэффициентов модулятора с учетом его конкретного схемотехнического исполнения. Расчет с помощью предложенной программы дает выигрыш во времени по сравнению с аналогичным расчетом в программе spectre в САПР Cadence по меньшей мере в 40 раз.

• Проведено экспериментальное исследование разработанных СФ блоков СДАЦП, доказывающее правильность защищаемых автором положений. Получены следующие характеристики: СДАЦП низшего класса (SNR=-72 дБ), СДАЦП среднего класса (SNR=-95 дБ). Для каждого из спроектированных СФ блоков была составлена документация в соответствии с ШИЛГ № 430109.004РМ.

Результаты диссертации были внедрены в ходе разработки аналоговых ядер СДАЦП среднего и низшего классов. Разработки внедрены на следующих предприятиях: НГУП НПЦ «Элвис» в проекте СБИС мультимедийного микропроцессора «Мультикам» в составе СФ блока звукового сигма-дельта АЦП низшего класса, о чем имеется акт о внедрении, и ЗАО ЦП «Ангстрем-СБИС» при выполнении ОКР «Тон-СФ».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Самонов, Андрей Александрович, 2005 год

1. U.S. Patent No 2,927,962. Transmission systems, employing quantization / Cutler C.C.- 3 p.: pic.

2. Inose H., Yasuda H., Murakami J. A telemetering system code modulation -A E modulation // IRE Trans. Space Elect. Telemetry.- 1962,- SET-8.-P.204-209.

3. Ф 5. Ritchie G.R. Higher order interpolation analog to digital converters:

4. Ph.D.Dissertation. University of Pennsylvania - 1977.

5. Candy J.C. A use of double integration in sigma-delta modulation// IEEE Trans.Commun. 1985. - Vol. 33. No. 3 - P. 249-258.

6. Lee W.L. A novel higher order interpolative modulator topology for high resolution oversampling A/D converters: Master's Thesis -Massachusetts Institute of Technology 1982.

7. Proceedings of the 1990 IEEE Int. Symp. Circuits Syst. 1990. - Vol. 1. -P. 372-375.

8. Carley R., Kenney J. A 16-bit 4th order noise-shaping D/A converter // IEEE Proc. Custom Integrated Circuits Conf. 1988. - P. 21.7.1-21.7.4.

9. Schouwenaars H.J., Groeneveld D. W. J. , Bastiaansen A. A. An oversampled multibit CMOS D/A converter for digital audio with 115-dB• dynamic range // IEEE J. Solid-State Circuits. 1991. - Vol. SC-26. - P. 1775-1780.

10. Тенденции развития микросхем и блоков со смешанной обработкой сигналов: Аннотационный отчет / ЗАО «Ангстрем-СБИС». -2005.- С. 4-50.

11. Norsworthy S.R., Schreier R., Temes G. С. Delta-Sigma Data Converters. Theory, Design, and Simulation // IEEE Press. 1997.- P. 476.

12. Temes G. C., Walden R. H., Catalepe T. Architectures for high-order multibit sigma-delta modulators // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Sys. -1990.- Vol. 2. P. 895-898.

13. Candy J.C., Benjamin O. J. The structure of quantization noise from sigma-delta modulation // IEEE Trans. Commun. 1981. - Vol. COIu-29.• P. 1316-1323.

14. AD 1871: Data sheet / Analog Devices Inc. Norwood, 2002. P.28.

15. Candy J. C. A use of limit cycle oscillations to obtain robust analog-to-digital converters // IEEE Trans. Commits. 1974. - Vol. COM-22. - P. 298-305.

16. Netravali A. Optimum filters for interpolative A/D converters // Bell Sys. Tech.X.- 1977. Vol. 56. - P. 1629-1641.

17. Candy J. C., Benjamin O. J. The structure of quantization noise from sigma-delta modulation // IEEE Trans. Commun. 1981. - Vol. COM-29. -P. 1316-1323.

18. Gray R. M. Quantization noise spectra // IEEE Trans. Inform. Theory.• 1990. Vol. IT-36. - P. 1220-1244.

19. Leung B. H., Neff R., Gray P. R. Area-efficient multichannel oversampled PCM voice-band coder // IEEE J. Solid-Slate Circuits. 1988. - Vol. SC-23.- P. 1351-1357.

20. Boser E., Wooley B. A. The design of sigma-delta modulation analog-to-digital converters // IEEE J. Solid-State Circuits. 1994. - Vol. SC-23. - P. 1298-1308.

21. Matsuya Y. , Uchimura K., Iwata A. , et al. A 16-bit oversampling A-to-D conversion technology using triple-integration noise shaping // IEEE J. Solid-State Circuits. 1987. - Vol. SC-22. - P. 921-929.

22. Logo L., Copeland M. A 13 bit ISDN-band oversampled ADC using two® stage third order noise shaping // IEEE Proc. Custom Conf. -1988. P.212.1-21.2.4.

23. Williams L. A., Wooley B. A. Third-order cascade sigma-delta modulators // IEEETrans. Circuits Sys. 1992. - Vol. CAS-38. - P. 489-498.

24. Leslie C., Singh B. An improved sigma-delta modulator architure // IEEE Proc. ISCAS 1990. - P. 372-375.

25. Adams R. W., Ferguson P. F., Ganesan A., et al. Theory and practical implementation of a fifth-order sigma-delta A/D converter // J. Audio Eng.• Soc. 1991. - Vol. 39. - P. 515-528.

26. Lee W. L., Sodini C. G. A topology for higher order interpolative coders // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Sys. 1987. - Vol. 4. - P. 459-462.

27. Welland D. R., Del Signore B. P., Swanson E. J., et al Stereo 16-bit delta-sigma A/D converter for digital audio // J. Audio Eng. Soc. 1989. - Vol.• 37. P. 476-486.

28. Ferguson P. F., Ganesan J. A., Adams R. W. One bit higher order sigma-delta A/D converters // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Sys. 1990. - Vol. 2. - P. 890-893.

29. Ardalan S.H., Paulos J. J. An analysis of nonlinear behavior in delta-sigma modulators // IEEE Trans. Circuits Sys. 1991. - Vol. CAS-34. - P. 593-603.

30. Chao H., Nedeem S., Lee W.L. A higher order topology for interpolative modulators for oversampling A/D conversion // IEEE Trans. Circuits Sys. -1990. Vol. Cas-37. - P. 309-318.

31. Brandt B.E., Wingard D.E., Wooley B.A. Second-order sigma-delta signal• acquisition // IEEE J. Solid-State Circuits. -1991. Vol. SC-26. - P. 618-627.

32. Adams R. W. Design and Implementation of an audio 18-bit analog-to-digital converter using oversampling techniques // J. Audio Eng. Soc. -1986.- Vol. 34.-P. 153-166.

33. Norsworthy S. R., Schreier R., Temes G.C. Delta-Sigma Data Converters. Theory, Design, and Simulation // CAS-S Liaison to IEEE Press. Jaime Ramirez-Angulo. 1997. - P. 476.

34. H. Inose and Y. Yasuda. // A unity bit coding method by negative• feedback. Proc IEEE. Vol. 51 pp. 1524-1535 (Nov. 1963)

35. Candy J. С. A use of double integration in sigma delta modulation // IEEE Tram.Commun. 1985. - Vol. COM-33. - P. 249-258.

36. Lee W. L., Sodini G. A topology for higher order interpolative coders // ProcIEEE Int. Symp. Circuits Syst. 1987. - Vol. 4. - P. 459-462.

37. Welland D. R., Tanaka Т., Hamashita K.,et al. Stereo 16-bit delta-sigma

38. A/D converter for digital audio // J. Audio Eng. Soc. 1989. - Vol. 37. -P. 476-486.

39. Ferguson P. F., Ganesan J. A., Adams R. W. One bit higher order sigma-delta A/D converters // IEEE Proc. ISCAS 1990. - Vol. 2. - P. 890-893.

40. Uchimura K., Iwata A., Kobayashi Т., et al. A 16-bit oversampling A-to-D conversion technology using triple-integration noise shaping // IEEE. Solid• State Circuits. 1987. - Vol. 22. - P. 921-929.

41. Longo L., Copeland M. A 13 bit ISDN-band oversampled ADC using two-stage third-order noise shaping // IEEE Proc. Custom Conf. 1988. - P. 21.2.1-21.2.4.

42. Rebeschini M., van Bavel R., Rakers P., et al. A 16-b 160 kHz CMOS A/D converter using sigma-delta modulation // IEEE. SolidState Circuits. -1990.-Vol. 25.-P. 431-440.

43. Harris F. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform // Proc. IEEE. 1978. - Vol. 66. - P. 51-83.

44. Рогаткин Ю.Б. // Некоторые особенности построения высокоточныханалоговых КМОП блоков. Сборник научных трудов. М.:Москва2002.-С.51-54.

45. Ален Ф., Санчес-Синенсио Э. Электронные схемы с переключаемыми конденсаторами / Пер. с англ. под ред. В.И. Капустяна.-М.: Радио и связь, 1989.-576с.

46. Рогаткин Ю.Б. КМДП интегратор на коммутируемых конденсаторах // Микроэлектроника. 2003. - №. 6. - С. 15 - 19.

47. Стенин В.Я. // Моделирование аналого-дискретных систем. Учебное• пособие. М.: МИФИ, 1989. - 92с.

48. Добровольский O.A., Самонов A.A. // Схемы цифровой коррекции сигма-дельта АЦП с многоразрядным квантователем. Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов. М.:Москва-2004. С. 80-84.

49. Самонов A.A., Добровольский O.A. // Структуры аналоговых интеграторов в сигма-дельта модуляторах. Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов. М.:Москва-2004. С. 8589.

50. Самонов A.A. // Функциональная модель сигма-дельта модуляторов АЦП на коммутируемых конденсаторах. Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов. М.:Москва-2004. С. 143147.

51. Сложно-функциональный блок моно сигма-дельта АЦП низшего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО "Ангстрем-СБИС". 2004. 37 с.

52. Сложно-функциональный блок стерео сигма-дельта АЦП среднего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО "Ангстрем-СБИС". 2004. 38 с