Разработка аналого-цифровых преобразователей КМОП-типа с повышенной стойкостью к воздействию электрических помех, радиации и тяжелых заряженных частиц

• Автор: Кононов, Владимир Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 187 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. БАЗОВЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ И АРХИТЕКТУРЫ АЦП. ПОГРЕШНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И СТОЙКОСТЬ АЦП К ВОЗДЕЙСТВИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОМЕХ,

РАДИАЦИИ И ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

1.1 Базовые методы преобразования аналоговых сигналов

1.1.1 Метод прямого преобразования

1.1.2 Метод аналоговой свертки

1.1.3 Метод многоступенчатого преобразования

1.1.4 Метод последовательного приближения

1.2 Базовые архитектуры АЦП

1.2.1 Архитектура параллельного АЦП
1.2.2 Архитектура АЦП с аналоговой сверткой
1.2.3 Архитектура многоступенчатых АЦП
1.2.4 Архитектура АЦП последовательного приближения
1.3. Погрешности преобразования аналоговых сигналов
1.3.1 Погрешности постоянного тока
1.3.2 Погрешности переменного тока
1.4. Стойкость АЦП к воздействию радиации и тяжелых заряженных частиц
1.4.1 Одиночные сбои (SEU)
1.4.2 Одиночные события радиационного защелкивания (SEL)
1.4.3 Одиночный эффект прерывания функционирования (SEFI)
1.4.4 Одиночный эффект вторичного пробоя в МОП-транзисторах (SES)

1.4.5 Одиночные события, связанные с импульсной переходной
ионизационной реакцией (SET)
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИНТЕРПОЛЯЦИИ И СИНХРОНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ И 8-РАЗРЯДНОГО КМОП-АЦП С БЕЗКОНДЕНСАТОРНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ НА ЕГО ОСНОВЕ
2.1. Способ интерполяции и синхронизации процесса
преобразования
2.2. Архитектура 8-разрядного КМОП-АЦП
2.3. Схемотехнические и конструкторские решения основных блоков 8-разрядного КМОП-АЦП с КНИ-подложкой
2.3.1 Компаратор
2.3.2 Интерфейс для электрической компенсации смещения в
предусилителях компараторов
2.3.3 Источник опорного напряжения
2.4. Результаты моделирования
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ЦИФРОВОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВХОДНОГО АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА И МНОГОРАЗРЯДНЫХ КМОП-АЦП НА ЕГО ОСНОВЕ
3.1. Способ цифрового прогнозирования и базовые архитектуры
КМОП-АЦП
3.2. Схемотехнические решения основных блоков КМОП-АЦП разрядностью 12 и 16 бит
3.2.1 Секционные усилители и аналоговые вычитатели
3.2.2 Секционные АЦП
3.2.3 Секционные ЦАП
3.2.4 Секционные УВХ и остальные блоки
3.3. Результаты моделирования
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И СТОЙКОСТИ 8-РАЗРЯДНОГО КМОП-АЦП К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИИ И ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
4.1 Исследование погрешностей преобразования аналоговых сигналов
4.1.1 Методика исследования параметра Ucm
4.1.2 Методика исследования параметров DNL и INL
4.1.3 Методика исследования параметров SNR и SFDR
4.1.4 Результаты исследования погрешностей преобразования аналоговых сигналов
4.2 Исследование влияния электрических помех
4.3 Исследование стойкости к воздействию радиации и тяжелых заряженных частиц
4.3.1 Исследование влияния импульсной радиации
4.3.2 Результаты исследования влияния импульсных
излучений
4.3.3 Исследование влияния тяжелых заряженных частиц
4.3.4 Результаты исследования влияния тяжелых заряженных
частиц
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

1.3.2 Погрешности переменного тока
Погрешности переменного тока обусловлены шумами, гармоническими искажениями и случайными сбоями, имеющими различное происхождение. Шумы- бывают нескольких разновидностей: тепловые шумы, шумы
преобразования и фазовые шумы. Основным источником тепловых шумов являются резисторы в широкополосных цепях внутри АЦП. К шумам преобразования относятся шумы квантования, а также электрические шумы, обусловленные резистивно-емкостной связью по поверхности кристалла АЦП и по его подложке. Как показано в [3], в КНИ-структурах с заземленной подложкой вклад подложки в распространение шумов минимален по сравнению с объемным кремнием.
Фазовые шумы обусловлены дрожанием стробов синхронизации (внешних и внутренних), а также вторичным дрожанием апертуры УВХ, порожденным дрожанием этих стробов.
Для оценки полного шума АЦП обычно пользуются полуэмпирическим выражением [2]:
SNR = —201g[(2rcfatRMS)2 + (2/3)((1 + e)/2n)2 + (21'5VuiRMs/2n)2]0'5, (1.8) где SNR - отношение сигнал/шум, fa - частота полношкального синусоидального сигнала на входе АЦП, t^s - совокупное RMS дрожание апертуры и стробов синхронизации, 8 - среднее значение дифференциальной нелинейности АЦП, N - число разрядов АЦП, Viurms - эффективный входной шум АЦП.
Гармонические искажения являются следствием неидеальности
передаточной характеристики АЦП. Интегральная нелинейность приводит к
искажениям, амплитуда которых изменяется в зависимости от амплитуды
входного сигнала. Дифференциальная нелинейность порождает искажения,
которые зависят не только от амплитуды сигнала, но и от положения ошибки,
вызванной дифференциальной нелинейностью на передаточной
характеристике АЦП [2]. Например, если ошибка будет находиться вблизи