Аналого-цифровые преобразователи конвейерного типа с пониженной потребляемой мощностью

• Автор: Гуменюк, Антон Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 216 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ КОНВЕЙЕРНЫХ АЦП

1.1 Аналогоцифровые преобразователи конвейерного типа

1.1.1 Принципы работы конвейерных преобразователей

1.1.2 Традиционная конвейерная архитектура

1.2 Методы снижения потребляемой мощности АЦП.

1.2.1 Оптимизация традиционной архитектуры

1.2.2 Схемотехнические методы.

1.3 Теоретический предел энергопорсблсния конвейерных АЦП.

1.4 Характеристики современных промышленных КМОП АЦП
1.5 Распределенное питание СНК
1.6 Выводы
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ БЛОКОВ АЦП.
2.1 Устройства выборкихрапения.
2.1.1 Простейшее устройство выборкихранения
2.1.2 Методы повышения точности базовой схемы УВХ.
2.1.3 УВХ с переворачивающимся конденсатором
2.1.4 УВХ с перераспределением заряда.
2.1.5 Сравнение УВХ по динамическим и шумовым характеристикам
2.1.6 Теоретический предел потребляемой мощности УВХ
2.2 Многофункциональные умножающие ЦАП
2.2.1 Передаточная функция МЦАГ1
2.2.2 Теоретический предел потребляемой мощности МЦАП.
2.2.3 Компараторы в традиционной архитектуре АЦП
2.2.4 Архитектура АЦП с уменьшенным числом блоков компараторов
2.2.5 Выводы
2.3 Выводы..
3. СНИЖЕНИЕ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ АЦП С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОЙ АВТОКАЛИЬРОВКИ
3.1 Общий алгоритм авто калибровки
3.2 Самотестирование МЦАП.
3.3 Калибровочные коэффициенты
3.4 Калибровка коэффициента усиления АЦП
3.5 Точность калибровки.
3.6 Эффекг снижения потребляемой мощности АЦП.
3.7 Выводы
4. РАЗРАБОТКА КОНВЕЙЕРНЫХ АЦП С ПОНИЖЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ТОКА.
4.1 Разработка СФблоков АЦП средней скорости и разрядности.
4.1.1 СФблок 7битного АЦП с быстродействием Мвыбс.
4.1.2 СФблок 9битного АЦП с быстродействием Мвыбс и низким
энергопотреблением.
4.2 Разработка быстродействующего АЦП высокой точности.
4.2.1 Определение требований к параметрам блоков АЦГ1
4.2.2 Первый прототип АЦП
4.2.3 Быстродействующий АЦП с пониженным потребляемым током и
калибровкой.
4.3 Выводы.
5. РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙ ОГО РЕГУЛЯТОРА АПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ
УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ СНК.
5.1 Разработка СФблока ЛРН традиционной архитектуры.
5.1.1 Архитектура.
5.1.2 Требования к компонентам системы
5.1.3 Схемотехнические особенности разработанного ЛРН.
5.1.4 Характеристики разработанного ЛРН.
5.2 Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Принцип построения УВХ и МЦАП на переключаемых конденсаторах. Схемы УВХ и МЦАП содержат операционные усилители (ОУ), которые имеют наибольшую потребляемую мощность по сравнению с другими элементами. Это связано со следующими обстоятельствами. Осуществление высокоточного преобразования с низким уровнем шума диктует необходимость использовать в таких схемах конденсаторы относительно большой емкости. Перезарядка их с высокой скоростью обусловливает значительные уровни переключаемых токов и потребляемой мощности. Малоразрядные АЦП, входящие в состав всех каскадов и содержащие обычно от 2 до 7 компараторов, потребляют меньшую мощность, чем операционные усилители. Это объясняется тем, что наличие цифровой коррекции позволяет применить простые схемы компараторов с низким разрешением и, соответственно, низким уровнем энергопотребления [5]. Таким образом, основные пути снижения энергопотребления конвейерных АЦП связаны с модернизацией архитекту ры аналоговых узлов, прежде всего, с сокращением числа и динамическим управлением структурой быстродействующих операционных усилителей в тракте обработки сигнала. Способы снижения энергопотребления конвейерных КМОП АЦП можно условно разделить на две группы (рис. Рис. Классификация методов снижения потребляемой мощности конвейерных КМОП АЦП. В первую группу включены методы, направленные на структурную и параметрическую оптимизацию традиционной конвейерной архитектуры. К структурным методам можно, например, отнести исключение из тракта обработки сигнала входного УВХ. К параметрическим методам относятся масштабирование и оптимизация разрядности каскадов. Способы, отнесенные ко второй группе, используют оригинальные схемные решения, дающие возможность или снизить до минимума потребляемую мощность ОУ в каскадах АЦП, например, путем эффективного динамического перераспределения энсргоресурса между элементами, или даже совсем исключить операционные усилители из МЦАП. Метод масштабирования каскадов (stage scaling) широко применяется для оптимизации схем конвейерных АЦП [5, 4]. В его основе лежит то, что вклад погрешности каждого каскада в суммарную ошибку преобразования уменьшается с увеличением номера каскада. Сх - коэффициент усиления /-каскада. Если все каскады идентичны, то погрешность первого каскада является доминирующей. Составляющими погрешности каскадов являются тепловой шум и случайный разброс емкостей конденсаторов. Б - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, С - емкость конденсатора. Отсюда следует ограничение на минимальный размер используемых конденсаторов. Увеличение емкостей конденсаторов с целью снижения уровня шумов приводит к необходимости увеличения выходных токов ОУ. Результатом является повышение энергопотребления схемы. Это одно из фундаментальных ограничений уровня минимальной потребляемой мощности АЦП [9]. Однако каскады не обязательно должны быть идентичными. Значительная экономия энергоресурса и занимаемой площади может быть достигнута при такой методике проектирования, когда размеры конденсаторов масштабируются -уменьшаются при увеличении номера каскада [5]. Шумовой вклад всех каскадов можно сделать одинаковым, что достигается выбором коэффициента масштабирования равным С? Это, однако, чрезмерно завышает требования к первому каскаду. С. Анализ показывает, что оптимальная с точки зрения минимизации потребляемой мощности величина коэффициента масштабирования находится в пределах от О до О []. Масштабирование можно применить и к другим компонентам АЦП» в частности, к ОУ, снижая коэффициент усиления и полосу пропускания от каскада к каскаду. Несмотря па то, что коэффициент масштабирования ОУ меньше, чем коэффициент масштабирования конденсаторов, метод позволяет достичь дополнительной экономии энергоресурса. Из-за трудоемкости индивидуального проектирования всех каскадов АЦП обычно ограничиваются масштабированием первых четырех из них. Следует отметить, что чрезмерное снижение номиналов конденсаторов нежелательно, поскольку приводит к повышению влияния паразитных емкостей, в частности, входной емкости операционных усилителей.