Автоматическая калибровка ЦАП на источниках тока

УДК 621.3

АВТОМАТИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА ЦАП НА ИСТОЧНИКАХ ТОКА А.В. Строгонов, С.В. Жигульский, В.С. Пожидаев

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал. В настоящее время для приборов проводных и беспроводных широкополосных систем связи, радарных и спутниковых подсистем требуются быстродействующие и достаточно точные цифро-аналоговые преобразователи с малой нелинейностью. Для получения необходимых характеристик ЦАП проводят производственную калибровку, но калибровка весов многоразрядных ЦАП на производстве не решает проблему его нелинейности, так как при дальнейшей эксплуатации происходит ухудшение его точностных характеристик. Как следствие, автоматическая калибровка стала неотъемлемой частью ЦАП, к которому предъявляются повышенные требования по быстродействию и разрешающей способности. Недостатки производственной калибровки не позволяют в современных условиях развития КМОП технологии получить ЦАП с высокой частотой преобразования и разрядностью больше 16 бит. В статье приведен способ автоматической калибровки линейности ЦАП, учитывающий недостатки существующих методов. Рассматриваемый метод основан на использовании подканальной области />-канального транзистора, выступающего в роли источника тока, в качестве второго затвора. Предложенное решение улучшает линейность ЦАП путем повышения точности источников тока при последовательном сравнении его весов

Ключевые слова: КМОП, ЦАП на источниках тока, самокалибровка, линейность

Введение

При создании высокоточных систем сбора данных используют ЦАП с разрядностью не менее 16 бит и частотой преобразования больше 500 МГц. Изготовление такого ЦАП требует больших усилий при проектировании, поскольку современные КМОП технологии не могут обеспечить достаточную согласованность элементов. Также необходимостью введения в схему высокоточного ЦАП механизма автокалибровки служит то, что при эксплуатации происходит ухудшение её точностных параметров. Основными причинами ухудшения параметров являются эффекты старения полупроводниковой структуры и влияние космической радиации [1,2]. Большая часть литературы по автокалибровке посвящена ЦАП, построенным на основе термометрического кода. А бинарные системы рассматриваются лишь в рамках конденсаторных ЦАП. Целью данной работы является разработка метода автокалибровки бинарного ЦАП на источниках тока.

Архитектура бинарного ЦАП

На рис. 1 показан бинарный ЦАП на двоично-взвешенных источниках тока. В транзисторной матрице ЦАП в роли источников тока выступают изолированные /»-канальные транзисторы. Такое решение позволяет получить высокое выходное сопротивление у источника тока, что является необходимым условием для корректной работы ЦАП. Изоляция подложки транзистора осуществляется посредством закрытого /-«-перехода р^ и п-

Строгонов Андрей Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: andreistrogonov@mail.ru Жигульский Серафим Вячеславович - ОАО "СКТБ ЭС", аспирант, e-mail: jiguls@yandex.ru

Пожидаев Вадим Сергеевич - ОАО "СКТБ ЭС", аспирант, e-mail: vadim.s.pozhidaev@gmail.com

кармана, в котором располагается р-канальный транзистор.

Данная архитектура отличается от классического решения одним дополнительным весовым источником тока I о, соответствующим младшему значащему разряду (МЗР). Он необходим, так как служит эталоном при сравнении с младшим весом ЦАП.

Каждый последующий вес ЦАП больше предыдущего в 2 раза. Но в процессе изготовления из-за технологических разбросов геометрических размеров и электрофизических характеристик транзисторов нарушается двоичное взвешивание токов, заложенное при проектировании. Это так же является причиной необходимости автоматической калибровки ЦАП.

Uo

Рис. 1. Блок схема ^разрядного ЦАП на источниках тока

Автоматическая калибровка ЦАП

Самым распространенным и простым методом калибровки является метод с использованием массивов калибровочных транзисторов для каждого веса. Но такой метод при разрядности ЦАП больше 16 требует достаточно большие площади на кристалле и усложняет аппаратную реализацию процедуры калибровки [3].

Более эффективным является техническое решение, основанное на использовании подканаль-ной области р-канального транзистора - источника

тока. На рис. 2 представлена базовая ячейка токового ЦАП. К подложке рМОП транзистора МО подключается выход устройства выборки и хранения (УВХ), на котором хранится корректирующее напряжение Ш. Транзисторы М1, М2 и М3 выступают в роли ключей ЦАП.

9h-

- Вых

- Вых -Сброс

Рис. 2. Базовая ячейка токового ЦАП на рМОП транзисторах

Блок-схема предлагаемого метода представлена на рис. 3. Процедура калибровки заключается в последовательном сравнении суммы предыдущих весов ЦАП с последующим. Для этого в схему ЦАП добавлен ещё один источник тока, соответствующий МЗР.

Рис. 3. Блок-схема, иллюстрирующая технику калибровки весовых токов

Для корректной работы схемы, а именно операции сравнения операционным усилителем, на выходы ЦАП включены преобразователи тока в напряжения. Первым сравниваются дополнительный вес и МЗР, далее их сумма сравнивается со вторым весом и т.д. Элементом сравнения служит операционный усилитель (ОУ), в обратной связи которого находится подложка источника тока, подключенная к выходу ОУ посредствам аналогового демультиплексора. Во время сравнения аналоговый демультиплексор подключает выход ОУ к УВХ, соответствующего разряда, и в него записывает корректирующее напряжение. Перевод схемы из режима преобразования в режим калибровки и последовательного переключения весов реализуется цифровой логикой управления. Необходимо отме-

тить, что время, необходимое для подгонки любого веса, намного меньше переключения цифровой логики. Таким образом, исключается возможная ошибка, вызванная не завершенной подгонкой одного из весов. Важной задачей в предложенном методе калибровки является выбор рабочего диапазона источников тока ЦАП и операционного усилителя, принимающего решение о подгонке источника тока в ту или иную сторону. Напряжение на подложке транзистора, соответствующего дополнительному весу ЦАП, определяет начальное значение, возле которого будут варьироваться напряжения на подложке остальных весов. Его же, в свою очередь, необходимо задавать из условия линейности операционного усилителя и желаемого значения тока младшего бита.

Выводы

Разработанный метод калибровки ЦАП позволит создавать системы цифровой обработки аналоговых сигналов с высокими показателями точности и быстродействия и предназначенным для использования в аппаратуре радио и проводной связи, систем радиолокации, систем обработки видеоизображений и т.д. Этот метод эффективнее классических решений, поскольку не требует больших площадей на кристалле и достаточно прост в реализации. Но в результате работы схемы самокалибровки появляется смещение нуля. Не смотря на то, что это смещение имеет линейный характер, оно может послужить причиной ошибки преобразования. Поэтому в калибровку ЦАП ещё необходимо включить схему коррекции смещения.

Литература

1. Эннс В.И. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем: краткий справочник разработчика/ В.И. Эннс, Ю.М. Кобзев. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 454 с.

2. Rudy J. Van de Plassche CMOS Integrated Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Converters / J. Rudy //Springer. 2003. 640 p.

3. Кононов В.С. Автоматическая калибровка многоразрядных КМОП-КНИ-ЦАП на источниках тока / В.С. Кононов. Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2016. -Т.12. -№2. -С. 72.

4. Кестер, У. Аналого-цифровое преобразование: монография / У. Кестер; пер. с англ. Е.Б. Володина. - М.: Техносфера, 2007. - С.1016

5. B. Razavi. Deign of Analog CMOS Integrated Circuits / B. Razavi. Tata McGraw-Hill, Delhi, 2002. 686 p.

Воронежский государственный технический университет

ОАО «Специализированное конструкторско-технологическое бюро электронных систем», г. Воронеж

AUTOMATIC CALIBRATION OF DAC IN CURRENT SOURCES

A.V. Strogonov1, S.V. Zhigul'skiy2, V.S. Pozhidaev3

'Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: andreistrogonov@mail.ru 2Graduate student, Specialized Design-Technological Bureau Of Electronic Systems, Voronezh, Russian Federation

e-mail: jiguls@yandex.ru

3Graduate student, Specialized Design-Technological Bureau Of Electronic Systems, Voronezh, Russian Federation

e-mail: vadim.s.pozhidaev@gmail.com

A digital-to-analog converter (DAC) is a device for converting a digital code into an analog signal. At present, for devices of wireline and wireless broadband communication systems, radar and satellite subsystems, high-speed and sufficiently accurate digital-to-analog converters with a small nonlinearity are required. To obtain the necessary characteristics of DACs, production calibration is performed; but calibration of the weights of multi-bit DACs in production does not solve the problem of their non-linearity, since in the further operation their accuracy deteriorates. As a result, automatic calibration has become an integral part of DACs, which is subject to increased requirements for speed and resolution. Shortcomings of production calibration do not allow, in the current conditions of CMOS technology development, to obtain a DAC with a high conversion frequency and a bit capacity of more than 16 bits. The article presents a method for automatic calibration of DAC linearity, taking into account the drawbacks of existing methods. The method under consideration is based on the use of a subchannel region of a p-channel transistor acting as a current source, as a second gate finger. The proposed solution improves the linearity of DACs by increasing the accuracy of current sources with a consistent comparison of its weights

Key words: CMOS, current-steering DAC, self-calibration, linearity

References

1. Enns V.I., Kobzev Yu.M. "Analog CMOS design. Engineer's handbook" ("Proektirovanie analogovyh KMOP-mikroskhem: kratkiy spravochnik razrabotchika"), Moscow, Hotline - Telecom (Goryachaya liniya - Telekom), 2005, 454 p.

2. Rudy J. van de Plassche "CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters", Springer, 2003, 640 p.

3. Kononov V.S. "Automatic calibration of multi-bit CMOS-SOI-DAC in current sources", Voronezh, The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2016, vol.12, no.2, pp. 72.

4. Kester W. "Analog digital conversion"

5. Razavi B. "Deign of analog CMOS integrated circuits", Tata McGraw-Hill, Delhi, 2002, 686 p.