Обзор основных тенденций в области моделирования ЦАП

20

раздел ФИЗИКА и ТЕХНИКА

УДК 519.713

ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТЕНДЕНЦИЙ В ОБЛАСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦАП Максутов А.Д., Ибрагимова Г.Н.

За последние годы совершенствование технологии цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) расширило сферу применения цифровых методов. Отсюда и растущий интерес к этой тематике со стороны как исследователей, так и производителей. В статье дается обзор основных тенденций в области моделирования ЦАП.

Вычислительная мощность цифровых систем экспоненциально возрастает при всё меньшем увеличении их стоимости. При таком изобилии вычислительных ресурсов многие задачи, решавшиеся ранее с помощью аналоговой техники, начали новую жизнь в цифровой области. Наиболее важные применения — проигрыватели компакт-дисков, телекоммуникационные системы, звуковые платы компьютеров, цифровые средства измерений, графические адаптеры компьютеров [1].

Однако реальный мир был и остается аналоговым. Для того чтобы привнести в него цифровую обработку и ее преимущества, необходимо сначала преобразовать аналоговый сигнал в форму, приемлемую для компьютерной обработки. Это функция аналого-цифровых преобразователей (АЦП). После обработки с помощью компьютера или цифрового сигнального процессора (ЦСП) результирующий цифровой поток информации должен быть возвращен в ее аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Приведенная снова в аналоговую форму, информация может быть воспринята органами чувств человека, чаще всего зрением и слухом.

Быстрое распространение появляющихся образцов высокого качества для связи, измерений и индустрии развлечений требуют создания ЦАП с более высокими быстродействием и точностью, поэтому их проектирование и тестирований все более усложняются [2]. В силу этого исследования в области моделирования ЦАП почти всегда направлены на помощь разработчикам в создании преобразователей с наилучшими показателями по быстродействию и точности.

В работе [3] описаны два метода моделирования ЦАП на основе теории вейвлет-преобразования. Предлагаются макромоделирование с использованием пассивных компонентов и сумматоров, а также математические соотношения, описывающие базисные функции вейвлет-преобразования. Для моделирования динамики ЦАП с помощью вейвлет-теории, необходимо сначала определить базисные функции. В этих целях выходной сигнал ЦАП анализируется во временной и частотной областях. Предлагаемая базисная блок-схема для моделирования ЦАП включает в себя генератор коротких импульсов, генератор затухающей сину-

соидальной волны, генератор экспоненциальной функции и сумматор. Что касается ЦАП с переключением токов, то в нескольких работах были предложены различные модели интегральной нелинейности (Integral NonLinearity - INL) как функции дисперсии рассогласования источника тока. Однако большинство этих методов не в состоянии с достаточной точностью описать статистическое поведение INL и дифференциальной нелинейности (Differential NonLine-arity — DNL), и учесть влияние сегментирования на INL и DNL. В работе [4] показано, что сегментирование источников тока влияет на статистическое поведение INL и DNL. Более того, были предложены регрессионные модели DNL и INL, предназначенные для оценивания требования по согласованию источника тока в ЦАП с переключением токов как функции сегментационного отношения. Показано также, что при более чем двух сегментированных разрядах INL становится ограничивающим фактором.

Для ЦАП с переключением токов различие запаздываний переключения источников тока является причиной одной из наиболее важных составляющих погрешности нелинейности. В работе [5] предложена математическая модель, объясняющая влияние различий запаздываний переключения на SFDR термометрического ЦАП. Проведенный в этой работе теоретический анализ показывает, что различия запаздываний переключения нескольких источников тока ограничивают динамический диапазон без помех (Spurious Free Dynamic Range - SFDR) ЦАП даже при весьма низкой частоте сигнала. В соответствие с этим результатом разработчикам предлагается уменьшить различия запаздываний переключения или определить некоторое оптимизированное распределение запаздываний для улучшения характеристики ЦАП.

В прошлом для борьбы со статическим рассогласованием ЦАП с переключением токов предлагался метод подбора динамического элемента. Однако при этом мало внимания обращали на динамические погрешности. В работе [6] представлены несколько реализаций, направленных на уменьшение динамических погрешностей без деградации характеристики из-за источников статистических погрешностей. С помощью модели динамической погрешности в этой работе

Вестник Башкирского университета.2006.№4.

21

анализируются динамические погрешности ЦАП с переключением токов и показывается, что они влияют на нелинейность иначе, чем погрешности статического рассогласования.

Работа [7] направлена на облегчение автоматизации проектирования схем будущих ЦАП с переключением токов. Для получения зависимостей между конструктивными параметрами транзисторов и статическими и динамическими моделями в ней рассмотрены две топологии ячеек источника тока: простая и каскадная. С одной стороны, ко всем транзисторам цепи-источника тока применяется статистический анализ рассогласования. Это позволяет определить конструктивные соотношения, связывающие параметры схемы со спецификациями ЦАП без необходимости в произвольных конструктивных пределах или моделировании с помощью метода Монте-Карло. С другой стороны, улучшенный анализ характеристик переключения источников тока обеспечивает более реалистичное моделирование зависимости между размерами транзисторов, и временем установления выходного тока. Включив эти две улучшенные модели в обычную процедуру проектирования, можно аналитически определить размеры схемы для обеспечения оптимального времени установления и правильного статического режима, что приведет к уменьшению площади источников тока и, следовательно, к уменьшению площади всего ЦАП.

Влияние нелинейностей на разрешение ЦАП исследовано в работе [8]. Предложены экспонен-

циальная и синусоидальная модели для исследования падения отношения полного сигнала к полному уровню шумов и искажений (Signal to Noise And Distortion ratio — SINAD). Эти модели применялись для исследования ухудшения характеристики многоразрядного ЦАП, используемого в архитектуре синтезатора частот. Из полученных в [8] результатов следует, что для ЦАП с разрешением менее 8 разрядов не нужно пренебрегать амплитудными погрешностями, поскольку они существенно влияют на снижение точности выходного сигнала синтезатора. Однако, использование по меньшей мере 8 разрядов означает большую площадь кристалла и более сложную схематику, поскольку может потребовать применения методов компенсации. Авторы предлагают использовать в синтезаторе одноразрядный ЦАП с S — А -структурой, поскольку его передаточная функция существенно линейна, а разрешение может быть настроено путем изменения рабочей частоты и одного единственного опорного напряжения.

В ЦАП часто используются сегментированные архитектуры. Структура ЦАП, основанная на рекурсивной декомпозиции N-разрядного двоичного ЦАП на два (N- 1)-разрядных и один 1-разрядный предложена в работе [9]. Для выработки оптимального сегментирования была исследована модель ЦАП, учитывающая погрешности согласования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Daponte Р. Special Issue on DAC modelling and testing // Measurement. 2002. Vol. 31. №3

2. Macci D. A novel approach for testing and improving the static accuracy of high performance digital-to-ana-log converters // Proc. of 8th Int. Workshop on ADC Modelling and Testing. Perugia. Italy. Sept. 1003. P. 197-200.

3. Doyle 1.Т., Young J.L., Yang-Bin K. An accurate DAC modeling technique based on wavelet theory// Proc. of CICC'03. San Jose, CA, USA. Sept. 2003. P. 257-160.

4. ^suran M., Vankka J., Teikari I., Holonen K. DNL and INL yield models for a current-steering D/A converter // Proc. of ISCAS'03. Bangkok, Thailand. May 2003. Vol. 1. P. 969-972.

5. Chen T., Gielen G. Analysis of the dynamic SFDR property of high-accuracy current-steering D/A converters // Proc. Of ISCAS'03. Bangkok. Thailand. May 2003. Vol. 1. P. 973-976.

6. De Maeyer J., Rombauts P., Weyten L. Addressing static and dynamic errors in unit element multibit DACs // Electronics Letters. 2003. Vol. 39. No. 14. P. 1038-1039.

7. Albiol M., Gonzalez J. L., Alarcon E. Mismatch and dynamic modeling of current sources in current-steering CMOS D/A conveners: an extended design procedure // IEEE Trans, on Circuits and Systems. 2004. Vol. 51. No. 1. P. 159-169.

8. Albrecht S. Gothenberg A., Sumi Y., Tenhunen H. A study of nonlinearities for a frequency-locked loop principle [frequency synthesizer application] // Proc. of Southwest Symp. on Mixed-Signal Design. Las Vegas. NV. USA. Feb. 2003. P. 71-75.

9. Andersson K.O., Andensson N.K, Vesterbacka M., Wikner J.J. A method of segmenting digital-to-analog converters // Proc. of Southwest Symp. on Mixed-Signal Design. Las Vegas, NV, USA. Feb. 2003. P. 32-37.

Поступила в редакцию 22.09.06 г.