Автоматическая калибровка многоразрядных кмоп-кни-цап на источниках тока

УДК 681.324.687

АВТОМАТИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА МНОГОРАЗРЯДНЫХ КМОП-КНИ-ЦАП НА ИСТОЧНИКАХ ТОКА

В.С. Кононов

Рассмотрены недостатки производственной калибровки параметров КМОП-ЦАП. Показаны ограниченные возможности известных способов автоматической калибровки. Приведен новый способ автоматической калибровки, основанный на использовании входного тактового сигнала для получения набора двоично-взвешенных опорных напряжений

Ключевые слова: КМОП, ЦАП, источник, калибровка

При создании современных высокоточных систем сбора и распределения данных требуются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) с разрядностью не менее 16 бит и частотой преобразования до 500-1000 МГц. Проектирование и производство таких ЦАП является весьма сложной задачей. Даже наиболее продвинутые КМОП-технологии с воспроизводимостью 1-2 % не позволяют организовать производство большинства современных ЦАП без проведения калибровки параметров на заключительном этапе изготовления преобразователей. Однако на этом проблемы не заканчиваются. Как показала практика, при эксплуатации многоразрядных ЦАП (особенно в жестких условиях) происходит ухудшение точностных характеристик, несмотря на проведенную до этого производственную калибровку. Основными причинами такого ухудшения параметров являются эффекты старения полупроводниковой структуры и влияние одиночных частиц космического происхождения [1, 2].

Исходя из вышеизложенного стало понятно, что без применения автоматической калибровки наладить успешное проектирование и производство многоразрядных КМОП-ЦАП широкого назначения не представляется возможным.

Целью данной статьи является проведение анализа известных способов автоматической калибровки и разработка на его основе нового способа с более высокой эффективностью.

Применительно к нашему случаю на рис. 1 показан 1-разрядный КМОП-ЦАП на источниках тока [3].

Как видно из рис. 1, а источники тока являются двоично-взвешенными. Именно с этим обстоятельством связаны практические проблемы производства КМОП-ЦАП, для разрешения которых требуется автоматическая калибровка. Проще говоря, двоичное взвешивание токов, предусматриваемое при проектиро-

Кононов Владимир Сергеевич - ОАО «СКТБ ЭС», канд. техн. наук, науч. сотрудник, тел. 8(473) 223-46-79

вании топологии КМОП-ЦАП, нарушается в процессе изготовления из-за технологических разбросов геометрических размеров и электрофизических характеристик составляющих транзисторов (в нашем случае РМОП-транзисторов).

ип

И14

я ^ о_^

Вых Вых

а)

ип

Вых Вых

б)

Рис. 1. Блок-схема 1-разрядного ЦАП на источниках тока (а) и базовая ячейка такого ЦАП на РМОП-транзисторах (б):

ип - напряжение питания; Вых, Вых - токовые выходы

Самым простым и наиболее распространенным способом компенсации технологических разбросов является использование магазинов РМОП-транзисторов с разными размерами для каждого источника тока. В результате путем перебора РМОП-транзисторов подбирается один из них (или в сочетании с другими) с током стока, наиболее близким к заданному «весовому» току источника. Нетрудно догадаться, что при N > 16-18 бит размер каждого магазина должен быть достаточно большим, чтобы гарантировать высокую точность калибровки. Следствием такого требования является существенное возрастание площади кристалла и усложнение аппаратной реализации процедуры калибровки.

I

0

0

Более эффективным является новое техническое решение, основанное на использовании подканальной области РМОП-транзистора в качестве второго затвора при управлении током канала этого транзистора (рис. 2).

ип

и.

3

I 1с

ис

/\

ик

V

а)

ип - 0,8В ип б)

ик

Рис. 2. Схема включения транзистора (а) и электрическая зависимость (б), иллюстрирующие влияние подканальной области на ток стока 1с:

из, ис, ик - напряжения на затворе, стоке и подка-нальной области соответственно

Зависимость, показанная на рис. 2, б, отражает реальное влияние прямого смещения истокового перехода на ток стока. На практике эта зависимость с избытком перекрывает потребность в изменении тока стока при калибровке «весовых» токов. Здесь важно отметить, что прямое смещение истокового рп-перехода до ~ 0,5 В в КМОП-КНИ-структуре не приводит к нежелательным последствиям, в то время как в обычной КМОП-структуре на объемном кремнии такое смещение с большой вероятностью может привести к срабатыванию паразитного тиристора (особенно при воздействии космических излучений).

Рассмотренное техническое решение выгодно отличается от известных решений. Во-первых, это решение не требует использования магазинов транзисторов, которые занимают много места (особенно в старших разрядах). Во-вторых, аппаратные затраты на организацию калибровки, как следует из рис. 3, сводятся к использованию только одного резистора Rk для управления смещением подканальной области в каждом «весовом» РМОП-транзисторе, который располагается рядом с таким транзистором, а калибрующий ЦАП, задающий ток через резистор Rk, собирается на МОП-транзисторах с минимально-возможными размерами и выносится на периферию кристалла, не приводя к заметному увеличению размеров

базового КМОП-КНИ-ЦАП. При этом аппаратные затраты на организацию калибровки по известному способу существенно больше, так как каждый магазинный транзистор предполагает размещение рядом с ним дополнительного ключевого МОП-транзистора для его коммутации.

ип

из

с

ис

Як

Калибрующий ЦАП

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая аппаратную организацию калибровки КМОП-КНИ-ЦАП по новому способу

В заключение рассмотрим технику контроля «весовых» токов в процессе калибровки.

В отличие от производственной калибровки, когда решение о достаточности подстройки «весового» тока обычно принимается человеком, при автоматической калибровке такое решение «принимает» компаратор в результате сравнения «весового» тока с соответствующим ему опорным током, задаваемым исходя из условия двоичного взвешивания (см. рис. 1). Отсюда напрашивается предположение, что организацию автоматической калибровки можно свести к созданию необходимого набора источников опорных токов или соответствующего им набора источников опорных напряжений. Теоретически это выглядит достаточно простой задачей. Однако, если учесть, что для создания источников опорных напряжений при N > 16-18 бит необходимы высокостабильные устройства, которые на практике сами нуждаются в периодической калибровке, причем далеко не тривиальной, то такая задача не находит приемлемого решения.

Выход из создавшегося положения можно найти, если воспользоваться техникой подкачки заряда в системах фазовой автоподстройки частоты [4]. Тогда для получения ^го количества источников опорных напряжений необходимо поделить частоту входного тактового сигнала последовательно на 2, 4, 8, ..., N а затем с помощью генератора одиночных импульсов (ГОИ) и зарядовой помпы на ЯС-элементах преобразовать напряжение на конденсаторе внапряжение на опорном входе компаратора (рис. 4). ГОИ необходим для обеспечения контролируемого изменения скважности сигнала на входе ЯС-цепи.

>И

Рис. 4. Блок-схема, иллюстрирующая технику калибровки «весовых» токов: ТС - тактовый сигнал; Вых - выход компаратора для контроля процесса калибровки; I - «весовой» ток

В результате калибровка «весовых» токов будет сводиться к достижению равенства напряжений на резисторах Ro и Ro, которые выбираются одинаковыми = Ro = Яо).

Так как напряжение на конденсаторе зависит только от скважности сигнала на входе ЯС-цепи и не зависит от частоты этого сигнала, то, используя для деления частоты набор триггеров Т-типа, можно получить соответствующий набор опорных напряжений на резисторе Ro, которые практически не нуждаются в какой-либо подстройке. При этом сам факт независимости опорных напряжений от частоты тактового сигнала делает рассмотренный подход чрезвычайно привлекательным при организации автоматической калибровки.

Выводы. Предложенный способ калибровки, основанный на использовании подка-нальной области МОП-транзистора в качестве второго затвора, отличается чрезвычайно низкими затратами площади кристалла на разме-

щение средств калибровки (вместо магазина транзисторов требуется всего лишь один резистор) и достаточно простой аппаратной реализацией алгоритма калибровки.

Литература

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов [Текст] / С. Зи. - М.: Мир, 1984. - Т. 1. - 456 с.

2. Анашин В.С. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов [Текст] / В.С. Анашин, В.В. Бодин, В.Ф. Герасимов [и др.]; под науч. ред. докт. техн. наук, проф. Г.Г. Райкунова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 256 с.

3. Кестер, У. Аналого-цифровое преобразование [Текст] : монография / У. Кестер; пер. с англ. Е.Б. Володина. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.

4. Baker R.J. CMOS: Circuit Design, Layout and Simulation [Text] / R.J. Baker - IEEE Press, 2005. - 1039 p.

R

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

AUTO-CALIBRATION TECHNIQUE FOR MULTIBIT CMOS-SOI-DAC WITH CURRENT SOURCES

V.S. Kononov

Disadvantages of factory calibration of CMOS-DAC parameters are considered. Limited abilities of known auto-calibration techniques are shown. A new auto-calibration technique is offered, based on usage of input clock signal to provide set of binary-weighted voltage references

Key words: CMOS, DAC, source, calibration