Автоматическая калибровка усилителей в составе АЦП

Радиотехника и связь

УДК681.324.687

АВТОМАТИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА УСИЛИТЕЛЕЙ В СОСТАВЕ АЦП © 2017 В.С. Кононов, С.И. Рембеза

В работе описана техника калибровки усилителей различного типа, применяемых при создании аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Рассматриваемая техника предназначена для калибровки усилителей в режиме удаленного доступа при длительной эксплуатации АЦП в «жестких» условиях, когда из-за эффектов естественного старения полупроводникового материала и его деградации под воздействием внешней среды характеристики усилителей могут претерпевать значительные изменения. Предложенная техника калибровки основана на использовании аппаратных средств, обеспечивающих автоматическую калибровку напряжения смещения на входах усилителей и синфазного напряжения на их выходах. Отмечено, что применение этой техники в отличие от наиболее распространенной лазерной подгонки и электрического программирования плавких перемычек не приводит к снижению ресурса работоспособности АЦП и поэтому она востребована в первую очередь при создании конвейерных АЦП, которые преобладают в производстве современных преобразователей. Предложенные технические решения для построения аппаратных средств основаны на использовании набора защелок D- и SR-типов, генераторов одиночных импульсов, дешифраторов, программируемых токовых зеркал и делителей напряжения, которые позволяют эмулировать процесс калибровки путем автоматического изменения 4-разрядного кода, генерируемого внутри кристалла АЦП, а затем после подбора необходимых значений компенсационного тока смещения или коммутирующего напряжения зафиксировать этот код. Отмечено, что применение рассмотренных аппаратных средств не приводит к существенному увеличению площади кристалла АЦП

Ключевые слова: калибровка, усилитель, напряжение, смещение

Введение

В АЦП используются несколько типов усилителей, в том числе буферные усилители, предварительные усилители в составе компараторов, разностные усилители сигналов «остатков» и другие усилители [1]. Как и большинство известных аналоговых устройств усилители обладают повышенной чувствительностью характеристик к технологии изготовления и режимам эксплуатации, особенно при эксплуатации в «жестких» условиях, когда из-за эффектов естественного старения полупроводникового материала и его деградации под воздействием внешней среды характеристики усилителей могут значительно измениться.

Для их стабилизации применяются различные аппаратные средства и специальные интерфейсы, которые позволяют осуществлять калибровку в условиях удаленного доступа [2 - 4].

Особый интерес представляет создание аппаратных средств для калибровки конвейерных АЦП, в которых используется наибольшее число усилителей по сравнению с другими типами АЦП и по этой причине требуется повышенное внимание к реализации таких средств

без значительного увеличения площади кристалла.

В данной статье описывается один из возможных подходов к созданию средств автоматической калибровки напряжения смещения и синфазного напряжения на выходе усилителя. Калибровка этих характеристик наиболее востребована при создании конвейерных АЦП.

Описание техники калибровки

Для иллюстрации предлагаемого подхода воспользуемся блок-схемой двухкаскадного дифференциального усилителя, наиболее часто используемого при вычислении сигнала «остатка» (рис. 1).

Вх_ Вх+

Блок калибровки смещения

V

/

Блок калибровки синфазного напряжения

Вых_ Вых+

Кононов Владимир Сергеевич - АО «СКТБ ЭС», канд. техн. наук, инженер-конструктор I категории, тел. 8(473) 223-46-79, e-mail: casandra1983@mail.ru Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8(473) 243-76-95

Рис. 1. Блок-схема двухкаскадного усилителя

Калибровка смещения осуществляется по схеме (рис. 2), которая позволяет зафиксировать знак смещения, а затем с помощью токового дешифратора обеспечивает подбор необходимой величины тока для компенсации этого смещения.

и„

С2

к выходам 1-го каскада усилителя А А

т

.V

С1

.V

V

ЛЗ ГОИ

ЛЗ ГОИ+

С2 С1

Аз

А2

А1

Ао

Б-З

г-

Б-З I

ДШ т 1

Б-З 16:4 1 1

Б-З т

Я

Rо,l

Рис. 2. Блок калибровки смещения: З - высокочувствительная защелка; ЛЗ - линия задержки; ГОИ, ГОИ+ - генераторы одиночных импульсов, срабатывающие по обоим фронтам входного сигнала (ГОИ) или только по переднему фронту (ГОИ+); Б-З, БЯ-З - тактируемые защелки Б-и БЯ-типов; ДШ - токовый дешифратор; Я01-Я016 - токозадающие резисторы; А0-А3 - код калибровки; ивых + , ивых- - средние значения напряжений на выходах усилителя; С1 - тактовый сигнал; С2 - сигнал выборки;

ип - напряжение питания

Процесс калибровки смещения производится при С2 = 1. По импульсу С1 = 0 высокочувствительная защелка З и верхняя защелка Б-З последовательно устанавливаются в состояния, определяемые средними напряжениями и вых+ , и вых_ на выходах усилителя (рис. 1), при которых открывается один из двух транзисторов, подключенных к выходам первого каскада этого усилителя. В исходном состоянии напряжение на стоке открытого транзистора будет выше по сравнению с напряжением на стоке закрытого транзистора.

После этого через открытый транзистор пропускается компенсационный ток, который подбирается изменением кода {А0, Аь А2, А3}. В результате напряжение на стоке открытого транзистора будет постепенно снижаться, приводя к выравниванию и , и .

При смене знака разности этих напряжений защелки З и БЯ-З переключатся, после чего защелки Б-З на входе токового дешифратора перейдут в режим хранения текущего кода,

фиксируя таким образом состояние дешифратора. На этом процесс калибровки смещения завершается.

Калибровка синфазного напряжения осуществляется по схеме (рис. 3), которая имеет некоторые отличия от схемы (рис. 2), но техника калибровки при этом сохраняется.

Как и в первом случае по импульсу С1 = 0 при С2 = 1 защелка З и левая защелка Б-З устанавливаются в состояния, определяемые синфазным напряжением исфф на выходе усилителя до калибровки и опорным напряжением исфоп, которому должно равняться синфазное напряжение после калибровки.

Так как выход упомянутой защелки соответствует старшему разряду кода {А0, Аь А2, А3}, то при А3 = 0 напряжение на выходе схемы будет снижаться с ростом значения этого кода, а при А3 = 1, наоборот, повышаться.

и

в ых-

З

и

С2

Цсфф Ц"сфоп

С1

Т

.V

.V

.V

ЛЗ

ЛЗ

Б-З

А

А1

Ао

ГОИ

ГОИ+

БЯ-З

А3

Б-З

Б-З

ДШ

Б-З 16:4

Б-З

16

15

Ио

1

ГЪГ1

г

ы

г

нл

г

Я

Я0,1

гъп.

г

Яо

ы

Г '

г

Я1

X

V

к усилителю

Рис. 3. Блок калибровки синфазного напряжения: Яо,1-Я0д5 , Я! , Я2 - делитель напряжения; исфф , исфоп - фактическое и опорное синфазные напряжения; иоп - опорное

напряжение

З

9

8

2

1

В итоге исфф устремляется к исфоп и при смене знака разности этих напряжений защелки З и БЯ-З переключатся, приводя к фиксированию состояния ДШ и установлению равенства исфф = исфоп. Отметим, что в схеме (рис. 3) используется токовый дешифратор с подтягивающими активными нагрузками (на рисунке не показаны). Этим он отличается от аналогичного дешифратора на рис. 2.

Для упрощения анализа в схемах (рис. 2, 3) были использованы собственные высокочувствительные защелки. На практике, когда количество усилителей в конвейере АЦП может достигать нескольких десятков, рациональнее использовать одну общую защелку такого типа для калибровки всех усилителей. В этом случае схема включения защелки будет выглядеть, как показано на рис. 4.

Рассмотренный подход сохраняется и при калибровке смещения входных компараторов. Для этого опорные входы дифференциальных предусилителей, входящих в состав компараторов, подключаются к выходам схем, аналогичных схеме (рис. 3), а в схему (рис. 4) добавляются цепи выборки предусилителей.

Сам процесс калибровки мало чем отличается от процесса калибровки смещения усилителя (рис. 1) и поэтому не требует отдельного рассмотрения.

В заключение следует отметить, что, несмотря на кажущуюся сложность схем (рис. 2, 3), их интегрирование на кристалле АЦП не приводит к существенному увеличению занимаемой площади по сравнению с размещением элементов для лазерной подгонки и электрического пережигания плавких перемычек.

Использование рассмотренной техники калибровки направлено на сохранение максимально-возможного ресурса работоспособности микросхем и в этом заключается ее основное достоинство [5].

А

.V

ивык+,п -

А

C

2,n,2

исфф,П исфоп,п

\

C

А

2,n,l

и

Bbix-.n

Блок калибровки смещения n-усилителя

Блок калибровки синфазного напряжения n-усилителя

\

C2,1,2

исфф,1 \

исфоп,1 \ А

C2,1,1

З

C1

Л

Блок калибровки

смещения

1-усилителя

Блок калибровки

синфазного

напряжения

1-усилителя

V_

U

ВЫХ-.1

и

Рис. 4. Схема использования общей высокочувствительной защелки при калибровке п усилителей

Выводы

1. Предложенные технические решения позволяют с помощью набора защелок Б- и типов, генераторов одиночных импульсов, дешифраторов и программируемых токовых зеркал и делителей напряжения эмулировать процесс калибровки путем автоматического изменения 4-разрядного кода, генерируемого внутри кристалла АЦП, а затем после подбора необходимых значений компенсационного тока смещения или коммутирующего напряжения зафиксировать этот код. В итоге обеспечивается автоматическая калибровка усилителей всех типов в составе АЦП, а их интегрирование на кристалле не приводит к существенному увеличению занимаемой площади.

2. Рассмотренная техника калибровки не снижает ресурс работоспособности микросхем в отличие от лазерной подгонки и электрического пережигания плавких перемычек.

3. Предложенная техника автоматической калибровки усилителей в составе КМОП-АЦП,

основанная на анализе специфики работы основных блоков с учетом воздействия различных производственных и эксплуатационных факторов, отличается высокой эффективностью и может быть реализована доступными схемотехническими средствами.

Литература

1. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование / У. Кестер; пер. с англ. Е.Б. Володина. - М.: Техносфера.

- 2007. - 1016 с.

2. Rudy van de Plassche. CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters / Rudy van de Plassche. - Kluwer academic publishers, 2003. - 588 p.

3. Hendrik van der Ploeg. Calibration Techniques in Nyquist A/D Converters / Hendrik van der Ploeg, Bram Nauta.

- Springer, 2006. - 190 p.

4. Tseng C.-J. A 10-b 320-Ms/s Stage-Gain-Error Self-Calibration Pipeline ADC / C.-J. Tseng, H.-W. Chen, W.-T. Shen and en // IEEE J. Solid-State Circuits. - 2009.

- Vol. 44. - №. 11. - P. 3039-3050.

5. Кононов В. Импортозамещение АЦП и ЦАП: ограничения и возможности / В. Кононов, Д. Боднарь // Компоненты и технологии. - 2017. - № 8. - С. 24-26.

АО «Специализированное конструкторско-технологическое бюро электронных систем», г. Воронеж Воронежский государственный технический университет

AUTO-CALIBRATION OF AMPLIFIERS IN ADC

V.S. Kononov1, S.I. Rembeza2

'PhD, engineer-constructor, Public Corporation "Special Design Engineering Department", Voronezh, Russian Federation,

e-mail: casandral983@mail.ru 2Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,

tel: +7(473)243-76-95

The calibration technique of amplifiers of various types used in creating analog-to-digital converters (ADCs) is described in the article. The technique is designed to calibrate amplifiers in the remote access mode during long-term operation of the ADC under "hard" conditions, when due to the effects of natural aging of the semiconductor material and its degradation under the influence of the external environment, the characteristics of the amplifiers can undergo significant changes. The proposed calibration technique is based on the use of hardware that provides automatic calibration of bias voltage at the inputs of amplifiers and common-mode voltage at their outputs. It is noted that the application of this technique, unlike the most common laser fitting and electrical programming of fusible links, does not lead to a decrease in the service life of an ADC, and therefore it is in demand first of all for the creation of conveyor ADCs, which predominate in the production of modern converters. The proposed technical solutions for building hardware are based on the use of a set of D- and SR-type latches, single pulse generators, decoders, programmable current mirrors and voltage dividers, which allow to emulate the calibration process via automatically changing the 4-digit code generated inside the ADC crystal, and then, after selecting the necessary values of the compensation bias current or commutating voltage, fix this code. It is noted that the use of the discussed hardware does not lead to a significant increase in the area of the ADC crystal

Key words: calibration, amplifier, bias, voltage

References

1. Kester W. "Analog-digital conversion", Rus.ed., Moscow, Technosphera, 2007, 1016 p.

2. Rudy van de Plassche "CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters", Kluwer academic publishers, 2003, 588 p.

3. Hendrik van der Ploeg "Calibration Techniques in Nyquist A/D Converters", Bram Nauta, Springer, 2006, 190 p.

4. Tseng C.-J., Chen H.-W., Shen W.-T. "A 10-b 320-Ms/s Stage-Gain-Error Self-Calibration Pipeline ADC", IEEE J. SolidState Circuits, 2009, vol. 44, no.ll, pp. 3039-3050.

5. Kononov V., Bodnar' D. "Import replacement of ADC and DAC: limitations and possibilities", Components & Technol o-gies, 2017, no.8, pp. 24-26.