За останні роки вдосконалення технології цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП) розширило сферу застосування цифрових методів. Звідси і зростаючий інтерес до цієї тематики з боку як дослідників, так і виробників. У статті дається огляд основних тенденцій в області моделювання ЦАП.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Максутов А. Д., Ібрагімова Г. Н.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2006
    Журнал: Вісник Башкирського університету
    Наукова стаття на тему 'Огляд основних тенденцій в області моделювання ЦАП'

    Текст наукової роботи на тему «Огляд основних тенденцій в області моделювання ЦАП»

    ?20

    розділ ФІЗИКА і ТЕХНІКА

    УДК 519.713

    ОГЛЯД ОСНОВНИХ ТЕНДЕНЦІЙ В ОБЛАСТІ МОДЕЛЮВАННЯ ЦАП Максутов А.Д., Ібрагімова Г.Н.

    За останні роки вдосконалення технології цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП) розширило сферу застосування цифрових методів. Звідси і зростаючий інтерес до цієї тематики з боку як дослідників, так і виробників. У статті дається огляд основних тенденцій в області моделювання ЦАП.

    Обчислювальна потужність цифрових систем експоненціально зростає при все меншому збільшенні їх вартості. При такому достатку обчислювальних ресурсів багато завдань, які вирішувались раніше за допомогою аналогової техніки, почали нове життя в цифрової області. Найбільш важливі застосування - програвачі компакт-дисків, телекомунікаційні системи, звукові плати комп'ютерів, цифрові засоби вимірювань, графічні адаптери комп'ютерів [1].

    Однак реальний світ був і залишається аналоговим. Для того щоб привнести в нього цифрову обробку та її переваги, необхідно спочатку перетворити аналоговий сигнал в форму, прийнятну для комп'ютерної обробки. Це функція аналого-цифрових перетворювачів (АЦП). Після обробки за допомогою комп'ютера або цифрового сигнального процесора (ЦСП) результуючий цифровий потік інформації повинен бути повернутий в її аналогову форму за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Наведена знову в аналогову форму, інформація може бути сприйнята органами почуттів людини, найчастіше зором і слухом.

    Швидке поширення з'являються зразків високої якості для зв'язку, вимірювань і індустрії розваг вимагають створення ЦАП з більш високими швидкодією і точністю, тому їх проектування і тестувань все більш ускладнюються [2]. В силу цього дослідження в області моделювання ЦАП майже завжди спрямовані на допомогу розробникам у створенні перетворювачів з найкращими показниками за швидкодією і точності.

    В роботі [3] описані два методи моделювання ЦАП на основі теорії вейвлет-перетворення. Пропонуються макромоделювання з використанням пасивних компонентів і суматорів, а також математичні співвідношення, що описують базові функції вейвлет-перетворення. Для моделювання динаміки ЦАП за допомогою вейвлет-теорії, необхідно спочатку визначити базисні функції. З цією метою вихідний сигнал ЦАП аналізується в тимчасовій і частотній областях. Пропонована базисна блок-схема для моделювання ЦАП включає в себе генератор коротких імпульсів, генератор загасаючої сину-

    соідальной хвилі, генератор експоненційної функції і суматор. Що стосується ЦАП з перемиканням струмів, то в декількох роботах були запропоновані різні моделі інтегральної нелінійності (Integral NonLinearity - INL) як функції дисперсії неузгодженості джерела струму. Однак більшість цих методів не в змозі з достатньою точністю описати статистичне поводження INL і диференціальної нелінійності (Differential NonLine-arity - DNL), і врахувати вплив сегментування на INL і DNL. В роботі [4] показано, що сегментування джерел струму впливає на статистичне поводження INL і DNL. Більш того, було запропоновано регресійні моделі DNL і INL, призначені для оцінювання вимоги за погодженням джерела струму в ЦАП з перемиканням струмів як функції сегментаційного відносини. Показано також, що при більш ніж двох сегментованих розрядах INL стає обмежуючим фактором.

    Для ЦАП з перемиканням струмів відмінність запізнювань перемикання джерел струму є причиною однієї з найбільш важливих складових похибки нелінійності. В роботі [5] запропонована математична модель, що пояснює вплив відмінностей запізнювань перемикання на SFDR термометрического ЦАП. Проведений в цій роботі теоретичний аналіз показує, що відмінності запізнювань перемикання декількох джерел струму обмежують динамічний діапазон без перешкод (Spurious Free Dynamic Range - SFDR) ЦАП навіть при дуже низькій частоті сигналу. У відповідність з цим результатом розробникам пропонується зменшити відмінності запізнювань перемикання або визначити деякий оптимізоване розподіл запізнень для поліпшення характеристики ЦАП.

    У минулому для боротьби зі статичним неузгодженістю ЦАП з перемиканням струмів пропонувався метод підбору динамічного елемента. Однак при цьому мало уваги звертали на динамічні похибки. В роботі [6] представлені кілька реалізацій, спрямованих на зменшення динамічних похибок без деградації характеристики через джерел статистичних похибок. За допомогою моделі динамічної похибки в цій роботі

    Вісник Башкирського універсітета.2006.№4.

    21

    аналізуються динамічні похибки ЦАП з перемиканням струмів і показується, що вони впливають на нелінійність інакше, ніж похибки статичного неузгодженості.

    Робота [7] спрямована на полегшення автоматизації проектування схем майбутніх ЦАП з перемиканням струмів. Для отримання залежностей між конструктивними параметрами транзисторів і статичними і динамічними моделями в ній розглянуті дві топології осередків джерела струму: проста і каскадна. З одного боку, до всіх транзисторів ланцюга-джерела струму застосовується статистичний аналіз неузгодженості. Це дозволяє визначити конструктивні співвідношення, що зв'язують параметри схеми зі специфікаціями ЦАП без необхідності в довільних конструктивних межах або моделюванні за допомогою методу Монте-Карло. З іншого боку, покращений аналіз характеристик перемикання джерел струму забезпечує більш реалістичне моделювання залежності між розмірами транзисторів, і часом встановлення вихідного струму. Включивши ці дві поліпшені моделі в звичайну процедуру проектування, можна аналітично визначити розміри схеми для забезпечення оптимального часу встановлення і правильного статичного режиму, що призведе до зменшення площі джерел струму і, отже, до зменшення площі всього ЦАП.

    Вплив нелинейностей на дозвіл ЦАП досліджено в роботі [8]. запропоновано експонен-

    циальная і синусоїдальна моделі для дослідження падіння відносини повного сигналу до повного рівнем шумів і спотворень (Signal to Noise And Distortion ratio - SINAD). Ці моделі застосовувалися для дослідження погіршення характеристики многоразрядного ЦАП, використовуваного в архітектурі синтезатора частот. З отриманих в [8] результатів випливає, що для ЦАП з роздільною здатністю менше 8 розрядів не потрібно нехтувати амплітудними похибками, оскільки вони суттєво впливають на зниження точності вихідного сигналу синтезатора. Однак, використання щонайменше 8 розрядів означає велику площу кристала і більш складну схематику, оскільки може зажадати застосування методів компенсації. Автори пропонують використовувати в синтезаторі однорозрядних ЦАП з S - А -структурою, оскільки його передавальна функція істотно лінійна, а дозвіл може бути налаштоване шляхом зміни робочої частоти і одного єдиного опорного напруги.

    У ЦАП часто використовуються сегментовані архітектури. Структура ЦАП, заснована на рекурсивної декомпозиції N-розрядного двійкового ЦАП на два (N- 1) розрядних і один 1-розрядний запропонована в роботі [9]. Для вироблення оптимального сегментування була досліджена модель ЦАП, що враховує похибки узгодження.

    ЛІТЕРАТУРА

    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.

    Надійшла до редакції 22.09.06 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити