Разработка сигма-дельта модулятора на КМОП-структурах для аналогово-цифровых преобразователей

Так как логическому нулю соответствует 0В, а логической единице - 3В, необходимо сделать p-транзистор намного более широким, чем n-транзистор это позволит при входном нуле и обоих открытых транзисторах сформировать на выходе напряжение сколь угодно мало отличающееся от +Vref в силу того, что сопротивление открытого p-транзистора будет намного меньше, чем n-транзистора. При подаче единицы p-транзистор будет закрыт, а n-транзистор открыт, и выход примет значение -Vref. Схема одноразрядного ЦАП представлена на рис. 3.6.

Спроектированный одноразрядный обладает достаточно большим быстродействием и точностью для того, чтобы использовать его в составе сигма-дельта модулятора.

Рис. 3.6 Схема одноразрядного ЦАП

3.1.5 D-триггер

Сигма-дельта модулятор работает по тактам. Для того, чтобы результат предыдущего такта работы схемы поступал на вычитатель, необходимо его хранить, для чего используется D-триггер.

Триггер был отмоделирован для определения задержки записи в него. Время записи в триггер составляет 1нс, что вполне подходит для использования в сигма-дельта модуляторе.

3.2 Моделирование сигма-дельта модулятора на КМОП структурах в составе АЦП

В исходной модели сигма-дельта АЦП содержались все идеальные компоненты (вычитатель, интегратор, компаратор, триггер, одноразрядный ЦАП). Все идеальные блоки в модели были заменены реальными. Схема сигма-дельта АЦП представлена на рис.3.7.

Рис. 3.7 Схема сигма-дельта АЦП, построенного на реальных блоках

Так как целью разработки являлся сигма-дельта модулятор, все опорные напряжения и источники сигналов тактирования и сброса не были детализированы, однако они должны обладать температурной независимостью и достаточно высокой точностью. Схема была исследована с использованием идеальных источников опорных напряжений и сигналов.

Моделирование проводится при различных входных сигналах и на различных участках времени. Из-за того, что схема очень сложная и содержит много элементов, ее моделирование происходит достаточно долго (порядка нескольких часов), поэтому для снятия характеристик были выбраны минимально возможные времена моделирования. Была определена частота передискретизации, для чего схема моделировалась с разной частотой следования тактовых импульсов. Частота передискретизации, на которой схема работает корректно, составила 10 МГц (период следования тактовых импульсов составил 10нс). Корректностью работы сигма-дельта модулятора считалась запись в триггер значений '0' и '1', соответствующих выходу компаратора, который в свою очередь успевал переключаться. При частотах ниже частоты 10МГц выходной сигнал компаратора не успевает записываться в триггер. Выходные сигналы подписаны.

При более высокой частоте передискретизации компаратор не успевает сравнивать сигнал с выхода интегратора с нулевым потенциалом, а также в триггер не происходит записи нужного сигнала, а как следствие, результат преобразования, выполняемого данным АЦП, сне соответствует входному сигналу. Из-за того, что сигнал из модулятора подается на счетчик, работающий на протяжении 256 тактов следования синхросигнала, частота выборок отсчетов составляет Эта частота дискретизации АЦП.

Для измерения точности преобразования, выполняемого сигма-дельта АЦП, схема была отмоделирована на постоянном входном напряжении, равном +0.8В и -0.8В, и частоте передискретизации 10МГц. Погрешность преобразования постоянном входном сигнале можно определить, как

Погрешность была посчитана для напряжений +0.8В, -0.8В и было выбрано максимальное значение. Из-за того, что схема моделируется достаточно долго, пришлось ограничиться лишь этими значениями входного сигнала, однако их тоже вполне достаточно, чтобы говорить о погрешности преобразования.

Погрешность преобразования была вычислена согласно следующей формуле

что равно 0.5%.

Для измерения статических характеристик АЦП была снята передаточная характеристика (см. главу 1 п. 1.7).

Входной сигнал изменялся в диапазоне от 0 до +Vref. Характеристика было снята не для всех 256 значений выхода ЦАП, что представляется очень сложно и долго реализуемым, а для 5 значений. В результате, вычислены погрешности. Мультипликативная, дифференциальная и интегральная погрешности не превышают Ѕ LSB, достигается это строгим тактированием модулятора и равномерным сбросом счетчика, однако при использовании реальных источников входных сигналов тактирования эти значения могут заметно ухудшиться. Была так же измерена аддитивная погрешность, она составляет порядка 1.2мкс.

В разработанном АЦП коэффициент избыточной дискретизации (передискретизации) составляет 256, чего более чем достаточно, ведь уже при избыточной дискретизации в 64, идеальный цифровой фильтр способен обеспечить отношение сигнал/шум на уровне 80 дБ. Этим подразумевается, что значение эффективного числа разрядов для данного модулятора при использовании цифрового фильтра и дециматора составит 13 разрядов. Откуда, заключим, что при использовании цифрового фильтра и дефиматора построенный АЦП будет обладать частотой дискретизации, равной

Заключение

В данной работе были проанализированы и систематизированы сведения об аналогово-цифровых преобразователях, приведена их классификация по схемотехническим признакам.

Разработана модель сигма-дельта АЦП на основе сигма-дельта модулятора первого порядка, включающая восьмиразрядный счетчик и параллельный регистр.

Был спроектирован в КМОП реализации сигма-дельта модулятор. Построенная на этом модуляторе, модель 8 разрядного АЦП имеет частоту передискретизации 10МГц, частоту дискретизации 39кГц, мультипликативная, дифференциальная и интегральная погрешности данного АПЦ не превышают Ѕ LSB, а аддитивная погрешность составляет 1.2мкс.

Спроектированный сигма-дельта АЦП может использоваться для построения сигма дельта АЦП с цифровым фильтром и дециматором, что обеспечит отношение сигнал/шум на уровне 80 дБ, а эффективное число разрядов составит 13. Частота дискретизации такого АЦП будет равна 156 кГц, а соответственно, он будет пригоден для оцифровки звука.

Список использованной литературы

1. Волович Г.И., Cхемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств - М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2005, - 528с.

2. Гнатек Ю.Р., Справочник по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям: Пер. С англ./Под ред. Ю.А. Рюжина. - М.: Радио и связь, 1982, - 552с.

3. Sigma-delta ADCs and DACs//Application Note AN-283. - Analog Devices. 1997, - 16pp.

4. Швец В.В., Нищирет Ю.А., Архитектура сигма-дельта АЦП и ЦАП: АО "Инструментальные системы": Статья в журнале CHIP News, N1 1998.

5. Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники: Т.2. Пер. с англ. - Изд. 3-е. - М.: Мир 1983, -590с.

6. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.: Мир,1982-512с.

7. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. - М.: Высшая школа, 1987г.

8. Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits - International Edition 2001.

9. Steven R. Norsworthy, Richard Schreier, and Gabor C. Temes,Eds., Delta-Sigma Data Converters: Theory, Design, and Simulation, IEEE Press, 1996.

10. S. A. Jantzi, M. Snelgrove & P. F. Ferguson Jr., A 4th-Order Bandpass Sigma-Delta Modulator, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 38, No. 3, March 1993, pp.282-291.

Размещено на Allbest.ur