М.С. Енученко, Д.В. Морозов, М.М. Пилипко

Восьмиразрядный сегментный цифро-аналоговый преобразователь с повышенной скоростью

преобразования

2

Варианты построения ЦАП

Бинарная архитектура

Унарная архитектура

Цель и задачи

3

Цель: разработка восьмиразрядного параллельного цифро-аналогового преобразователя с повышенной скоростью преобразования.

Задачи:• Разработка и моделирование ЦАП;• Разработка кристалла микросхемы ЦАП;• Экспериментальное исследование образцов микросхемы.

Бинарный сегмент

Унарный сегментТе

рмом

етри

ческ

ий

деш

ифра

тор

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

Iвых

16I015 x

4I0

I0 2I0

8I0

4

Структура сегментного восьмиразрядного ЦАП

Коммутируемый источник тока

I0

UD

UсмM1

М2

5

𝐼 1=2𝑘1·(𝑈 ЗИ 1−𝑈 0−𝑈𝐶И 1

2 )𝑈𝐶И 1

𝐼 2=2𝑘2· (𝑈 ЗИ 2−𝑈 0 )2

=

=

𝑘𝑖=12μ𝐶0

𝑊 𝑖

𝐿𝑖

𝐼 1=𝐼 2=𝐼 0

+2 (𝑈СМ−𝑈 0 )2+2 (𝑈 𝐷−𝑈СМ )√ (𝑈СМ−𝑈 0 )2−𝑘2𝑘1

( (𝑈 𝐷−𝑈 0 )2−2 (𝑈𝐷−𝑈 0 ) (𝑈СМ−𝑈 0 )))

𝐼 0=𝑘2

(1+𝑘2𝑘1 )2 ·¿

𝑌 8=𝑋 4

6

4-х разрядный термометрический дешифратор с параллельным формированием выходных

функций

𝑌 8=𝑋 4

Блок А

Блок Б

7

Блоки термометрического дешифратора

Блок А

Блок Б

8

Топология 4-х разрядного термометрического дешифратора

9

Размещение блоков дешифратора

Структура топологии ЦАП

10

Топология ЦАП

11

Топология ЦАП с кольцом защиты

12

13

Моделирование характеристик

14

Моделирование характеристик

15

Основные характеристики

Характеристика

Моделирование

Топология

Топология с кольцом

электростатической защиты

Шаг преобразования, мВ 1,27 1,26

DNL, МЗР 0,13 0,13

INL, МЗР 0,85 1,05

Ширина диапазона выходных

напряжений, мВ 323 321

Средняя потребляемая мощность, мВт 5,7 5,6

Скорость преобразования, Мвыборок/с 1000 50

Микрофотография кристалла микросхемы

16

Характеристика преобразования

17

График дифференциальной нелинейности

18

График интегральной нелинейности

19

Отклик выходного сигнала

20

Спектр гармонического сигнала

21

Результаты измерений

Характеристика Измерения

Шаг преобразования, мВ 1,21

DNL, МЗР 0,47

INL, МЗР 1,09

Ширина диапазона выходных

напряжений, мВ 307

Средняя потребляемая мощность, мВт 6,3

Скорость преобразования, Мвыборок/с 20

22

Работа [8] [9] Данная работа

Год 2011 2008 2013Разрядность 8 8 8

Сегменты6 ун. + 2 би

н.5 ун. + 3 би

н.4 ун. + 4 би

н.Скорость преобразования, Мвыборок/с 200 500 1000

INL, МЗР 0,27 0,33 1DNL, МЗР 0,08 0,14 0,47Напряжение питания, В 5,0 1,8 1,8Процесс, нм 500 180 180Потребляемая мощность, мВт 117 ‒ 6,2

23

Сравнение с другими работами

24

Сравнение с другими работами

Характеристика [19] [21] [22]Предложенное

решение

Год

200

9

200

9

200

42013

Технология 0,18 0,25 0,35 0,18

Пересчитанная активная

площадь, мкм2

440

0

900

0

800

01764

25

ЗаключениеПри разработке параллельных ЦАП целесообразно использование сегментной архитектуры.

В качестве примера разработан параллельный 8-ми разрядный сегментный ЦАП на источниках тока: 4 старших разряда - унарный сегмент, 4 младших – бинарный. Изготовлены тестовые кристаллы микросхемы.

Проведены измерения разработанного ЦАП. Получены следующие характеристики: DNL – 0,47 МЗР; INL – 1 МЗР; скорость преобразования 1000 Мотсчётов/с.

По сравнению с известными реализациями достигнуто увеличение быстродействия в 2 раза и уменьшение площади в 2,5 раза.