Рождается новое поколение аналоговой электроники
Отличия аналоговой и цифровой электроники
Большинство популярных потребительских товаров, таких как цифровые камеры, плееры и цифровые телевизоры, обладают богатым набором функций, небольшими размерами и малым потреблением электроэнергии, в основном благодаря инновациям в области цифровой микроэлектроники.
Но большинство «натуральных» сигналов представляют собой аналоговые величины, поэтому для взаимодействия с реальным миром изображений и звуков аналоговые цепи являются необходимыми компонентами в составе этих приборов.
Однако прогресс в области аналоговой микроэлектроники происходит со значительно меньшей скоростью, так что аналоговые схемы остаются наименее экономичной и наиболее дорогостоящей составной частью устройств со смешанными сигналами, таких как аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и проч.
Причина сравнительно медленного развития технологий аналоговых интегральных схем (ИС) заключается в существенном различии двух типов сигналов, обрабатываемых этими схемами. Цифровые схемы значительно легче уменьшать в размерах и делать их менее энергоемкими, используя популярные CMOS-технологии.
Более того, большая часть проектирования и контроль качества исполнения проекта могут быть автоматизированы и реализованы компьютерными программами.
Этого нельзя сказать об аналоговых схемах, которые требуют тщательного проектирования высококвалифицированными специалистами с учетом различной природы аналоговых сигналов. Очевидно, что в данном случае возрастает стоимость разработки и последующего изготовления аналоговой ИС.
По традиции большинство обычных аналоговых схем строится на основе так называемых операционных усилителей. Как известно, передовая технология цифровых ИС обеспечивает миниатюризацию устройств, повышает их быстродействие и уменьшает питающее напряжение.
Однако эта технология имеет два негативных побочных эффекта на операционные усилители в составе устройств со смешанными сигналами – она сокращает размах аналогового сигнала и уменьшает коэффициент усиления.
Компенсация этих недостатков требует потребления значительно большей энергии от источников питания, что для портативных приборов с питанием от батареек является непозволительной роскошью.
Кроме того, еще неясно, насколько окажется применимой к обычным аналоговым устройствам новейшая технология молекулярных приборов, а также приборов на базе углеродных нанотрубок и нанопроводников.
Новая архитектура аналоговых ИС
В Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology – MIT), США, группа исследователей под руководством профессора лаборатории технологии микросистем Хе-Сун Ли (Hae-Seung Lee) предложила новую методологию проектирования аналоговых цепей переключаемых конденсаторов. Новая методология основана на использовании компараторов – приборов, сравнивающих уровни двух аналоговых сигналов и сигнализирующих об их равенстве.
В новой архитектуре цепей, получившей название CBSC (comparator-based switched capacitor), исключается применение операционных усилителей – их функции выполняют компараторы уровней с источниками тока (рис.1).
Замечательным свойством этих цепей является малое потребление электроэнергии при сохранении всех выгод от применения цепей переключаемых конденсаторов на основе операционных усилителей. Поэтому представляется наиболее перспективным применение CBSC аналоговых цепей в портативных потребительских приборах, в частности, в качестве оцифровщиков аналоговых сигналов.
Суть нового подхода к построению аналоговых схем поясняется рисунками 1, 2 и 3, выполненными в концептуальной форме. CBSC схемы, как и все схемы с переключаемыми конденсаторами, работают по двухфазному циклу – фаза выборки «фи 1» и фаза передачи заряда «фи 2».
Первая фаза выборки текущего значения аналогового входного сигнала Vin осуществляется замыканием ключей управляющим импульсом (упрощенная схема выборки сигнала приведена на рис. 2).
Момент фиксации напряжения Vin на конденсаторах С1и С2 и соответствующего их емкости заряда производится размыканием зарядной цепочки по заднему фронту импульса «фи 1А». Это делается для того, чтобы минимизировать дополнительную инжекцию заряда, зависящую от входного сигнала.
Вторая фаза передачи заряда от одного конденсатора к другому начинается с реконфигурации параллельного соединения конденсаторов С1 и С2 в последовательную цепочку (рис. 3). Эта операция выполняется с помощью управляемых переключателей.
Затем производится установка начальных условий, в результате которой разряжается выходная емкость СL, а напряжение Vх «опускается» ниже уровня виртуальной «земли» Vcм. После этого включается источник зарядного тока Iх и начинается заряд емкостей С1, С2 и СL. Компаратор срабатывает при равенстве напряжений на его входах – Vх и Vcм.
К этому моменту завершается «перекачка» всего заряда из С2 в конденсатор С1, а за счет этого заряда на последнем создается добавочное напряжение, обратно пропорциональное их емкостям. Суммарное напряжение конденсатора С1 в качестве выходного напряжения Vо фиксируется на нагрузочной выходной емкости СL.
Из описания процесса передачи заряда легко определить коэффициент усиления входного напряжения Vin по отношению к выходному напряжению Vо. Эта величина прямо пропорциональна сумме емкостей конденсаторов С1и С2 и обратно пропорциональна емкости конденсатора С1. Таким образом, варьируя значения емкостей конденсаторов, можно подбирать желаемый коэффициент усиления входного сигнала.
В реальных CBSC устройствах, чтобы достичь высокой точности и линейности при необходимом быстродействии, процесс передачи заряда делится на три фазы – фаза установки начальных условий (Р), аналогичная рассмотренный выше, фаза грубой передачи заряда (Е1) и фаза тонкой передачи заряда (Е2). Схемные решения, реализующие такой подход, и эпюры напряжения показаны на рис. 4.
После сброса схемы в исходное состояние переключателем (на рисунке не показан), заземляющим на короткое время точку соединения конденсаторов С1 и СL (этап Р), включается источник сравнительно большого тока I1 и начинается быстрый заряд емкостей С1 , С2 и СL (начало этапа Е1).
Как только напряжение Vx достигнет уровня виртуальной «земли» Vcм , ток I1 отключается компаратором с присущей ему некоторой задержкой, что неизбежно создает нежелательный «выбег» напряжения над детектируемым уровнем (конец этапа Е1).
Включаемый после первого сравнения во много раз меньший ток обратного направления I2 относительно медленно разряжает емкости, обеспечивая точную передачу заряда в момент второго срабатывания компаратора при равенстве напряжений Vх и Vсм (этап Е2). В этот же момент переключатель S разрывает цепь разряда и фиксирует выходное напряжение Vо на выходной емкости СL.
В аналоговых схемах, построенных по CBSC методологии, компаратор детектирует уровень виртуальной «земли» в цикличном режиме. Энергетически это более эффективно, чем постоянная принудительная привязка к «земляному» уровню, выполняемая операционным усилителем. В этом заключается первое и главное преимущество CBSC аналогового устройства.
Для уменьшения ошибки сравнения компаратор должен иметь большой коэффициент усиления. Практически это нетрудно сделать с помощью каскадирования ступеней, не заботясь при этом о стабильности коэффициента усиления.
Это второе преимущество CBSC аналогового устройства перед операционными усилителями, большинство которых охвачено отрицательной обратной связью, а требуемая устойчивость работы приобретается за счет сужения полосы пропускания аналоговых сигналов.
Наконец, третьим существенным преимуществом CBSC аналоговых устройств является применимость к ним современных технологий проектирования и изготовления ИС, поскольку выполнить на их основе компаратор значительно проще, чем операционный усилитель.
Прототип экономичных CBSC АЦП
Результаты работы группы исследователей и технологов были доложены на международной конференции по полупроводниковым приборам (International Solid State Circuits Conference – ISSCC) в 2006 году.
Там же был продемонстрирован в качестве нового конвейерного АЦП первый прототип прибора, основанного на CBSC методологии. Второй прототип, 8-разрядный АЦП с частотой дискретизации 200МГц, был представлен на конференции ISSCC в Сан-Франциско (San Francisco), США, 11-15 февраля текущего года.
Первый прототип изготовлен в результате сотрудничества с представителями корпорации по производству полупроводниковых приборов National Semiconductor Corp., Нью-Гемпшир, США. Он представляет собой 10-разрядный оцифровщик аналогового сигнала с частотой выборок 7,9 МГц, работающий от батареек с напряжением 1,8В и потребляющий от источника питания 2,5мВт.
Прибор выполнен по 0,18-микронной CMOS технологии, а его активная площадь на подложке составляет 1,2 мм2. Микрофотография чипа представлена на рис. 5.
Основные экспериментальные результаты, полученные при всестороннем исследовании прототипа, подтвердили преимущества нового метода построения устройств со смешанными сигналами, в частности, аналого-цифровых преобразователей.
При вычислении показателя качества прибора, учитывающего потребляемую мощность, частоту выборок сигнала и число шагов квантования сигнала, была получена величина, равная 0,8 пикоДж на шаг квантования.
Графики дифференциальной нелинейности (DNL – differential non-linearity) и интегральной нелинейности (INL – integral non-linearity) шкалы АЦП измерены в статическом режиме в единицах, соответствующих значению младшего бита (LSB – less
significant bit), и показаны на рис. 6. Отношение сигнал/шум в полосе частот прибора составило 53 дБ.
Прототип был создан только как доказательство правильности концепции. Не было предпринято никаких попыток оптимизации таких параметров как энергопотребление и показатель качества прибора. Поэтому полученные величины не являются окончательными и могут значительно измениться при дальнейшей доводке прибора.
Как считают авторы разработки, есть все основания полагать, что имеется немало неиспользованных резервов для существенного улучшения энерго-экономических и физико-механических показателей CBSC АЦП.
Поделиться