Учебное пособие 800594

УДК 681.325.5

Ю.Ю. Худяков, В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков

ЛИНЕАРИЗАЦИЯ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ

Предложен метод улучшения линейности функции передачи АЦП последовательного приближения путем минимизации ошибки между прямым и инверсным преобразованиями с помощью адаптивной фильтрации, снижающий ограничения на тип и динамический диапазон входных сигналов. Показано, что в результате калибровки интегральная и дифференциальная нелинейности лежат в пределах значений 0,5 МЗР при эффективной разрядности 13,9 бит.

Аналогоцифровые (АЦП), впрочем, как и цифроаналоговые (ЦАП), преобразователи являются неотъемлемой частью подавляющего большинства систем обработки информации. Структуры АЦП мгновенных значений достаточно разнообразны [1]: последовательного счета (АЦП ПС), последовательного приближения (АЦП ПП), параллельные, последовательно–параллельные (конвейерные), сиг- ма–дельта АЦП и т.п. К основным характеристикам АЦП относятся: число разрядов, погрешности преобразования, максимальная частота дискретизации, динамический диапазон обрабатываемых сигналов. Сравнительный анализ параметров различных типов АЦП (таблица) показывает, что максимальным быстродействием обладают параллельные и конвейерные АЦП, однако для их реализации необходимо значительное число компараторов, что ограничивает их разрядность, ведет к увеличению потребляемой мощности и удорожанию производства.

Для получения высокой разрешающей способности традиционно используются сигма–дельта АЦП, ширина полосы частот которых лежит, как правило, в диапазоне десятков килогерц, однако в последнее время появляются преобразователи с повышенной производительностью – до миллионов выборок в секунду [2]. В приложениях, требующих средней скорости преобразования, широко применяются АЦП ПП с перераспределением заряда на переключаемых

180

конденсаторах [3,4], архитектура которых позволяет получать очень высокую эффективность энергопотребления, так как, кроме компаратора, все остальные блоки потребляют мощность только в динамическом режиме. Линейность функции передачи таких АЦП обусловлена согласованием номиналов конденсаторов, что с уменьшением проектных норм КМОП технологий становится все более сложной задачей, требующей введения предварительной калибровки, один из методов реализации которой представлен в этой работе.

АЦП ПП, структурная схема которого включает емкостную матрицу, компаратор и регистр последовательных приближений (РПП) (рис. 1) выполняет аналогоцифровое преобразование за несколько тактов, реализуя алгоритм половинного деления (дихотомии). Во время фазы выборки/хранения на нижние обкладки конденсаторов ЦАП (рис. 1 а) подается входной сигнал Uвх, а на верхние

– напряжение смещения U , необходимое для работы компаратора. Полагая для простоты U = 0, получаем на каждом конденсаторе заряд Qi = Ci Uвх, а на всем массиве конденсаторов ЦАП:

На этапе преобразования (рис. 1 б) верхние обкладки Сi подключаются ко входу компаратора, а нижние переключаются на опорные напряжения ±Uоп в соответствии с решениями компаратора Dk, хранящимися в РПП.

Поскольку емкостная матрица является замкнутой системой, то в процессе преобразования ее заряд Q должен быть величиной постоянной, следовательно, по закону сохранения заряда

181

Ɋɢɫ Ⱥɐɉ ɉɉ ɜ ɪɟɠɢɦɚɯ ɜɵɛɨɪɤɢ ɯɪɚɧɟɧɢɹ ɚ ɢ ɩɪɟɨɛɪɚɡɨɜɚɧɢɹ

ɜɯɨɞɧɨɝɨ ɫɢɝɧɚɥɚ ɛ

Процесс последовательного приближения сводит UK к единице младшего значащего разряда (МЗР), поэтому первое слагаемое в (2) можно рассматривать как цифровое представление Uвх/ Uоп в виде:

когда вклад каждого коэффициента Di в цифровой выход представлен числовым «весом» Wi. Если емкости ЦАП сформированы как двоичновзвешенная последовательность, то коэффициенты Di будут представлять биты двоичного кода. Соответственно второе слагаемое в (2) будет давать ошибку квантования.

При практической реализации структуры АЦП ПП (рис. 1) неизбежно возникает проблема учета разброса номиналов емкостных элементов ЦАП, приводящего к возникновению ошибок квантования. Введение дополнительных или увеличение размеров основных конденсаторов отрицательно сказывается на габаритах и потребляемой мощности, поэтому большинство известных методов исправления возникающих погрешностей АЦП основано на идее фоновой калибровки, предложенной Г. Хилтоном в 1991 г. [5]. Анализ различных подходов к реализации этой идеи показывает [6], что практически все они страдают от отсутствия реакции на постоянный входной сигнал и имеют урезанный динамический диапазон. Выходом из этого положения может быть полностью цифровой метод фоновой калибровки, основанный на трех преобразователях входного сигнала (рис. 2), когда емкостной ЦАП задает входной уровень, прямое и инверсное преобразования которого позволяют определить ошибку преобразования, сводящуюся к минимуму в процессе адаптивной фильтрации.

Для демонстрации работы предложенного метода в пакете Simulink–MATLAB была реализована модель 14–разрядного АЦП

ППс разделительным конденсатором [3], включающая:

–устройство выборки/хранения;

183

±ɟɦɤɨɫɬɧɵɣ ɐȺɉ ɫ ɩɚɪɚɡɢɬɧɵɦɢ ɟɦɤɨɫɬɹɦɢ ɜ ɨɛɨɢɯ ɦɚɫɫɢ

ɜɚɯ ɦɨɫɬɨɜɨɣ ɟɦɤɨɫɬɢ ɢ ɜɨɡɦɨɠɧɨɫɬɶɸ ɡɚɞɚɧɢɹ ɪɚɡɛɪɨɫɚ ɧɨɦɢɧɚɥɨɜ

ɤɨɧɞɟɧɫɚɬɨɪɨɜ

±ɤɨɦɩɚɪɚɬɨɪ ɫɡɚɞɚɜɚɟɦɵɦɫɦɟɳɟɧɢɟɦɢɜɯɨɞɧɵɦɲɭɦɨɦ ɢɦɟɸɳɢɦ ɧɨɪɦɚɥɶɧɨɟ ɪɚɫɩɪɟɞɟɥɟɧɢɟ

±ɤɚɥɢɛɪɨɜɨɱɧɵɣ ɚɜɬɨɦɚɬ ɜ ɩɚɤɟɬɟ ɪɚɫɲɢɪɟɧɢɹ 6WDWHIORZ ɪɟ ɚɥɢɡɭɸɳɢɣɚɥɝɨɪɢɬɦɩɨɞɫɬɪɨɣɤɢɜɟɫɨɜɵɯ ɤɨɷɮɮɢɰɢɟɧɬɨɜɟɦɤɨɫɬ ɧɨɝɨ ɦɚɫɫɢɜɚ ɫ ɩɨɦɨɳɶɸ ɚɞɚɩɬɢɜɧɨɝɨ ɮɢɥɶɬɪɚ

Ɋɢɫ ɉɨɫɥɟɞɨɜɚɬɟɥɶɧɨɫɬɶ ɩɪɟɨɛɪɚɡɨɜɚɧɢɣ ɜɯɨɞɧɨɝɨ ɫɢɝɧɚɥɚ

Ⱥɐɉ ɉɉ ɩɪɢ ɰɢɮɪɨɜɨɣ ɮɨɧɨɜɨɣ ɤɚɥɢɛɪɨɜɤɟ

ɉɪɢ ɪɚɡɛɪɨɫɟ ɧɨɦɢɧɚɥɨɜ ɟɦɤɨɫɬɟɣ ς& ɢ ɨɫɧɨɜɚɧɢɢ ɟɦ ɤɨɫɬɧɨɣ ɦɚɬɪɢɰɵU ɞɥɹ ɮɨɧɨɜɨɣ ɤɚɥɢɛɪɨɜɤɢ ɪɚɫɫɦɚɬɪɢɜɚɟɦɨ ɝɨ Ⱥɐɉ ɉɉ ɩɨɬɪɟɛɨɜɚɥɨɫɶ ɜɵɛɨɪɨɤ ɪɢɫ ɜ ɪɟɡɭɥɶɬɚɬɟ ɱɟɝɨ ɷɮɮɟɤɬɢɜɧɚɹ ɪɚɡɪɹɞɧɨɫɬɶ ɛɵɥɚ ɩɨɜɵɲɟɧɚ ɫ ɞɨ ɛɢɬ

Ɋɢɫ ɂɡɦɟɧɟɧɢɟ ɨɲɢɛɤɢ ɩɪɟɨɛɪɚɡɨɜɚɧɢɹ ɧɚ ɜɵɯɨɞɟ ɚɞɚɩɬɢɜɧɨɝɨ

ɮɢɥɶɬɪɚ ɩɪɢ ɮɨɧɨɜɨɣ ɤɚɥɢɛɪɨɜɤɟ Ⱥɐɉ ɉɉ

Таким образом, предложенный метод фоновой калибровки АЦП ПП с использованием емкостных ЦАП для задания уровней прямого и инверсного преобразований с последующей минимизацией ошибки адаптивным фильтром позволило устранить проблемы, связанные с отсутствием реакции калибровки на постоянный или слабо меняющийся входной сигнал. После завершения калибровочного процесса эффективная разрядность составила 13,9 бит, а дифференциальная и интегральная нелинейности передаточной характеристики не превысили 0,5 МЗР.

[Текст] / В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков, Е.Н. Бормонтов. – Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2019. – 174 с.

2.Shettigar P. A 15 mW 3.6 GS/s CT-ADC with 36 MHz bandwidth and 83 dB DR in 90 nm CMOS [Текст] / P. Shettigar, S. Pavan // IEEE ISSCC3. – 2012. – Р. 156 – 158.

3.Подовинников Д.Ю. Оптимизация статических параметров АЦП последовательного приближения [Текст] / Д.Ю. Подовинников, В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков. // Твердотельная электроника, микро– и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. – Вып. 16. – С. 70 – 75.

4.Suarez R.E. All-MOS charge-redistribution analog–to–digital conversion techniques. [Текст] / R.E. Suarez, P. Gray, D. Hodges // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 1975. – V. 10. – № 6. – Р. 379 – 385.

5.Hilton H.E., Statistically based continuous autocalibration method and apparatus, US Patent 4996530, 1991.

6.Рыбаков А.А. 14–битный АЦП последовательно приближения с фоновой калибровкой [Текст] / А.А. Рыбаков, Д.И. Сергейчук. // МЭС–2018: тез. докл. науч.-техн. конф. – М.: ИППМ РАН, 2018. – С. 30 – 34.

Воронежский государственный университет

185

УДК 538.975

Н.Н. Кошелева, Т.В. Свистова

ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ ОКСИДА ИТТРИЯ НА ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ДИОКСИДА ОЛОВА

Работа посвящена исследованию влияния добавки оксида иттрия на газочувствительные свойства диоксида олова. Измерения проводились с помощью автоматизированной установки с применением двухканального программного ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ151, измерителя двухканального ОВЕН ТРМ200, полученные данные обрабатывались с помощью MasterSCADA. Показано, что для пленки композита на основе SnO2 с добавкой 3,6 % ат. иттрия при присутствии паров этилового спирта с концентрацией 3000 ррm в воздухе температура максимальной газовой чувствительности снижается на 70 оС.

Газочувствительные свойства диоксида олова широко известны и часто применяются в датчиках токсичных и взрывоопасных веществ. Однако чистый диоксид олова обладает высокими значениями температуры максимальной газовой чувствительности, поэтому ведутся исследования по снижению рабочей температуры. Одним из способов является введение в матрицу диоксида олова добавок оксидов металлов. Так, например, оксида кремния, оксида циркония, оксида марганца и т.д. [1].

Целью работы является исследование влияния на газочувствительные свойства добавки оксида иттрия в диоксид олова. Оксид иттрия вводиться в диоксид олова непосредственно в процессе изготовления с помощью ионно-лучевого распыления составной мишени.

Для проведения эксперимента был выбран образец композита на основе SnO2 с добавкой 3,6 % ат. Элементный состав определен с помощью рентгеновского микроанализатора JXA-840.

Подвижность носителей заряда 30 см2/Вс, концентрация носителей заряда 5·1016 см-3. Величины определены с помощью эффекта Холла по методу Ван-дер-Пау.

186

Исследования осуществлялись на автоматизированной установке с применением двухканального программного ПИДрегулятора ОВЕН ТРМ151, измерителя двухканального ОВЕН ТРМ200, полученные данные обрабатывались с помощью

MasterSCADA.

Для осуществления нагрева исследуемый образец закреплялся на стальной печи, управляемой с помощью измерителя-ПИД- регулятора ТРМ151 фирмы Овен. Выходной сигнал ПИД-регулятора (пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор) выдает аналоговое значение, которое способствует уменьшению отклонения текущего значения контролируемой величины (в нашем случае температура) от уставки.

Канал регулирования предназначен для регулирования температуры по результатам измерения термопарой ТХК (хромель/копель). Исполнительный механизм в канале позволяет изменять регулируемую величину по определенному алгоритму при помощи выходного элемента (электромагнитное реле). С помощью прибора возможно пошаговое управление процессом, который в нашем случае имеет следующие стадии:

-нагрев до заданного значения температуры с определенной скоростью;

-охлаждение до заданного значения температуры с определенной скоростью.

Прибор имеет встроенный сетевой интерфейс RS-485, который дает возможность конфигурирования прибора с ПК и регистрацию на ПК значений параметров текущего состояния. Для измерения сопротивления пленки во время нагрева использовался измеритель двухканальный ТРМ200 фирмы Овен. На рис. 1 представлена временная зависимость сопротивления и температуры исследуемого образца, полученная с помощью среды Master Scada.

Оболочка Master Scada позволяет сохранять полученные в ходе эксперимента данные. Данные возможно перенести в редактор электронных таблиц Microsoft Excel и проводить дальнейшую обработку.

187

По полученным результатам строилась зависимость газовой чувствительности Sg =Rв/Rг от температуры и определялась максимальная температура газовой чувствительности (Тmax) (рис. 3). Так, для композита SnO2 : (3,6 % ат.) Y Tmax = 260 оС, а величина газовой чувствительности равна 2,3 отн. ед. или 130 %. Для чистого диоксида олова температура максимальной газовой чувствительности к парам этанола в воздухе 330 оС [1].

Рис. 3. Температурная зависимость газовой чувствительности композита SnO2 : (3,6 % ат.)Y при наличии паров этилового спирта с концентрацией 3000 ррm в воздухе

Таким образом, показано, что введение оксида иттрия в оксид олова приводит к снижению температуры максимальной газовой чувствительности. Так для пленки композита на основе SnO2 с добавкой 3,6 % ат. иттрия при присутствии паров этилового спирта с концентрацией 3000 ррm в воздухе температура максимальной газовой чувствительности снижается на 70 оС.

Литература

1.Рембеза С.И. Металлооксидные пленки: синтез, свойства

иприменение [Текст] / С.И. Рембеза, Е.С. Рембеза, Т.В. Свистова, Н.Н. Кошелева. – Воронеж: Издательский до ВГУ, 2018. - 172 с.

Воронежский государственный технический университет

189