Сформулированы оптимальные требования к секционным безкондесаторным ЦАП. Рассмотрены основные технологические и частотные ограничения цуговых ЦАП с низким напряжением питания. Предложен 4-разрядный двоично-взвешенный цуговый ЦАП с дифференциальной архитектурой аналогового тракта.
секция, КМОП-КНИ, цуг, ЦАП, конденсатор.
Практика эксплуатации КМОП-АЦП на переключаемых конденсаторах, накопленная в последние годы, показывает, что точностные характеристики таких АЦП существенно деградируют с течением времени, а применение структуры типа «кремний на изоляторе» (КНИ) не приводит к принципиальному улучшению наблюдаемой ситуации. Основной причиной деградации характеристик КМОП-АЦП является утечка ключевых МОП-транзисторов, используемых для переключения конденсаторов.
Стало понятно, что изящная на первый взгляд конденсаторная архитектура КМОП-АЦП оказалась не вполне пригодной для построения аппаратуры для «жестких» условий эксплуатации.
Первым шагом в преодолении отмеченного недостатка явилось создание 8…10-разрядных КМОП-АЦП с аналоговой сверткой [1] и предсказанием входного сигнала [2]. Однако при создании многоразрядных (12…16 бит) КМОП-АЦП полностью отказаться от использования переключаемых конденсаторов пока не удается.
Тем не менее, если ограничить применение таких конденсаторов во внутренних устройствах выборкихранения (УВХ), требования к точности которых по сравнению с входным УВХ существенно ниже [3], то другие базовые устройства (секционные АЦП, ЦАП и разностные усилители) вполне возможно построить по безконденсаторной схеме.
Один из таких подходов рассматривается ниже при создании секционного ЦАП разрядностью 4 бит. В качестве базовой схемы выбран цуговый ЦАП [4], упрощенная схема которого в 4-разрядном варианте приведена на рис. 1. Однако эта схема имеет частотные и технологические ограничения.
Частотные ограничения обусловлены высокими сопротивлениями проходных ключей и паразитной емкостью общего узла, объединяющего выходы этих ключей. Высокие сопротивления проходных ключей в данном случае не являются следствием конструкторских или физических ограничений PМОП и NМОП-транзисторов, из которых эти ключи состоят. Такие транзисторы по отдельности имеют достаточно высокое быстродействие при включении по схеме «с общим истоком» даже при низких напряжениях питания, когда пороговые напряжения транзисторов составляют по абсолютной величине около половины напряжения питания (
при 
). Высокие сопротивления ключей определяются схемой включения и характером изменения напряжений на выводах транзисторов в процессе их переключения.
1. Taft R.C. A 1,8-V 1,6-GS/s 8-b Self-calibrating Folding ADC with 7,26 ENOB at Nyquist frequency / R.C. Taft, C.A. Menkus, M.R. Tursi, O. Hidri and V. Pons // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2004. - vol.39. - No.12. - Pp. 2107-2115.
2. U.S. Patent №5.266.952 - Wade Y. Stone et. Al. (1993): Feed Forward predictive Analog-to-digital converter.
3. Chunlei Shi, Mohammed Ismail. Data converters for wireless standards eBook ISBN: 0-306-48006-9, 2002. Kluwer Academic Publishers.
4. Кестер, У. Аналого-цифровое преобразование [Текст] / У. Кестер. - М. : Техносфера. - 2007. - 1016 с.
5. Rudy van de Plassche. CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters / Rudy van de Plassche // Kluwer academic publishers. - 2003. - 588p.
6. Кононов, В. С. Разработка цуговых ЦАП [Текст] / В. С. Кононов // Фундаментальные и прикладные науки сегодня : Материалы международной научно-практической конференции. - Москва, 2013. - Вып. 1. - С. 83-84.
