Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1991/D19910228Elc012.shtml

Аналоговые ИС

УДК 621.373.44

Фрэнк Гудинаф (Frank Goodenough)
Редакция Electronics

Frank Goodenough. ISSCC: analog technology, ED, 1991, No.3, pp. 67,68,71,73,74,76,77.

В разделе программы, посвященной аналоговым и смешанным аналого-цифровым ИС, в 1991 году очень большое место занимают доклады по выборке и дискретизации данных.

На Международной конференции по ИС 1991г. примерно 30 докладов по тематике аналоговых и смешанных (аналого-цифровых) ИС имеют отношение к выборке и дискретизации данных. В них рассматриваются проблемы избыточной дискретизации и субдискретизации, выборки и дискретизации сигналов переменного и постоянного тока, выборки с предварительным квантованием, а также выборки с целью последующей записи сигналов в встроенное энергонезависимое ЗУ.

В одном из таких докладов по «чистой» аналоговой тематике, описывается фильтр на линиях задержки на основе ПЗС для видеосигналов, тогда как другие доклады охватывают очень широкий круг вопросов — от 14-бит линейных усилителей выборки и хранения (УВХ) с временами выборки менее 250 нс до дельта-сигма модуляторов с избыточной дискретизацией. Продолжает поражать воображение высокое быстродействие схем: многокристальный восьмиразрядный АЦП имеет частоту преобразования 2 ГГц, однокристальный шестиразрядный АЦП — 1 ГГц, а восьмиразрядный параллельный преобразователь работает с частотой выборки 500 МГц.

Помимо докладов по выборке и дискретизации в программу входит множество разнообразных докладов по «чистой» аналоговой тематике — от 10-ГГЦ арсенид-галлиевых умножителей и 6-ГГц кремниевых умножителей на элементах Гилберта до 50-МГц аттенюатора на 80 дБ. В отличие от других ИС с регулируемым усилением аттенюатор выполнен без применения элементов Гилберта. Кроме того, в программе есть доклад, описывающий операционный усилитель с напряжением питания 1 В, который при этом имеет допустимый диапазон входных синфазных напряжений, превосходящий удвоенное напряжение питания и размах выходного сигнала, равный удвоенному напряжению питания. Все это изобилие дополняет 2-ГГц арсенид-галлиевый усилитель с выходным напряжением, пропорциональным входному току.

И наконец, участникам будет предложено несколько докладов по «системам на кристаллах» среди огромного набора докладов по различным ИС, выполняющим схемные функции «черного ящика». В числе таких однокристальных систем энергонезависимая аналоговая память для сигналов звукового диапазона (от нуля частоты), 60-В стабилизатор компенсационного типа (buck regulator) и устройство измерения мощности переменного тока с точностью 0,04%. Эти три ИС всесторонне иллюстрируют универсальность, функциональные возможности и высокий уровень технических характеристик, которые можно получить от современных мощных, аналоговых и смешанных ИС.

В очередной раз Международная конференция по ИС подтверждает свою репутацию организации, впервые представляющей новые технологии. Действительно, ее 11-я секция даже носит название «Новые схемные технологии». Для специалистов по аналоговым ИС доклад новой компании Information Storage Devices Inc. (Сан-Хосе, шт.Калифорния) прозвучит как информация о сверхновой звезде. Представленная компанией ИС, изготовленная по расширенной технологии ЭСППЗУ, обеспечивает запись звукового сигнала длительностью 16 с в диапазоне частот шире телефонного стандарта (реально речь идет о диапазоне от 0 до 3,4 кГц) при размере схемного кристалла примерно 5*5 мм. Более того, в ИС предусмотрены выборка и хранение памяти непосредственно аналоговых сигналов — их преобразование в цифровую форму перед записью не предусматривается.

ИС не только осуществляет энергонезависимое запоминание сигналов, но и допускает их воспроизведение неограниченное количество раз вплоть до того момента, когда в ЗУ будет записан новый блок данных (рис.1). Кроме того, кристалл представляет собой полностью автономную систему. Для ее эксплуатации требуются только микрофон, громкоговоритель и 5-В источник питания.

Энергозависимая аналоговая ИС памяти была использована для записи показанных здесь четырех сигналов. Хранение аналоговых напряжений осуществляется в м
Рис.1. Энергозависимая аналоговая ИС памяти была использована для записи показанных здесь четырех сигналов. Хранение аналоговых напряжений осуществляется в матрице из 128 тыс. аналоговых усилителей выборки и хранения на базе ЭСППЗУ-структур.

Основу этого звукозаписывающего кристалла представляет матрица из 128 тыс. усилителей выборки и хранения, которые по существу и выполняют выборку входного сигнала с диапазоном напряжений от 0 до 2,75 В с частотой 8 кГц. Разрешающая способность выборки составляет 12 мВ, чему соответствуют 230 раздельных уровней сигнала. По сравнению с методом цифрового преобразования плотность хранения информации в новой ИС примерно в 8 раз больше, чем при весовом цифровом представлении, для которого требуется около 1 млн. бит.

Каждый усилитель выборки и хранения представляет собой ЭСППЗУ-элемент (транзистор), сопротивление которого во включенном состоянии линейно зависит от записанного уровня напряжения. Для получения выходного звукового сигнала воспроизводящая ИС последовательно считывает сопротивление каждого из элементов во включенном состоянии, преобразуя его в напряжение, которое поступает затем на сглаживающий фильтр. С выхода фильтра сигнал поступает на выходной усилитель, способный развивать на 16-Ом громкоговорителе 50 мВт. Отношение сигнал-шум составляет для этой ИС 40 дБ. Между входом аналогового сигнала и записывающими схемами включены усилитель с АРУ, обеспечивающий усиление 25 дБ, и фильтр ограничения спектра сигнала (при воспроизведении это сглаживающий фильтр), который имеет частоту среза 3,4 кГц.

Новые компоненты для выборки и дискретизации сигналов

В двух докладах, один из которых представлен компанией National Semiconductor Corp. (Санта-Клара, шт.Калифорния), а другой — компанией Analog Devices Semiconductor Inc. (Уилмингтон, шт.Массачусетс), описываются ИС усилителей выборки и хранения с рекордными показателями (рис.2). Они представляют собой наивысшие достижения в части сочетания быстродействия и разрешающей способности, хотя каждый из них имеет свою оригинальную конструкцию и изготавливается по своей оригинальной технологии. Для УВХ компании National установление ступенчатого сигнала величиной 10 В с точностью 0,01% от его конечного значения занимает всего 100 нс. ИС компании Analog Devices отрабатывает 5-В сигнал с такой же точностью за 250 нс. Для обоих усилителей нелинейность характеристики не превышает 0,003% (14 бит). До сих пор столь высокие показатели удавалось получать только в гибридных усилителях выборки и хранения.

Быстродействующие и точные усилители выборки и хранения компаний National Semiconductor (а) и Analog Devices (б) обеспечивают запись сигнала с точност
Рис.2. Быстродействующие и точные усилители выборки и хранения компаний National Semiconductor (а) и Analog Devices (б) обеспечивают запись сигнала с точностью 12 бит менее чем за 150—250 нс. В обеих схемах осуществляется активная компенсация ошибок уровня, связанных с инжекцией заряда при выборке сигнала.

ИС компании National реализована на базе комплементарной БиПТ-технологии с напряжениями питания ±15 В (технология операционных усилителей), которая позволяет получать прп-транзисторы с ft=400 МГц и pnp — транзисторы с ft=200 МГц. Кристаллы компании Analog Devices изготавливаются по 2-мкм БиКМОП-технологии, которая позволяет получать pnp-транзисторы с ft=2 ГГц, КМОП-схемы с карманами n-типа и резисторы с лазерной подгонкой.

По данным обеих компаний, самой трудной задачей при получении столь высокого сочетания быстродействия и точности было уменьшение ошибки уровня сигнала при переходе в режим хранения. Речь идет об ошибке смещения, связанной с инжекцией зарядов при переключении из режима выборки в режим хранения.

В конструкций компании National используется высокое быстродействие УВХ с разомкнутой обратной связью в режиме выборки, а для устранения инжекции заряда предусмотрено дублирование уровня и его отработка вторым усилителем при переходе в режим хранения (рис.2,а). Данная схема состоит из двух отдельных усилителей, преобразующих напряжение в ток, которые поочередно подключаются и отключаются от общего входа, усилительного и выходного буферного каскадов. Схема мультиплексирования с токовым управлением S1 в цепи обратной связи общего усилителя осуществляет управление конденсатором хранения.

Во время выборки каскад gm1 передает входной сигнал на общие усилительные каскады, заряжая встроенный 10-пФ конденсатор хранения. Этот конденсатор подключается к земле через ключ S1, который при этом замкнут (ключ S2 также замкнут). По команде хранения ключи S2 и S3 быстро размыкаются (примерно за 1 нс) и подключают общий усилитель к выходу gm2. Каждый из входов gm2 представляет собой затвор повторителя на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом (ПТУП). В результате размыкания S2 фиктивный 10-пФ конденсатор подключается к gm2, что вызывает воспроизведение заряда, инжектированного в конденсатор хранения во время выборки уровня. Благодаря тому, что в каждый из конденсаторов инжектируются практически одинаковые по величине заряды, на положительном и отрицательном входах gm2 возникают примерно равные напряжения ошибки. В результате за счет подавления усилителем синфазного сигнала происходит полная компенсация ошибки.

В УВХ компании Analog Devices происходит не только коррекция инжектируемого заряда, но и коррекция усиления и напряжения смещения усилителя (рис.2,б). Во время выборки сигнал на его выходе не представляет собой точное повторение входного сигнала. Однако при переходе в состояние хранения образуется внутренняя цепь обратной связи, которая вырабатывает выходной сигнал, равный входному сигналу в момент выборки.

Когда ключи выборки S1, S3 и S5 замкнуты, ключи S2 и S4 разомкнуты. Кроме того, замкнут n-канальный МОП-ключ MSW1, который замыкает цепь обратной связи в усилительном каскаде gm1 с преобразованием напряжения в ток. Ключ MSW2 тоже замкнут, заземляя отрицательный вход gm1. Данный усилитель обеспечивает принудительное установление на нижних обкладках двух конденсаторов CH1 и CH2 потенциала земли. Входной сигнал, а также напряжение смещения усилителя gm1 и входного буфера выбираются в конденсатор хранения CH1. Заряд этого конденсатора хранения напряжения смещения обеспечивает автоматическую установку нуля в схеме.

В режиме хранения ключи S1, S3 и S5 разомкнуты, ключи S2 и S4 замкнуты. Ключи S1, S2 и S3 образуют Т-образную схему, которая уменьшает прямое поступление сигнала в конденсатор хранения. Ключ MSW1 разомкнут. Теперь в цепь обратной связи усилителя gm1 входят оба конденсатора и оба буфера. Когда ключ MSW1 размыкается, заряд, соответствующий ошибке уровня, инжектируется в конденсатор СН1. Ключ MSW2 в этот же момент времени размыкается, вводя такой же сигнал ошибки на конденсатор CQ. Ключи MSW1 и MSW2, а также конденсаторы CH1 и CHQ имеют согласованные параметры, обеспечивая в первом приближении точную компенсацию инжекции заряда.

Кроме того, в начале выборки сигнала ключи MSW3 и MSW4 замыкаются примерно на 50 нс, пропуская большие начальные токи заряда для конденсаторов CH1 и СН2, устраняя необходимость их заряда через выходную цепь усилителя gml. Этот метод сокращает время заряда и уменьшает динамический перепад напряжения на выходе усилителя. В целом время выборки уровня сокращается на 30%. В оставшееся время выборки n-канальные МОП-ключи разомкнуты, позволяя тем самым усилителю осуществлять установление уровня напряжения на конденсаторе хранения.

Подобно тому как выборка сигналов не обязательно означает их дискретизацию, схема с избыточной дискретизацией не обязательно предусматривает применение дельта-сигма модуляторов при полной преобразовательной схемы. И хотя все десять схем с избыточной дискретизацией, представленные на нынешней МКИС, выполнены по дельта-сигма архитектуре, только семь из них представляют собой полные преобразовательные устройства. Три другие — это просто дельта-сигма модуляторы без цифровых фильтров. Действительно, даже для простой проверки на функционирование каждый из этих трех приборов необходимо подключить к цифровым фильтрам.

Семь преобразователей данных

Из упомянутых выше семи полных преобразователей один представляет собой спаренный двухкристальный АЦП, два являются цифро-аналоговыми преобразователями, а три включают в себя как АЦП, так и ЦАП. Дельта-сигма преобразователи, имеющие в своем составе оба типа преобразователей данных, называются кодеками, что связано с их главной областью применения (в настоящее время). Однако на деле их можно использовать в широкой гамме прикладных устройств обработки аналоговых сигналов, включая между ними цифровой процессор сигналов. Последний из семи докладов этой группы полных дельта-сигма преобразователей посвящен ИС контроля напряжения питания.

Два из трех представленных на конференцию дельта-сигма модуляторов обеспечивают существенное повышение эффективной скорости дельта-сигма дискретизации при заданной точности — далеко за пределы возможностей приборов, известных до сих пор. В сочетании с фильтрами эти приборы вполне могут конкурировать с широко распространенными АЦП с последовательным приближением и даже успешно превосходят эти многошаговые устройства, имея скорости дискретизации на порядок выше тех, которые многими специалистами считались доступными. В третьем модуляторе достигнуты существенные усовершенствования по сравнению с базовой конструкцией на уровне современных частот дискретизации сигналов. Все три прибора изготовлены по той или иной разновидности КМОП-технологии.

Самый быстродействующий модулятор разработан коллективом специалистов Станфордского университета (шт.Калифорния). Он обеспечивает разрешение 12 бит и эффективную частоту преобразования данных 2,1 МГц. Тактовая частота дискретизации составляет 50 МГц, чему соответствует коэффициент избыточности дискретизации 24. Это заметно меньше современных типовых значений, лежащих в диапазоне от 64 до 512. Основная цель данной разработки состояла в том, чтобы получить архитектурное решение, обеспечивающее 12-бит разрешающую способность при частотах преобразования выше 1 МГц, избежав жестких требований к точности согласования компонентов и применения тактовых частот СВЧ-диапазона.

Низкие коэффициенты избыточности дискретизации существенно снижают эффективность повышения порядка схем формирования помех в таком модуляторе. Однако при альтернативном подходе можно снизить помехи дискретизации в полосе модулирующих частот с помощью многоразрядной дискретизации (когда многоразрядный параллельный АЦП заменяет более обычный для таких устройств 1-бит компаратор). Однако при таком подходе возможны повышенные требования к линейности цифро-аналогового преобразователя в составе такого устройства.

Группа специалистов из Станфордского университета выбрала вариант с многоразрядным дискретизатором, однако сумела ослабить зависимость его параметров от линейности ЦАП, разместив этот дискретизатор в последнем каскаде многокаскадного модулятора третьего порядка (рис.3,а). Влияние нелинейности многоразрядного ЦАП здесь ослабляется с помощью схемы формирования помехи второго порядка. Более критичный квантователь в первом каскаде имеет всего два выходных аналоговых уровня, поэтому он принципиально линеен.

Два дельта-сигма модулятора с избыточной дискретизацией обрабатывают 1-МГц сигналы с точностью 12 бит (а) и 500-кГц сигналы с точностью 14 бит (б). Дл
Рис.3. Два дельта-сигма модулятора с избыточной дискретизацией обрабатывают 1-МГц сигналы с точностью 12 бит (а) и 500-кГц сигналы с точностью 14 бит (б). Для первого прибора коэффициент избыточности дискретизации составляет всего 24, однако благодаря архитектуре третьего порядка с одно- и трехразрядными квантователями он дает 12-бит точность. Для второго прибора коэффициент равен 64, а устойчивость его схемы четвертого порядка обеспечивается с помощью ограничительных схем в третьем и четвертом интегрирующих каскадах.

Данная архитектура аналогична двухкаскадному устройству с 1-бит квантователем. Выход второго интегратора в первом каскаде квантуется вторым каскадом преобразователя. Цифровые выходные сигналы этих двух каскадов y1 и у2 объединяются с простыми цифровыми схемами, обеспечивающими подавление помех квантования от первого каскада. В идеальной ситуации на выходе Y остается только помеха квантования второго каскада, сформированная с помощью разностной схемы третьего порядка. Поскольку помеха квантования от второго каскада идет от многоразрядного квантователя, для всей схемы модулятора обеспечивается снижение помех квантования. Величина помехи получается такой же, как для однокаскадного многоразрядного квантователя, однако работа устройства теперь не зависит от линейности ЦАП. Например, чтобы получить для такой архитектуры 12-бит динамический диапазон, при 16-кратной избыточной дискретизации требуется линейность ЦАП всего 6 бит. Для однокаскадного многоразрядного модулятора требуется ЦАП с линейностью 10 бит.

Второй быстродействующий модулятор представлен фирмой Mietec Alcatel (Брюссель, Бельгия) и Католическим университетом (Лёвен, Бельгия). В докладе описан дельта-сигма модулятор с 14-бит разрешающей способностью и линейностью 93 дБ (15 бит), которые он обеспечивает на 500-кГц сигнале. Модулятор имеет коэффициент избыточности дискретизации 64 (частота дискретизации 32 МГц). Его разработчики сумели получить такое сочетание быстродействия и точности за счет повышения порядка модулятора до четырех. Однако при повышении порядка схемы модулятора возникают проблемы устойчивости. При некоторых начальных условиях схема устойчиво отрабатывает сигналы в пределах контура обратной связи, тогда как при других условиях она возбуждается.

Разработчики фирмы Alcatel остановились на схеме четвертого порядка (четыре интегратора). Анализ и моделирование показали, что добавление ограничительной схемы на выходах третьего и четвертого интеграторов должно обеспечить устойчивость схемы в целом, что и подтвердилось на практике (рис.3,б). Однако для этого положительный и отрицательный уровни ограничения должны быть меньше 3,125 опорного напряжения 1 В, т.е. меньше ±3,125 В. Поскольку напряжения на выходах интеграторов ограничены напряжением питания ±2,5 В, то это условие выполняется и схема устойчива. Данные ограничители действуют только после начального включения питания или перенапряжениях на входе, однако в типовых режимах работы модулятора они не действуют.

4-ГГц УВХ

Когда частота квантуемых данных начинает увеличиваться, становится принципиально необходимым включать перед преобразователем данных усилитель выборки. Однако реализация таких УВХ сама по себе тоже достаточно сложна. Мало кто из разработчиков будет отрицать, что при стремлении повысить быстродействие и/или точность в устройствах сбора данных самым слабым звеном всегда оказываются УВХ. В результате специалисты компании Hewlett-Packard Co. (Колорадо-Спрингс, шт.Колорадо) сделали вывод, что для построения 2-ГГц 8-бит системы сбора данных необходимо принципиально новое техническое решение для выборки сигналов — по существу многокристальный АЦП. Два таких АЦП, работающие в тандеме (частота выборки 4 ГГЦ), обеспечивают преобразование в цифровую форму 1-ГГц синусоиды с эффективной точностью 5,9 бит.

Такая система содержит четыре основных блока: новый усилитель выборки, фильтр нижних частот, параллельные АЦП и ЗУ с быстрым вводом и медленным выводом данных. Биполярный усилитель выборки состоит из четырех схем, выполненных на основе нового метода, каждая из которых обеспечивает выборку аналоговых сигналов с частотой 500 МГц. Эти выборки чередуются во времени, что дает эффективную частоту выборки 2 ГГц. На каждом из четырех выходов усилителя выборки включен толстопленочный фильтр нижних частот. Сигналы с их выходов поступают на пару сдвоенных семиразрядных (с 8-бит линейностью) биполярных параллельных АЦП. Выходные сигналы этих четырех АЦП записываются в четыре 4-кбит КМОП ЗУ с быстрым вводом и медленным выводом емкостью 4К*16 бит каждое.

Для этого АЦП требуется новая схема выборки, поскольку удержание заряда на миниатюрном конденсаторе даже в течение нескольких наносекунд при точном его считывании требует наличия буферного усилителя с очень высоким импедансом. Такой усилитель довольно трудно изготовить по биполярной технологии. Каждая из четырех схем выборки состоит из двух усилителей, разделенных ключом выборки, конденсатором хранения и резистором R (рис.4). Когда ключ замкнут, входной усилитель заряжает конденсатор хранения. Однако заряд этого конденсатора может «стекать» со скоростью, определяемой включенным параллельно ему резистором. Следовательно, для буферного усилителя в этом случае не требуется высокое входное сопротивление.

Выборка и квантование с частотой 2 ГГц осуществляются с помощью чередования во времени выходных цифровых сигналов четырех показанных здесь схем, кажда
Рис.4. Выборка и квантование с частотой 2 ГГц осуществляются с помощью чередования во времени выходных цифровых сигналов четырех показанных здесь схем, каждая из которых выполняет выборку с частотой 500 МГц. Заряд (или напряжение) на конденсаторе хранения спадает с известной скоростью через резистор R, что позволяет снизить требования к высокому входному сопротивлению буферного усилителя (изготавливаемого по биполярной технологии).

Частотная характеристика LC-фильтра высокого порядка, включенного на выходе буфера, определяет частотные свойства схем, расположенных после усилителя выборки. Системный тактовый импульс стробирует АЦП точно в тот момент, когда выходной сигнал фильтра достигает своего максимума — в точке, где скорость нарастания этого сигнала минимальна,— что и обеспечивает максимальную точность преобразователя. Однако необходимо, чтобы за один период выборки максимальное выходное напряжение фильтра успевало спадать до нуля, чтобы полностью исключить его взаимодействие с сигналом при следующей выборке.

Гилберт и Гилберт

От некоторых разработчиков по-прежнему можно услышать вопрос: «Кому сегодня нужны аналоговые умножители?» В ответ этим сомневающимся можно сказать, что такие приборы позволяют делать хорошие аналоговые модуляторы и демодуляторы. В докладе специалистов Рурского университета (Бохум, Германия) и компании Telefunken Electronic (Хейльбронн, Германия) описан аналоговый умножитель с частотным диапазоном от 0 до 6 ГГц по обоим портам. Благодаря таким высоким параметрам этот кремниевый (а не арсенид-галлиевый) кристалл можно использовать для демодуляции данных с дифференциальной частотной манипуляцией, передаваемых по когерентному волоконно-оптическому каналу цифровой связи со скоростью 8 Гбит/с. Новый кристалл разработан целевым назначением именно для этой системы.

Базовая схема этого четырехквадрантного умножителя — элемент Гилберта, изобретенный около 25 лет назад, была модернизирована с целью обеспечить точную симметрию по обоим входам. В противном случае на высоких частотах возможно возникновение ошибки умножения. В схеме используются два перемножающих «сердечника» (вместо одного). Пара входных сигналов поступает на оба входа каждого из таких умножителей, а для получения демодулированного выходного сигнала оба выходных сигнала суммируются.

Сам Барри Гилберт из отделения Northwest Labs компании Analog Devices (Бивертон, шт. Орегон) предложил новый метод управления усилением. В его докладе описывается ИС, содержащая пару усилителей с фиксированным усилением, перед каждым из которых включена пассивная резисторная цепочка. Внешнее дифференциальное управляющее напряжение Vb1—Vb2 непрерывно выполняет интерполяцию этой схемы, обеспечивая регулируемое ослабление сигнала между входом и выходом величиной до 40 дБ с масштабным коэффициентом 32 дБ/В (рис.5). При действующем значении входного напряжения 1 В схема имеет линейную частотную характеристику от нулевой частоты до 50 МГц (где спад усиления не превышает 3 дБ).

С помощью перераспределения тока между усилителями— преобразователями напряжения в ток, построенными на дифференциальных транзисторных парах, данная с
Рис.5. С помощью перераспределения тока между усилителями— преобразователями напряжения в ток, построенными на дифференциальных транзисторных парах, данная схема, разработанная компанией Analog Devices, посредством управляющего напряжения Vb1 — Vb2 превращает ре-зисторную схему типа схем ЦАП в регулируемый аттенюатор с регулировкой усиления до 40 дБ в диапазоне частот сигнала от 0 до 50 МГц.

Под действием роста напряжения управления усилением ток источника I последовательно поступает в дифференциальные каскады, управляемые напряжением, которые подключены к резисторной цепочке. Этот механизм аналогичен действию лестничной схемы в ЦАП, в которой соответствующие «ключи» имеют непрерывно варьируемое сопротивление в замкнутом состоянии. При переходе от одного отвода к другому усиление меняется не ступенчато, а плавно. Такой подход удобен во многих устройствах дистанционной и автоматической регулировки усиления, особенно когда речь идет о высокоскоростных или широкополосных сигналах.

Системы на кристалле

Стабилизатор понижающего типа создан в результате совместной деятельности проектных коллективов по разработке мощных ИС из компаний International Rectifier (Эль-Сегандо, шт.Калифорния) и National Semiconductor. ИС изготовлена по 5-мкм биполярной КМОП-ДМОП-технологии и по ряду основных технических характеристик существенно отличается от своих предшественников. Ее рабочий ток величиной 10 А вдвое выше, чем у существующих сегодня приборов, а допустимое 60-В напряжение на ключе — в 1,5 раза выше соответствующих напряжений 5-А стабилизаторных ИС. Коммутирующий ключ с максимальным напряжением 80 В представляет собой ДМОП-тран-зистор (вместо обычного биполярного транзистора) и имеет частоту переключения 1 МГц, что в 10 раз выше частоты существующих 5-А стабилизаторных ИС. Для других стабилизаторов с импульсным регулированием на МОП-транзисторах максимальные токи не превышают нескольких сотен миллиампер даже при повышенных входных напряжениях. Новая ИС работает при минимальных входных напряжениях всего 9 В.

Потребитель имеет возможность запрограммировать данную ИС в режим по напряжению или по току с помощью коммутации ее внешних выводов. В режиме по напряжению ИС работает быстрее, обеспечивая минимальные управляемые времена включенного состояния 100 нс, что при частоте переключения 1 МГц позволяет получить минимальный коэффициент заполнения всего 10%. В токовом режиме минимальные длительности включенного состояния составляют 200 нс, так что при частоте 1 МГц коэффициент заполнения составляет 20%. Однако в таком токовом режиме возможно параллельное включение нескольких стабилизаторов и исключение одного полюса из контура регулирования, что облегчает обеспечение устойчивости. В типовых стабилизаторах с понижением напряжения, вырабатывающих напряжение 5 В при токе 3 А из входного напряжения15 В, значение КПД при частотах переключения 200 кГц, 500 кГц и 1 МГц составляют 92, 82 и 73% соответственно. Для схемы, преобразующей напряжение 60 В в напряжение 5 В при токе 10 А и работающей с частотой 300 кГц, КПД получается равным примерно 77%.

Схемы возбуждения-фиксации с плавающим потенциалом осуществляют включение и выключение 120-мОм ключевого транзистора за время менее 30 не. Для управления этими схемами используются небольшие импульсы тока, генерируемые логическими схемами и сдвигаемые по уровням с помощью одноэлементных ДМОП-приборов. Сам мощный переключатель представляет собой МОП-транзистор с датчиком тока. Ток семи его элементов сравнивается с опорным током, и если общий ток превышает 12 А, то транзистор принудительно выключается. Если 200-нс времени срабатывания поимпульсной схемы ограничения тока оказывается недостаточно, то блок контроля за отклонением параметров режимов снижает частоту генератора в ИС до 33 кГц. В ИС также предусмотрена компенсация пилообразного сигнала, которая только недавно начала применяться в составе ИС стабилизаторов и контроллеров. Она обеспечивает устойчивую работу контура регулирования при работе ИС в токовом режиме с коэффициентами заполнения более 50%. Встроенный стабилизатор напряжения вырабатывает напряжение питания для низковольтных схем кристалла, в том числе для схем блокировки при перегреве и спаде напряжения.

Группа специалистов из корпоративного центра НИОКР компании General Electric (Скенектади, шт.Нью-Йорк) и компании Yokogawa Electric Corp. (Токио, Япония) представляет смешанную аналого-цифровую специализированную КМОП ИС, предназначенную для контроля (измерения) мощности в трехфазной электросети. Эта ИС получает аналоговые сигналы от трех трансформаторов напряжения и трех трансформаторов тока и формирует два последовательных цифровых и два аналоговых выходных сигнала (последние два с широтно-импульсной модуляцией). В состав выходных данных входят действующие значения напряжений и токов, значения активной, реактивной и кажущейся мощности, а также коэффициент мощности, фаза и частота. Все эти величины рассчитываются по входным аналоговым сигналам с помощью встроенного ЦПС (рис.6). Выходные ШИМ-сигналы ИС управляют, аналоговыми измерительными приборами, а цифровые выходные сигналы поступают на ведущий компьютер.

Сочетание дельта-сигма АЦП с цифровым процессором сигналов позволило получить ИС для измерения параметров сетевого трехфазного напряжения, которая по
Рис.6. Сочетание дельта-сигма АЦП с цифровым процессором сигналов позволило получить ИС для измерения параметров сетевого трехфазного напряжения, которая по значениям фазных напряжений и токов формирует выходные цифровые сигналы и аналоговые ШИМ-сигналы. Эти сигналы представляют собой частотные и мощностные параметры, рассчитанные по входным сигналам ИС.

Каждый из шести входных сигналов с действующим напряжением 150 мВ и частотой от 40 до 70 Гц обрабатывается дельта-сигма модулятором первого порядка. Эти полностью дифференциальные схемы на коммутируемых конденсаторах осуществляют избыточную дискретизацию входных сигналов с тактовой частотой 2,5 МГц (1/4 частоты главного тактового сигнала), а их выходные последовательные цифровые сигналы поступают на цифровые фильтры нижних частот и фильтры с частотной характеристикой вида sine2, с конечной импульсной характеристикой и с прореживанием. С выходов фильтров сигналы идут на специализированный цифровой процессор сигналов, который и вычисляет все выходные величины. Другие аналоговые схемы кристалла генерируют уровень земли для аналоговых сигналов (напряжение 2,5 В, равное половине напряжения питания) и опорное напряжение 1,25 В для модуляторов. Поскольку модуляторы работают от разностного сигнала (разность однопровод-ного входного сигнала и аналоговой земли), стабильность и точность напряжения для аналоговой земли принципиальной роли не играют. Ошибка усиления, связанная с ограниченной точностью источника опорного напряжения, корректируется в цифровом процессоре сигналов. Дрейф напряжения питания не влияет на выходные ШИМ-сигналы, поскольку усиление модулятора изменяется пропорционально этому напряжению во встречном направлении.

Выходные сигналы с фильтров с прореживанием дельта-сигма модуляторов поступают на процессор умножения-накопления, который выполняет калибровку, перекрестное перемножение и низкочастотную фильтрацию. Этот процессор выполняет функции умножения-накопления, которые требуются для «системных» алгоритмов обработки сигналов. Ему «помогает» в этом цифровой детектор перехода нуля, генератор коэффициентов триангуляции для вычисления коэффициентов фильтров нижних частот с частотной характеристикой вида sine2 и статическое ЗУПВ, в котором хранятся промежуточные значения переменных. С помощью своей схемы перемножения последовательных данных процессор отрабатывает полную программу расчетов для каждой выборки данных из АЦП. В каждом 3,2-мкс командном цикле он выполняет перемножение 16- и 32-разрядных чисел. Его выходные сигналы подвергаются прореживанию до 5 Гц и затем передаются на процессор Cordic для нормирования усиления фильтров нижних частот и расчета выходных функций устройства.

ИС изготавливается с помощью 5-В 1,5-мкм КМОП-технологии с двумя уровнями поликремния. Точность измерения по мощности и частоте составляет более 0,04% от полного входного перепада напряжения 150 мВ. Для дельта-сигма АЦП отношение сигнал/(помеха+искажения) составляет 77 дБ, т.е. лучше 12 бит. ИС потребляет от 5-В источника питания около 160 мВт.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 64, No.03 (856), 1991г - пер. с англ. М.: Мир, 1991, стр.26

Electronics Design Vol.39 No.01 January 10, 1991 A Penton Publication

Electronics Design Vol.39 No.03 February 14, 1991 A Penton Publication

Frank Goodenough. ISSCC: analog technology, ED, 1991, No.3, pp. 67,68,71,73,74,76,77.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     МКИС-91





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1991/D19910228Elc012.shtml