Сигма-дельта АЦП по технологии КНИ для работы при высоких температурах

Автор(и)

  • Александр Станиславович Коротков Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Russian Federation https://orcid.org/0000-0001-8407-6528
  • Дмитрий Валерьевич Морозов Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Russian Federation https://orcid.org/0000-0003-3403-0120
  • Михаил Михайлович Пилипко Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Russian Federation https://orcid.org/0000-0003-3813-6846
  • Михаил Сергеевич Енученко Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Russian Federation https://orcid.org/0000-0002-5301-3871

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347020110035

Ключові слова:

аналого-цифровой преобразователь, сигма-дельта АЦП, высокая температура, цифро-аналоговый преобразователь, динамическое согласование элементов, кремний-на-изоляторе, интегральная схема, цифровой фильтр, схемы на переключаемых конденсаторах

Анотація

В работе рассмотрена разработка интегральной схемы и результаты измерений тестовых кристаллов для сигма-дельта АЦП с разрядностью 12 бит на основе 180 нм технологии «кремний–на–изоляторе» (КНИ) компании X-FAB. При напряжении питания 3,3 В и тактовой частоте модулятора 10 МГц АЦП обрабатывает входные сигналы в полосе частот до 100 кГц в диапазоне температур –40…+175 °С. Схема содержит предварительный фильтр нижних частот пятого порядка на переключаемых конденсаторах для ограничения спектра входного сигнала, каскадное соединение сигма-дельта модуляторов второго порядка, и цифровой децимирующий фильтр для снижения тактовой частоты в 48 раз. Основные блоки ограничивающего фильтра и модулятора собраны по балансной схеме на интеграторах на основе операционных транскондуктивных усилителей с полосой единичного усиления 63 МГц. Для расширения динамического диапазона преобразователя использована схема динамического согласования элементов, которая уменьшает уровень нелинейных искажений в цифро-аналоговых преобразователях в цепях обратных связей модулятора. Обеспечено значение параметра SINAD не хуже 68 дБ при преобразовании сигнала с дифференциальной амплитудой 500 мВ на частоте 100 кГц.

Біографія автора

Михаил Сергеевич Енученко, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Ассистент ВШПФиКТ, СПбПУ

Посилання

А. Коротков, Д. Морозов, М. Пилипко, И. Пятак, Д. Буданов, “Аналого-цифровые преобразователи для беспроводных систем связи: опыт разработки,” Электроника: наука, технология, бизнес, no. 2, pp. 40–47, 2016, uri: https://www.electronics.ru/journal/article/5133.

В. С. Голуб, “Сигма-дельта модулятор: уточнение эквивалентной схемы и передаточной функции,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 53, no. 6, pp. 48–57, 2010, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347010060063.

А. С. Бенедиктов, Н. А. Шелепин, П. В. Игнатов, А. А. Михайлов, А. Г. Потупчик, “Исследование динамических характеристик высокотемпературных элементов КНИ КМОП СБИС, ‘микроэлектроника,’” Микроэлектроника, no. 3, pp. 222–225, 2018, doi: https://doi.org/10.7868/S0544126918030067.

J. Pathrose, C. Liu, K. T. C. Chai, Y. Ping Xu, “A time-domain band-gap temperature sensor in SOI CMOS for higherature applications,” IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 62, no. 5, pp. 436–440, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/TCSII.2014.2386231.

M. Malits, I. Brouk, Y. Nemirovsky, “Temperature sensing circuits in CMOS-SOI technology,” in 2017 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems, COMCAS 2017, 2017, vol. 2017-Novem, pp. 1–5, doi: https://doi.org/10.1109/COMCAS.2017.8244788.

L. Pedala, U. Sonmez, F. Sebastiano, K. A. A. Makinwa, K. Nagaraj, J. Park, “An oxide electrothermal filter in standard CMOS,” in 2016 IEEE SENSORS, 2016, pp. 1–3, doi: https://doi.org/10.1109/ICSENS.2016.7808512.

H. Shan, J. Peterson, M.-S. Tsai, Y. Tang, N. J. Conrad, S. Mohammadi, “A low power cmos temperature sensor frontend for RFID tags,” in 2018 IEEE 18th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), 2018, pp. 15–18, doi: https://doi.org/10.1109/SIRF.2018.8304217.

F. Gerfers, N. Lotfi, E. Wittenhagen, H. Ghafarian, Y. Tian, M. Runge, “Body-bias techniques in CMOS 22fdx® for mixed-signal circuits and systems,” in 2019 26th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), 2019, pp. 466–469, doi: https://doi.org/10.1109/ICECS46596.2019.8964676.

А. С. Коротков, М. М. Пилипко, Д. В. Морозов, Й. Хауэр, “Дельта-сигма модулятор с частотой дискретизации 50 МГц на основе 0.18 мкм КМОП технологии,” Микроэлектроника, vol. 39, no. 3, pp. 230–240, 2010, uri: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=13857239.

J. M. de la Rosa, R. Schreier, K.-P. Pun, S. Pavan, “Next-generation delta-sigma converters: trends and perspectives,” IEEE J. Emerg. Sel. Top. Circuits Syst., vol. 5, no. 4, pp. 484–499, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/JETCAS.2015.2502164.

B. Razavi, “The delta-sigma modulator [a circuit for all seasons],” IEEE Solid-State Circuits Mag., vol. 8, no. 2, pp. 10–15, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/MSSC.2016.2543061.

M. Соника, Д. Д. Неема, Р. Н. Пател, “Конструкции многобитного сигма-дельта модулятора,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 59, no. 6, p. 3, 2016, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347016060017.

A. S. Kozlov, M. M. Pilipko, “A second-order sigma-delta modulator with a hybrid topology in 180nm CMOS,” in 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2020, pp. 144–146, doi: https://doi.org/10.1109/EIConRus49466.2020.9039246.

G. Jovanovic Dolecek, J. R. Garcia Baez, M. Laddomada, “Design of efficient multiplierless modified cosine-based comb decimation filters: analysis and implementation,” IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., vol. 64, no. 5, pp. 1051–1063, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TCSI.2017.2653720.

Q. Huang, P. Wan, X. Xie, C. Wang, L. Su, Z. Chen, “Digital filter design of a high resolution audio sigma-delta adc,” in 2018 12th IEEE International Conference on Anti-counterfeiting, Security, and Identification (ASID), 2018, pp. 208–211, doi: https://doi.org/10.1109/ICASID.2018.8693141.

Д. В. Морозов, М. М. Пилипко, Д. О. Буданов, М. С. Енученко, “Операционный транскондуктивный усилитель с дифференциальным выходом,” RU 2683185, 2019.

R. T. Baird, “Linearity enhancement of multibit ΔΣ a/d and d/a converters using data weighted averaging,” IEEE Trans. Circuits Syst. II Analog Digit. Signal Process., vol. 42, no. 12, pp. 753–762, 1995, doi: https://doi.org/10.1109/82.476173.

V. O’Brien, B. Mullane, “High order mismatch shaping for low oversampling rates,” IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 67, no. 1, pp. 42–46, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/TCSII.2019.2904180.

J. R. Shakya, G. C. Temes, “Efficient calibration of feedback DAC in delta sigma modulators,” IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 67, no. 5, pp. 826–830, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/TCSII.2020.2984025.

В. И. Слюсар, М. В. Бондаренко, “Методы оценивания джиттера АЦП в некогерентных системах,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 54, no. 10, pp. 19–28, 2011, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347011100037.

W. Kester, The Data Conversion Handbook. Oxford: Newnes, 2005, uri: https://www.analog.com/en/education/education-library/data-conversion-handbook.html#.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-12-29

Як цитувати

Коротков, А. С., Морозов, Д. В., Пилипко, М. М., & Енученко, М. С. (2020). Сигма-дельта АЦП по технологии КНИ для работы при высоких температурах. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(11), 683–694. https://doi.org/10.20535/S0021347020110035

Номер

Том 63 № 11 (2020)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.