Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций
Каталог

Обратная связь

Я ищу:

Содержимое электронного каталога российских диссертаций

Диссертационная работа:

Тутышкин Александр Андреевич. Реализация малопотребляющих КМОП фильтров на переключаемых конденсаторах на основе токовых конвейеров : Дис. ... канд. техн. наук : 05.12.04 : СПб., 2004 177 c. РГБ ОД, 61:05-5/1034


Для получения доступа к работе, заполните представленную ниже форму:


*Имя Отчество:
*email



Содержание диссертации:

Введение 4

Глава I. Текущее состояние, перспективы, задачи 14

1. Ї. Общие вопросы теории фильтрации, фильтры на переключаемых

конденсаторах ] 4

  1. Основные свойства и схемотехника токовых конвейеров 19

  2. Применение токовых конвейеров для решения задач фильтрации и других задач обработки и формирования сигналов 30

  1. Конверторы импедансов 30

  2. Звенья фильтров на основе токовых конвейеров 34

  3. Дополнительные возможности применения ССИ 39

1.4. Цель и задачи работы 42
Глава ГІ, Синтез SC-фильтров на основе токовых конвейеров 46

  1. Общие положения 46

  2. Анализ SC-схем на основе токовых конвейеров 47

  1. Текущее состояние вопроса, проблемы и задачи 47

  2. Топологический анализ 51

  3. Алгебраический анализ 57

  1. Разработка интегратора 63

  2. Методика синтеза ФНЧ на основе токовых конвейеров 76

  3. Выводы 86 Глава Ш. Реализация основных структурных блоков фильтра 88

  1. Элементная база фильтра 88

  2. Реализация схемы повторителя напряжения 89

  3. Реализация схемы токового конвейера 93

  1. Оценка минимально необходимых значений параметров схемы 93

  2. Разработка принципиальной схемы токового конвейера 95

  1. Реализация схемы ключа 102

  2. Макромодель токового конвейера 108

  1. Идеализированная модель токового конвейера 109

  2. Моделирование частотных свойств токовых конвейеров 110

  3. Нелинейные свойства токовых конвейеров 111

  4. Шумовые свойства токовых конвейеров 113

  5. Полная макромодель С СП 117

3.6. Выводы 118

Глава IV. Синтез фильтра - моделирование и эксперимент 122

  1. Постановка задачи 122

  2. Синтез фильтра 123

  3. Моделирование 131

  1. Тестирование макромодели токового конвейера 131

  2. Моделирование АЧХ SC-фильтра с использованием макромодели токового конвейера 134

  3. Моделирование с использованием пакета программ Cadence 141

4.4. Эксперимент 147

  1. Формирование управляющих сигналов 147

  2. Разработка топологии микросхемы 148

  3. Измерительная установка 153

  4. Измерение характеристик токового конвейера 154

  5. Измерение характеристик фильтра 157

4.5. Выводы 164
Заключение 167
Список литературы
169



Введение диссертации:

Актуальность темы. Увеличение степени интеграции

микроэлектронных схем и тенденция к уменьшению пагребляемой мощности радиоэлектронной аппаратуры приводят к необходимости понижения напряжений питания, что является причиной уменьшения динамического диапазона аналоговых цепей. В этой связи особую актуальность приобретает задача увеличения динамического диапазона разрабатываемых устройств. В то же время, при реализации современных телекоммуникационных систем, таких как WLAN, DECT и Bluetooth, необходимо использовать частотно-избирательные устройства с расширенным диапазоном рабочих частот, в частности, фильтры нижних частот (ФНЧ) с полосой пропускания от 1 МГц [1, 2]. В качестве примера на рис. І приведена структурная схема приемника стандарта Bluetooth [2]. ФНЧ входит в состав блока, обозначенного на схеме как GFSK Demodulator, и обеспечивает выделение рабочей полосы частот, предварительное подавление помех, а также подавление высших гармоник сигнала, возникающих в процессе обработки.

Complex Li miter

Low RF Noise N1/ Fitter Amplifier

%

Mixers Filter. &RSSl

DC Offset Cancellation

Digital Bit S1 reams

Рис. 1. Структурная схема приемника стандарта Bluetooth [2].

Также, реализация комбинированных устройств обработки сигналов, совмещающих на одном кристалле аналоговую и цифровую часть (System-on-Chip), требует уменьшения физических габаритов реализуемых узлов. При реализации цифровых устройств обработки сигналов в подавляющем

большинстве случаев используется КМОП-технология. В связи с этим аналоговая часть реализуемого устройства должна быть также выполнена по КМОП-технологии. Одной из важнейших составляющих аналоговой части являются частотно-избирательные устройства (ЧИУ). В КМОП-исполнении используются следующие классы ЧИУ: фильтры на переключаемых конденсаторах (switched capacitors, SC-фильтры) и фильтры, построенные на транскондуктивных усилителях (так называемые Gm-C фильтры). Каждый из выделенных классов активных ЧИУ имеет свои преимущества и недостатки. Реализация Gm-C фильтров требует включения в состав ЧИУ схемы автоподстройки параметров, входящих в фильтр транскондуктивных усилителей (ТУ). Вследствие этого увеличиваются потребляемая мощность, занимаемая на кристалле площадь, а также усложняется разработка фильтра.

Прецизионные фильтры на переключаемых конденсаторах на основе операционных усилителей могут быть реализованы без схемы автоподстройки. Это связано с тем, что постоянные времени фильтра определяются отношениями величин конденсаторов, которые могут быть выдержаны в КМОГТ-технологии с точностью не ниже 1%. Следовательно, упрощается процесс разработки ЧИУ, уменьшаются занимаемая на кристалле площадь и потребляемая мощность. Также необходимо отметить, что схемы на переключаемых конденсаторах работают под управлением тактовой частоты. Следовательно, использование таких схем оправдано при реализации на одном кристалле с цифровой частью, так как цифровая обработка предполагает наличие в системе как минимум одной тактовой частоты. Однако такой подход оправдан при реализации фильтров с рабочими частотами, не превышающими 150-200 кГц. Это связано с тем, что при реализации схем с более высокими рабочими частотами необходимо использование ОУ с повышенной полосой рабочих частот (более 10-12 МГц), что существенно увеличивает потребляемую мощность и занимаемую фильтром площадь на кристалле.

Сложности использования описанных методов синтеза стимулируют поиск принципиально новых путей реализации высокочастотных фильтров. В

этой связи представляется перспективным переход к обработке сигналов не в базисе напряжений, а в базисе токов [3]. Действительно, схемы, работающие в токовом базисе, имеют меньшие значения сопротивлений в узлах. Поэтому при обработке сигналов в базисе токов максимальные значения напряжений на внутренних узлах схемы значительно меньше, чем при обработке сигналов в базисе напряжений. Это приводит к уменьшению нелинейных искажений и расширению динамического диапазона. Кроме того, паразитные емкости заряжаются до меньших значений напряжений, вследствие чего увеличивается скорость обработки сигнала и увеличивается частотный диапазон [4].

Для построения схем, работающих в базисе токов, необходима соответствующая элементная база. В базисе токов основным схемотехническим элементом является так называемый токовый конвейер. Данная схема представляет собой усилитель тока, и была впервые предложена К.Смитом и А.Седра (K.Smith, A.Sedra) в 1968 г. [5]. Токовый конвейер первого поколения (first generation current conveyor, CCI) представляет четырехполюсный элемент, который определяется соотношением вида:

Узлы X, Y CCI имеют низкий входной импеданс. Поэтому CCI не нашел широкого применения как самостоятельный элемент, так как в большинстве приложений предпочтительно иметь один из входных узлов с высоким импедансом. Тем не менее, CCI используется в качестве основы для построения токовых усилителей и токовых конвейеров второго поколения (second generation current conveyor, ССП, рис.2). Функционирование ССИ, впервые предложенного в работе [6], описывается матричным уравнением (1):

и,

(1),

где коэффициенты КииК/Ъ идеальном случае равны 1. Знак «+» или «—»перед коэффициентом К] определяет тип токового конвейера - неинвертирующий и

инвертирующий соответственно. (Неинвертирующим принято считать ССЇІ, у которого токи на выводах X и Z направлены одновременно либо внутрь конвейера, либо из него). Следовательно, токовый конвейер второго поколения - четырехполюсный элемент, который сочетает в себе свойства источника (генератора) напряжения, управляемого напряжением (ИНУН) и источника (генератора) тока, управляемого током (ИТУТ). Узлы Y и Z являются высокоимпедансными, узел X - низкоимпедансным, т.е. для идеального С СП выполняются соотношения:

Рис.2. Токовый конвейер второго поколения.

Поскольку в схеме нет каскадов с большим коэффициентом усиления, то нет необходимости в подключении корректирующей цепи, что позволяет добиться расширения частотного диапазона, даже при малых напряжениях питания.

Принимая во внимание преимущества схем на переключаемых конденсаторах и токовых конвейеров, представляется перспективным метод реализации ЧИУ, основанных на комбинации токовых конвейеров и схем на переключаемых конденсаторах. Такой подход должен иметь следующие преимущества: во-первых, SC-реализация, в отличие от Gm-C-реализации, дает возможность не включать в фильтр схему автоподстройки, во-вторых, использование токового конвейера позволяет расширить частотный диапазон до единиц мегагерц без существенного увеличения потребляемой мощности, занимаемой площади и ухудшения динамических свойств. Так, экспертные оценки показывают, что потребляемая мощность такого фильтра составит не более 2 мВт при занимаемой площади на кристалле до 0.05 мм на один полюс передаточной функции и отношении сигнал/шум не менее 60 дБ при уровне

третьей гармоники не выше -50 дБ. В то время как из результатов, приведенных в сводной таблице характеристик реализованных ранее фильтров в [7] следует, что для фильтров, работающих в диапазоне частот порядка единиц мегагерц, минимальная потребляемая мощность составляет около 2 мВт на один полюс при занимаемой площади около 0.4 мм2, а минимальная занимаемая площадь на один полюс передаточной функции - около 0.05 мм2 при потребляемой мощности, равной 4 мВт на один полюс.

При решении задачи синтеза SC-фильтров, как правило, используется метод операционной имитации [8, 9]. Основными достоинствами метода являются; низкая чувствительность характеристик фильтров к разбросу значений элементов, низкая чувствительность к влиянию паразитных емкостей, входящих в состав элементов (электронных ключей, ОУ, CCTI), эффективная перестройка параметров фильтра изменением тактовой частоты. Основным базовым блоком для построения фильтра высокого порядка является SC-интегратор. Схемы SC-интеграторов на основе ОУ, мало чувствительных к паразитным емкостям известны и рассмотрены, например, в [8]. Соответственно, для синтеза SC-цепей на основе CCII методом операционной имитации необходимо разработать SC-интегратор на основе ССП, мало чувствительный к паразитным емкостям.

Реализация устройств на основе новых схемотехнических блоков, в данном случае на основе ССП, требует разработки соответствующих методов символьного анализа таких устройств. При анализе линейных цепей применяются алгебраические (матричные) либо топологические (графологические) методы. Для анализа цепей, содержащих активные элементы, необходимо определить формализованные правила, по которым этот элемент вводится в матрицу (при алгебраическом анализе) либо в граф цепи (при топологическом анализе). Таким образом, для получения алгоритмов анализа цепей, содержащих токовые конвейеры, необходимо адаптировать существующие методики анализа для данного типа цепей.

Важным этапом при разработке радиоэлектронных устройств, в том числе ЧИУ, является компьютерное моделирование. Схемы на основе активных элементов, например ОУ, ТУ, CCII, могут моделироваться, когда данные блоки представлены на уровне транзисторов либо на уровне макромоделей. Моделирование на уровне макромоделей занимает существенно меньшее машинное время, чем время моделирования на транзисторном уровне. При этом, при наличии макромодели, точно описывающей различные свойства активного элемента (частотные, динамические, шумовые), результат моделирования достаточно близок к результату моделирования на транзисторном уровне при гораздо меньших (иногда на порядки) затратах машинного времени. Это особенно важно при разработке цепей дискретного типа, к которым относятся SC-цепи, так как в этом случае время анализа существенно выше, чем время анализа аналоговых цепей. В настоящее время в литературе не предложено полной макромодели токового конвейера, учитывающей все свойства усилителя. Таким образом, важной задачей является разработка макромодели токового конвейера, максимально полно учитывающей его поведение в составе дискретно-аналоговых цепей.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики проектирования и реализация малопотребляющих микроэлектронных фильтров на переключаемых конденсаторах с расширенным частотным диапазоном на основе КМОП токовых конвейеров. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

развитие символьных методов анализа аналоговых и дискретных цепей на основе токовых конвейеров;

разработка SC-интегратора на основе токового конвейера с минимальной чувствительностью характеристик к паразитным емкостям элементов схемы;

разработка КМОП-элементной базы для построения ЧИУ, включающей токовые конвейеры, повторители напряжения и электронные ключи;

синтез фильтров нижних частот на основе интеграторов, малочувствительных к паразитным емкостям, с расширенным частотным диапазоном и малой потребляемой мощностью;

разработка макромодели токового конвейера с учетом его частотных, нелинейных и шумовых свойств;

компьютерное моделирование ФНЧ, микроэлектронная реализация ФНЧ по 0.35-мкм КМОП-технологии и экспериментальное исследование реализованных интегральных схем.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы анализа и синтеза электрических цепей: метод ориентированного беспетлевого ірафа и метод узловых потенциалов, метод операционной имитации. Расчеты, моделирование на ЭВМ и эксперимент проведены с помощью программ MathCAD, Matlab, Micro-CAP, Cadence, Eagle Layout Editor.

Положения, выносимые на защиту

  1. Для построения высокочастотных, малопотребляющих и занимающих малую площадь на кристалле микроэлектронных фильтров целесообразно реализовывать схемы на переключаемых конденсаторах с использованием токовых конвейеров в качестве активных элементов.

  2. Для реализации фильтров на переключаемых конденсаторах на основе токовых конвейеров методом операционной имитации следует использовать токовые конвейеры на основе повторителя напряжения, выполненного на базе дифференциального каскада с обратной связью и подключенного к нему повторителя тока на комплементарной паре МОП-транзисторов.

  1. Для реализации SC-интеграторов на основе токовых конвейеров, нечувствительных к паразитным емкостям, необходимо использовать следующую схему включения ССП: вывод Y подключается к «аналоговой земле», к выводу X подключается SC-имитатор резистивного импеданса, а к выводу Z подключается не переключаемый конденсатор. Для реализации демпфированного интегратора к описанной схеме добавляется заземленный SC-имитатор резистивного импеданса, подключенный к выводу Z.

  2. Анализ схем, содержащих CCTI, целесообразно проводить методом узловых потенциалов и методом ориентированного беспетлевого графа, что позволяет исследовать как схемы на основе идеализированных ССП, так и схемы на основе CCII с реальными параметрами, включая входные и выходные сопротивления, коэффициенты передачи по напряжению и току, полосу рабочих частот.

  3. Полоса рабочих частот по уровню -3 дБ повторителя тока, входящего в состав ССП, должна превышать значение тактовой частоты не менее чем в 1.5 раза. При этом искажения характеристик фильтра, обусловленные ограниченностью полосы рабочих частот, не превышают заданный технологическими ограничениями разброс постоянных времени, равный 1 проценту.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Развиты методики анализа цепей, содержащих токовые конвейеры. Предложены математическая и топологическая модели ССП.

  2. Разработана схема токового конвейера с расширенным диапазоном рабочих частот, высоким выходным сопротивлением, малым потреблением и малой занимаемой на кристалле площадью для реализации микроэлектронных SC-схем.

  1. Предложена схема электронного ключа, позволяющая компенсировать эффект прохождения тактовых импульсов в тракт обрабатываемого сигнала при максимальном динамическом диапазоне S С-схемы.

  2. Разработана макромодель ССИ, учитывающая частотные, нелинейные и шумовые свойства токовых конвейеров.

  3. Разработан алгоритм реализации SC-фильтров на ССП методом операционной имитации.

Практическая ценность.

Разработаны инженерно-ориентированные методики символьного анализа схем на основе токовых конвейеров. Предложена схема ССІІ, позволяющая реализовать S С-фильтры с расширенным до единиц мегагерц диапазоном рабочих частот. Разработана макромодель токового конвейера, позволяющая в несколько раз сократить время, затрачиваемое на моделирование фильтра. Разработаны схемы нечувствительных к паразитным емкостям SC-интеграторов на токовых конвейерах для реализации микроэлектронных фильтров.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

«Микроэлектроника и информатика - 2001», восьмая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 18-19 апреля 2001 г., Зеленоград, МИЭТ.

«XXX Юбилейная Неделя науки СП6ТТУ», межвузовская научная конференция, 26 ноября -1 декабря 2001 г., Санкт-Петербург, СПбТТУ.

«SPb-IEEE Соп'04», 2004 ШЕЕ RUSSIA (NORTHWEST) SECTION CONFERENCE, 9-10 июня 2004 г., Санкт-Петербург, СПбГЭТУ им. А.С.Попова.

it

«1CCSC2002», 1 Int. conference on circuits and systems for communications, 26-28 июня 2002 г., Санкт-Петербург, СПбГПУ.

«ICCSC'2004», 2nd Int. conference on circuits and systems for communications, 30 июня - 2 июля 2004 г., Москва, МТУСИ.

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основной текст диссертации содержит 177 машинописных страниц, 106 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 95 наименований.

Вклад автора в разработку проблемы.

Основные научные положения, теоретические выводы, практические рекомендации, расчеты и моделирование в диссертации выполнены автором самостоятельно.

Реклама


2006-20011 © Каталог российских диссертаций