Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат
Рассмотрены методы совершенствования параметров аналоговых интерфейсов на основе БИС и особенности оценки эффективности этих методов с помощью виртуальных плат. It is considered signal averaging to increase the ADC resolution and time interleaving to increase ADC sample rate. The methods are checked...
Saved in:
| Date: | 2006 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2006
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6449 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат / В.А. Романов, И.Б. Галелюка // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 133-140. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859900305336958976 |
|---|---|
| author | Романов, В.А. Галелюка, И.Б. |
| author_facet | Романов, В.А. Галелюка, И.Б. |
| citation_txt | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат / В.А. Романов, И.Б. Галелюка // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 133-140. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Рассмотрены методы совершенствования параметров аналоговых интерфейсов на основе БИС и особенности оценки эффективности этих методов с помощью виртуальных плат.
It is considered signal averaging to increase the ADC resolution and time interleaving to increase ADC sample rate. The methods are checked with virtual evaluation board.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:57:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 133
V. Romanov, I. Galelyuka
METHODS OF PERFECTING
OF PERFORMANCES OF
MICROELECTRONIC
COMPONENTS AND ANALYSIS
OF THEIR EFFICIENCY
WITH VIRTUAL EVALUATION
BOARDS
It is considered signal averaging to
increase the ADC resolution and
time interleaving to increase ADC
sample rate. The methods are
checked with virtual evaluation
board.
Рассмотрены методы совершен-
ствования параметров аналого-
вых интерфейсов на основе БИС
и особенности оценки эффекти-
вности этих методов с помощью
виртуальных плат.
В.А. Романов, И.Б. Галелюка,
2006
УДК 381.3
В.А. РОМАНОВ, И.Б. ГАЛЕЛЮКА
МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ПАРАМЕТРОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ
КОМПОНЕНТОВ И АНАЛИЗ
ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ С ПОМОЩЬЮ
ВИРТУАЛЬНЫХ ОЦЕНОЧНЫХ ПЛАТ
Виртуальное проектирование (работа с моде-
лями) основной метод разработки и созда-
ния БИС и сверхбольших интегральных
схем (СБИС). В то же время при разработке
средств вычислительной техники, систем
управления измерительных каналов биосен-
сорных и других устройств на основе БИС и
СБИС в основном используются методы фи-
зического моделирования. Учитывая, что ка-
ждая БИС и СБИС сопровождается макромо-
делью, методы виртуального проектирования
легко могут быть распространены и на за-
конченные изделия, состоящие из большого
числа микроэлектронных компонентов. Раз-
витие виртуальных лабораторий автоматизи-
рованного проектирования (ВЛАП) важная
задача информационных технологий. Воз-
можность коллективного доступа к средст-
вам ВЛАП на современном этапе позволяет
разрабатывать различные вычислительные и
измерительные устройства с широким ис-
пользованием баз данных, электронных биб-
лиотек, пакетов прикладных программ, вир-
туальных оценочных плат. Это дает возмож-
ность автоматизировать расчеты параметров
(точность, производительность, надежность
и т.п.) основных узлов, отрабатывать конст-
руктивные и эргономические решения, вклю-
чая разработку печатных плат, корпусов и
т.д. Задачи, решаемые с помощью ВЛАП,
подробно рассмотрены в [1, 2].
Кроме вышеперечисленных возможностей,
виртуальные методы позволяют проверять и
В.А. РОМАНОВ, И.Б. ГАЛЕЛЮКА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 134
оценивать схемотехнические и другие приемы совершенствования параметров
БИС и СБИС в составе проектируемых изделий. Рассмотрим некоторые из них.
Современные БИС и СБИС представляют собой сложные системы на кристалле,
которые могут включать в себя многоканальные быстродействующие аналого-
цифровые преобразователи (АЦП) с высоким разрешением, цифровые фильт-
ры, сигнальные про-
цессоры, интерфейсы и
другие аналоговые и
цифровые узлы. Каза-
лось бы, улучшить их
паспортные параметры
невозможно, так как
нельзя изменить архи-
тектуру кристалла. Од-
нако, как видно на
рис. 1, суммируя и ус-
редняя результаты ко-
дирования одного и то-
го же сигнала VS на вы-
ходе четырехканально-
го 12-разрядного АЦП
AD12500, можно уве-
личить его разрешение
до 13 двоичных разря-
дов. Известно, что на
входе каждого из четырех АЦП имеется сигнал VSi плюс шум VNi. Суммарное
значение сигнала VT плюс суммарное среднеквадратичное значение шума на
выходе АЦП будет равно
2
4
2
3
2
2
2
14321 NNNNSSSST VVVVVVVVV . (1)
Учитывая, что сигнал VS1 = VS2 = VS3 = VS4, то в соответствии с (1) напряже-
ние на выходе АЦП в результате суммирования увеличится в четыре раза, а уро-
вень шума только в два. Таким образом, отношение сигнал/шум SNR тоже
увеличится вдвое, что соответствует 6,02 дБ. В связи с тем, что отношение
SNR [дБ] = 6,02N + 1,76, отсюда
дБ 6,02 дБ1,76
1
6,02 6,02 6,02
SNR
N N N
. (2)
Используя выражения (1), (2), можно показать, что при увеличении числа
АЦП до восьми отношение SNR увеличивается на 9 дБ, до 16 АЦП – на 12 дБ, до
32 АЦП – на 15 дБ. Однако, чем больше АЦП содержит БИС, тем больше ее по-
РИС. 1. Структурная схема четырехканального АЦП AD12500
с одним источником дифференциального входного сиг-
нала
МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 135
требление и размеры корпуса, поэтому современные БИС, как правило, содер-
жат не более восьми преобразователей.
Следует отметить, что увеличение разрядности АЦП согласно (2) возможно,
если параметры преобразователей в составе БИС идентичны как на постоянном,
так и на переменном токе. На постоянном токе увеличение разрядности АЦП
характеризуется ростом эквивалентного разрешения в соответствии с (2), на пе-
ременном токе – ростом эффективного числа двоичных разрядов. Эквивалент-
ное разрешение определяется отношением сигнал/шум, эффективное число дво-
ичных разрядов зависит, кроме того, от уровня нелинейных или гармонических
искажений THD, которые вычисляются в соответствии с выражением [3]:
2
скв
2
10 2
( )
10log дБ
m
i
H i
THD
S
, (3)
где H2(i)скв – среднеквадратичное значение (СКВ) амплитуды i-гармоники;
m – число гармоник; S – среднеквадратичное значение амплитуды входного
сигнала.
Учет шумов и нелинейных искажений выполняется в соответствии с выра-
жением
2 2
CKB
2
10 2
скв
( )
10log дБ
m
i
H i N
THD N
S
. (4)
Первый параметр легко определить расчетным путем, второй измеряется
путем подачи на вход АЦП гармонического сигнала и выделения на выходе
ложных гармонических составляющих. Это может быть сделано с помощью бы-
строго преобразования Фурье (БПФ). Поставить натурный эксперимент для оп-
ределения эффективного числа двоичных разрядов или динамического диапазо-
на неискаженного сигнала в полосе частот пропускания исследуемого АЦП
весьма затруднительно. Данный параметр целесообразно анализировать с помо-
щью виртуальной оценочной платы АЦП ADIsimADC [4]. При этом число гар-
моник m, как правило, не больше пяти. Пример частотного спектра многока-
нального АЦП, полученного с помощью виртуальной оценочной платы, показан
на рис. 2.
Еще одним приемом, позволяющим улучшить параметры микроэлектрон-
ных систем на кристалле, является подмешивание шума на вход аналогового
В.А. РОМАНОВ, И.Б. ГАЛЕЛЮКА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 136
интерфейса. Известно, что
если уровень сигнала на
входе АЦП близок к вели-
чине кванта и составляет
несколько единиц младше-
го разряда (ЕМР), то между
шумом квантования и вхо-
дным сигналом наблюда-
ется сильная корреляция
[5]. На рис. 3, а показан
входной сигнал АЦП с ам-
плитудой 1,5 ЕМР; б – вы-
ходной код этого АЦП; в –
шум квантования. Благода-
ря корреляции шум кван-
тования изменяется по то-
му же закону, что и вход-
ной сигнал АЦП. При ма-
лых сигналах на входе
АЦП дискретные отсчеты на его выходе не меняют своих значений. Чем ближе
код на выходе АЦП к прямоугольной форме, тем больше в спектре выходного
сигнала содержится ложных гармонических составляющих. Для устранения
влияния возможных гармонических искажений вследствие корреляции между
входным сигналом и шумом квантования можно применить подмешивание слу-
чайного сигнала на вход АЦП для преобразования его в некоррелированный бе-
лый шум на выходе. Несмотря на то, что при этом суммарный шум на выходе
АЦП растет, дополнительный шум позволяет разрушить прямоугольную форму
сигнала на выходе и соответственно прямоугольную форму шума квантования.
Среднеквадратичный уровень подмешиваемого на вход АЦП сигнала не превы-
шает 1/3 ЕМР или составляет 2 ЕМР от пика к пику. Это значит, что мы теряем
один или два значащих разряда на выходе АЦП, однако в спектре выходного
шума будут отсутствовать ложные гармоники. На рис. 4 показаны полученные с
помощью виртуальной платы ADIsimADC спектры выходного шума без подме-
шивания и с подмешиванием случайного сигнала. Как следует из рис. 4, б
средний уровень шума на выходе АЦП при подмешивании вырос на 4 дБ, одна-
ко при этом в спектре отсутствуют ложные гармоники большой амплитуды.
Реализовать схемы подмешивания с применением аналогового генератора бело-
го шума (как правило, специального диода, или операционного усилителя, вход-
ной шум которого приближается к белому) или цифрового генератора псевдо-
случайного шума можно в соответствии с функциональными схемами, показан-
ными на рис. 5, а, б.
Подмешивание шума с последующим усреднением является эффективным
приемом уменьшения дифференциальной нелинейности параллельно-последо-
вательных конвейерных АЦП, выполненных в микроэлектронном исполнении.
РИС. 2. Частотный спектр многоканального АЦП AD12500
МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 137
РИС. 3. а входной сигнал АЦП амплитудой ±1,5 ЕМР;
б цифровой код этого сигнала; в распреде-
ление шума квантования во времени при коди-
ровании сигнала низкого уровня
Такие преобразователи со-
стоят, как правило, из нес-
кольких линеек малоразряд-
ных АЦП с разрешением не
более пяти бит. Из-за плохо-
го согласования шкал этих
АЦП передаточная характе-
ристика всего преобразовате-
ля может иметь большую
дифференциальную нелиней-
ность (рис. 6). Добавление
случайного шума на вход та-
кого преобразователя с по-
следующим усреднением ре-
зультатов преобразования по-
зволяет существенно умень-
шить дифференциальную не-
линейность. На рис. 7 показа-
ны полученные с помощью
виртуальной оценочной пла-
ты АЦП ADIsimADC зависи-
мости дифференциальной не-
линейности преобразователя
AD6645 от выходного кода
(рис. 7).
Многоканальные АЦП с
преобразователем в каждом
канале (см. рис. 1) имеют еще
одну возможность совершен-
ствования своих параметров.
Она заключается в том, что,
осуществляя запуск каждого
из АЦП с определенным
сдвигом при одном и том же
входном сигнале, можно в
четыре раза (соответственно
числу параллельно включенных АЦП) увеличить частоту Котельникова (Найк-
виста) для сигнала на входе преобразователя [6]. Величина сдвига φ определяет-
ся из выражения
2π 1
φ
m
M
, (5)
В.А. РОМАНОВ, И.Б. ГАЛЕЛЮКА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 138
где m – номер запускаемого АЦП, M – число АЦП в составе многоканального
преобразователя.
РИС. 4. а спектр выходного шума АЦП без подмешивания; б с подмешиванием
псевдослучайного сигнала на входе преобразователя
РИС. 5. а структурная схема подмешивания аналогового сигнала на вход АЦП;
б структурная схема подмешивания цифрового сигнала на вход АЦП
на вход АЦП
МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 139
Следует отметить, что
точность восстановления
сигнала на выходе такого
преобразователя за-висит
от согласования характе-
ристик каждого из парал-
лельно включенных АЦП.
Рассогласование статиче-
ских (смещение и наклон
передаточной характерис-
тики) и динамических (по-
лоса пропускания и фазо-
вая задержка) характери-
стик отдельных АЦП мо-
жет привести к сущест-
венной потере точности
преобразования. Провести
натурный эксперимент
для исследования переда-
точной характеристики
многоканального АЦП с
распределенным во вре-
мени запуском в полосе
пропускания и при разных частотах выборки весьма затруднительно. Зная раз-
брос параметров таких БИС можно с помощью виртуальной оценочной пла-
ты получить выходные спектральные характеристики при заданной частоте
входного сигнала и частоте выборки.
РИС. 6. Передаточная характеристика параллельно-
последовательного конвейерного АЦП с вы-
сокой дифференциальной нелинейностью
РИС. 7. Дифференциальная нелинейность AD6645 без и с подмешиванием
В.А. РОМАНОВ, И.Б. ГАЛЕЛЮКА
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 140
В заключение рассмотрим особенности виртуальной оценочной платы ADI-
simADC. Прежде всего, необходимо получить у разработчика этой платы (фир-
мы Analog Devices) информацию о том, какие типы АЦП (типы БИС) модели-
руются с помощью ADIsimADC. Отметим, что перечень таких АЦП постоянно
расширяется. Учитывая, что аналого-цифровые преобразователи могут исполь-
зоваться как в контуре управления, так и в системах связи, виртуальная оценоч-
ная плата моделирует смещение и наклон передаточной характеристики,
частоту выборки, полосу пропускания дрожание тактовых импульсов, задержку
распространения сигналов в АЦП как на переменном, так и на постоянном токе.
Входной сигнал для виртуальной платы задается в вольтах во всем частотном
диапазоне. На частоте среза модель демонстрирует ослабление динамического
диапазона на 3 дБ. Следует указать, что выбранная разработчиком модель пре-
образователя ведет себя в полном соответствии с физическим аналогом. Если,
например, преобразователь имеет дифференциальный вход, его модель не по-
зволяет работать с несимметричным сигналом, если синфазный уровень в физи-
ческом аналоге регулируется, то же самое обеспечивает и виртуальная плата.
Если параметры модели, задаваемые разработчиком, не соответствуют техниче-
скому описанию на АЦП, то результаты преобразования, которые выдает модель
на выходе, будут равны нулю.
Виртуальная оценочная плата ADIsimADC использована в Институте ки-
бернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины при проектировании измеритель-
ных каналов биосенсорных приборов.
Выводы. Параметры БИС и СБИС аналоговых интерфейсов могут быть
улучшены за счет применения специальных методов обработки результатов
преобразования. Оценка эффективности применения этих методов может быть
выполнена с помощью виртуальных оценочных плат.
1. Palagin O.V., Galelyuka I.B., Romanov V.O. Structure and organization of typical Virtual La-
boratory for Computer-Aided Design // Proceeding of the Third IEEE Workshop on "Intelligent
Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications",
IDAACS'2005. – Sofia, Bolgaria. – 2005, September 5–7. – Р. 460 – 463.
2. Палагін О.В., Брайко Ю О., Галелюка І.Б. та інш. Структурна організація віртуальної
лабораторії для проектування засобів обчислювальної техніки // Комп'ютерні засоби, си-
стеми та мережі, 2005. № 4. C.4756.
3. Кестер У. Выходной шум АЦП: всегда ли нужно с ним бороться? // Электронные компо-
ненты и системы, 2006. № 5. С. 3 8.
4. Галелюка И.Б. Как виртуальная плата ADIsimADC моделирует поведение преобразовате-
лей данных // Электронные компоненты и системы, 2006. № 6. С. 811.
5. Джозефсон О. Особенности применения и преимущества сигма-дельта АЦП // Электрон-
ные компоненты и системы, 2006. № 1. С. 313.
6. Ридер Р., Луней М., Хенд Дж. Особенности проектирования многоканальных АЦП //
Электронные компоненты и системы, 2006. № 6. С. 3 7.
Получено 13.04.2006
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6449 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:57:11Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Романов, В.А. Галелюка, И.Б. 2010-03-04T10:48:49Z 2010-03-04T10:48:49Z 2006 Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат / В.А. Романов, И.Б. Галелюка // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 133-140. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6449 381.3 Рассмотрены методы совершенствования параметров аналоговых интерфейсов на основе БИС и особенности оценки эффективности этих методов с помощью виртуальных плат. It is considered signal averaging to increase the ADC resolution and time interleaving to increase ADC sample rate. The methods are checked with virtual evaluation board. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат Methods of perfecting of performances of microelectronic components and analysis of their efficiency with virtual evaluation boards Article published earlier |
| spellingShingle | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат Романов, В.А. Галелюка, И.Б. |
| title | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат |
| title_alt | Methods of perfecting of performances of microelectronic components and analysis of their efficiency with virtual evaluation boards |
| title_full | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат |
| title_fullStr | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат |
| title_full_unstemmed | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат |
| title_short | Методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат |
| title_sort | методы совершенствования параметров микроэлектронных компонентов и анализ их эффективности с помощью виртуальных оценочных плат |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6449 |
| work_keys_str_mv | AT romanovva metodysoveršenstvovaniâparametrovmikroélektronnyhkomponentovianalizihéffektivnostispomoŝʹûvirtualʹnyhocenočnyhplat AT galelûkaib metodysoveršenstvovaniâparametrovmikroélektronnyhkomponentovianalizihéffektivnostispomoŝʹûvirtualʹnyhocenočnyhplat AT romanovva methodsofperfectingofperformancesofmicroelectroniccomponentsandanalysisoftheirefficiencywithvirtualevaluationboards AT galelûkaib methodsofperfectingofperformancesofmicroelectroniccomponentsandanalysisoftheirefficiencywithvirtualevaluationboards |