Увеличение скорости и точности обработки информации в устройствах и системах радиоэлектронной и вычислительной техники

Обзор

Увеличение скорости и точности обработки информации в устройствах и системах радиоэлектронной и вычислительной техникипотребовало разработки большого класса быстродействующих однокристальных схем аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей ( АЦП и ЦАП ) широкого применения .

Развитие интегральной микроэлектроники за последние три десятилетия можно разделить на два этапа: первый – разработка , освоение в производстве и и расширение промышленного выпуска логических микросхем для ЭВМ ; второй – дальнейшее развитие работ по разработке и серийному производству сложных цифровых больших интегральных схем ( БИС ) и сверхбольших схем ( СБИС ) и использование планарной технолоии в изготовлении широкого класса линейных схем прецизионной точности для обработки и преобразования аналоговых сигналов ( операционных усилителей , компараторов , АЦП и ЦАП ) .

Микросхемы преобразователей сигналов по сравнению с цифровыми микросхемами имеют следующие особенности :

высокую точность и большую стабильность входных и выходных характеристик в широком диапозоне температур ;

сравнительно бодьшое число контролируемых параметров в технологическом цикле производства , при контроле готовых схем и механических и климатических испытаниях ;

высокие требования к котрольно-измерительной аппаратуре по точности и производительности при проверке статических и динамических параметров .

При разработке и изгатовлении микросхем ЦАП и АЦП необходимо учитывать большую номенклатуру входящих компонентов и повышенные по сравнению с цифровыми микросхемами требования к их электрическим параметрам по точности и температурной стабильности ; нерегулярность структуры и наличие в ней узлов , выполняющих линейные и нелинейные функции обработки сигналов (разрядные ключи  усилители ,  компараторы , источники опорного напряжения , резисторные матрицы , схемы управления и запоминания ) . Возникает много проблем технологического характера , которые связаны с обеспечением требований по точности и контролю геометрических размеров многослойных микроструктур , формируемых на пластинах кремния .

Для построения современных вычислительных систем обработки информации широко применяются быстродействующие  ЦАП и АЦП . Следует отметить следующие  тенденции развития микросхем АЦП и ЦАП ; расширение функциональных возможностей за счёт увеличения схемной и конструктивной сложности ; повышение разрядности с одновременным снижением потребляемой мощности и рост быстродействия .                                                  

Цифро-аналоговыми преобразователями ( ЦАП ) называют устройства , генерирующие выходную аналоговую величину , соответствующую цифровому коду , поступающему на вход преобразователя . Цифро-аналоговые преобразователи используются для согласования ЭВМ с аналоговыми устройствами , а также в качестве внутренних узлов в аналого-цифровых преобразователях ( АЦП ) и цифровых измерительных приборах . Цифро-аналоговое преобразование состоит в большинстве случаев в суммировании величин , соответствующих разрядам входного кода . Применяются в основном два метода цмфро-аналогового преобразования : суммирование эталонных величин и суммирование эталонных величин , веса которых отличаются . В первом при формировании выходной аналоговой величины используется одна эталонная величина весом в один квант . Вовтором методе применяются эталонные величины с весами , зависящими от номера разряда , и в суммировании участвуют только те эталонные величины , для которых в соответствующем разряде входного кода имеется единица . При этом используется двоичный позиционный код или двоично-десятичный . Работа таких ЦАП описывается выражением   X = P* (a1*2‾ ² + a2*2‾ ² + . . . +ai*2‾٤ ) , где  X – выходная аналоговая величина ; ai – коэффициенты соответствующих двоичных разрядов , которые принимают дискретные значения единица или нуль ; P – опрный сигнал ; ٤ – число разрядов . Опорным сигналом может служить напряжение постоянного или переменного тока .В преобразователях из опорного сигнала формируются эталонные величины , ссответствующие значениям разрядов входного кода , которые суммируются и образуют дискретные значения выходной аналоговой величины .

В последнее время получила распространение классификация АЦП , показывающая , как во времени развёртывается процесс преобразования . Исходя из этого все АЦП можно разбить на три типа : последовательные , параллельные и параллельно-последовательные .

К последовательным АЦП относятся , например , преобразователи , основанные на преобразовании напряжение-частота , интегрирующего типа , последовательных приближений , следящего типа . Все эти АЦП позволяют получить высокую разрядность , однако имеют невысокое быстродействие .

Параллельные АЦП построены на принципе одновременного преобразованиясигнала путём его квантования с помощью набора компараторов . Такие АЦП являются самыми быстродействующими и позволяют достичь частот преобразования 100 . . . 400 МГц . К недостаткам параллельных АЦП относится резкое увеличение числа компонентов при увеичении разрядности , что , в свою очередь , приводит к увеличению потребляемой мощности и размеров кристалла .

Параллельно-последовательные АЦП представляют собой комбинацию из малоразрядных параллельных АЦП , ЦАП , операционных усилителей ( ОУ ) , устройств выборки-хранения ( УВХ ) и т. д. Принцип преобразования таких АЦП обычно сводится к двухступенчатому алгоритму – в начале производится определеие старших разрядов значения входного напряжения с помощью первого малоразрядногопараллнльного АЦП , затем формируется разностный сигнал с помощью ЦАП и  ОУ и осуществляется формирование младших разрядов с помощью второго малоразрядного параллельного АЦП . Такое построение позволяет уменьшить число элементов в преобразователе и полкучить разрядность 12 бит при частоте преобразования 10 МГц . Основным недостатком АЦП такого типа являются наличие большого числа линейных узлов , требования к точностным и динамическим характеристикам которых очень высоки , а также трудности , связанные с прецизионной стыковкой этих узлов друг с другом , что требует настройки каждого индивидуадьного преобразователя . По указанным причинам такие АЦП в полупроводниковом интеградьном