Швидкодіючі високоточні АЦП із перерозподілом заряду з ваговою надлишковістю, що самокалібруються

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено підвищенню точності та швидкодії анало­го-цифрових перетворювачів послідовного наближення на базі конденсаторного ЦАП з ваговою надлишковістю за рахунок використання матриць драбинкового типу та використання цифрового самокалібрування ваг розрядів. Розроблено нові математичні моделі статичних похибок АЦП із перерозпо­ділом заряду на основі ЦАП драбинкового типу, які дозволяють визначити основні джерела появи похибок та шляхи їх зменшення, а також межу між „неточними” і „точними” розрядами самокаліброваного АЦП залежно від структури конденсато­рної матриці, інструментальної иохибки виготовлення конденсаторів та робочої системи числення. Отримано нові математичні співвідношення для розрахунку постійної часу перехідного процесу на вході компаратора при використанні конденсаторних мат­риць вагового, драбинкового та комбінованого типів, які дозволяють визначити таку структуру конденсаторної матриці, при якій мінімізується постійна часу пе­рехідних процесів. Вперше досліджено вплив інструментальних похибок окремих компонентів конденсаторної матриці драбинкового типу на точність формування вихідної на­ пруги конденсаторним ЦА11, що дозволило оцінити сумарну похибку перетворювача та запропонувати шляхи її зменшення. Розроблено нові структурні схеми та вдосконалено методи цифрового самокалібрування ваг розрядів АЦП із перероз­поділом заряду, які дозволяють суттєво (в кілька разів) зменшити методичну по­хибку калібрування. Розроблено практичні рекомендації щодо схемотехнічного проектування аналогових вузлів самокаліброваних АЦП порозрядного врівнова­ження з перерозподілом заряду, зокрема підсилювача постійного струму, буфер­ного елементу. Запропоновані схемотехнічні рішення захищені патентами Украї­ни.

Диссертационная работа посвящена повышению точности и быстродействия аналого-цифровых преобразователей последовательного приближения на базе конденсаторного ЦАП с весовой избыточностью за счет использования матриц лестничного типа и использования цифрового самокалибрования весов разрядов. Разработаны новые математические модели статических погрешностей АЦП с перераспределением заряда на основе ЦАП лестничного типа, которые позволя­ 18 ют определить основные источники появления погрешностей и пути их уменьше­ ния, а также границу между «неточными» и «точными» разрядами самокалибро- ванного АЦП в зависимости от структуры конденсаторной матрицы, инструмен­ тальных погрешностей изготовления конденсаторов и рабочей системы исчисле­ ния.Разработаны практические рекомендации относительно схемотехнического проектирования аналоговых узлов самокалиброванных АЦП поразрядного урав­ новешения с перераспределением заряда, в частности, усилителя постоянного то­ ка, буферного элемента. Спроектированные узлы промоделированы с помощью современных средств схемотехнического моделирования и показали характери­ стики, которые не уступают, а по некоторым параметрам превышают характери­ стики аналогичных устройств, выпускаемых ведущими фирмами. Предложенные схемотехнические решения защищены патентами Украины.

The dissertational work is devoted to increase of accuracy and speed of analog-todigital converters o f consecutive approach on the basis of a condenser DAC with weight redundancy due to use of matrixes of ladder type and use self-calibrating of digital weights. Developed new mathematical models of static ADC errors with redistribution of a charge on the basis of ladder type DAC that allow to define the basic sources of occurrence of errors and ways of their reduction, and also feature between "inexact" and "exact" categories of self-calibrated ADC depending on structure of a condenser matrix, tool errors of manufacturing of condensers and working system of calculation. Received new mathematical parities for calculation of a transients’ time constant on an input of the comparator at use of condenser matrixes of the weight, ladder and combined types that allow to define such structure of a condenser matrix at which the transients’ time constant is minimized. For the first time it is investigated influence of tool errors of separate components of a condenser matrix of ladder type on accuracy of formation of a target pressure condenser DAC, that has allowed to estimate a total error of the converter and to offer ways of its reduction. Developed new block diagrams and improved methods of selfcalibration of digital weights of ADC categories with redistribution of a charge that allow to essentially reduce a methodical error of self-calibration. Developed practical recommendations rather schematic designing of analog units of sclf-calibrated ADC with digit-by-digit counterbalancing with redistribution of a charge, in particular, the amplifier of a direct current and a buffer element. It is offered the schematic decisions protected by patents of Ukraine.