Методика внутренней коррекции параметров ЦАП Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.049.77 : 001.63

МЕТОДИКА ВНУТРЕННЕЙ КОРРЕКЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЦАП Д.Е. Горбунов, А.И. Мушта

В статье предложена методика коррекции нелинейности характеристики ЦАП

Ключевые слова: методика, коррекция, интегральная нелинейность, пережигаемая перемычка, подстройка

Постановка задачи. На этапе производства кристаллов возникает технологический разброс параметров, присущий любой технологии и любой кремниевой фабрике. В результате чего возникают отклонения параметров от заданных значений[1]. В некоторых приложениях не требуется высокая точность, в результате чего возникает технологическая выбраковка и расширение номенклатуры изделий, основное различие между которыми - худшее значение одних или других параметров. Что совершенно естественно, изделия с более худшими параметрами отпускаются по более низким ценам. Что для производителя, несомненно, является выходом, поскольку позволяет реализовать изделия не прошедшие «первую приемку». Вместе с тем возникает обоснованное желание улучшить параметры, готовых изделий и повысить процент изделий прошедших "первую приемку". Поэтому целесообразно рассмотреть пути повышения процента выхода годных изделий на примере быстродействующих ЦАП с токовым выходом серии К1273 [2].

Коррекция параметров опорного напряжения. О повышении процента выхода годных кристаллов приходится заботиться уже на этапе проектирования схемы. Так совершенно не обязательно, что идеально работающая схема на этапе проектирования, после реализации ее в "кремнии" останется с теми же заложенными параметрами, а скорее наоборот - возникнут отклонения в ту или иную сторону. Поэтому разработчику приходится усложнять схему, путем введения дополнительных корректирующих цепей, позволяющих подстраивать те или иные параметры. Следует отметить, что такие схемные ухищрения обходятся заметным усложнением схемы, и их применение целесообразно только для параметров, оказывающих значительное влияние на всю схему в целом. Так, рассматривая параметры ЦАП, можно сделать вывод, что к критичным параметрам, имеющим возможность коррекции, можно отнести величину и стабильность опорного напряжения, а также нелинейность характеристики. Цепи коррекции, как правило, вводят в схему дополнительные элементы, обеспечивающие значение корректируемого параметра с некоторым отклонением от заданной величины. Эти дополнительные элементы изначально блокируются пережигаемыми перемычками, допускающими однократное измене-

Горбунов Денис Евгеньевич - ВГТУ, соискатель, тел. 89081300152

Мушта Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. 89191856830^^Щ1^^^Н1

ние состояния. Следует отметить, что пережигаемая перемычка с позиций затрат площади кристалла, а соответственно и стоимости является оптимальной. Однако, так как пережигаемая перемычка имеет возможность только один раз изменить свое состояние (а именно изменить свое сопротивление с низкого значения на боле высокое), то для возможности изменения параметра в обе стороны приходится заранее, в расчете на последующую подстройку, устанавливать корректируемый параметр отличным от номинала.

Рис. 1. Участок топологии с блоком подстройки сопротивления (Я - сопротивление, Р1-Р4 -пережигаемые перемычки, кр1-кр5 - подстроечные контактные площадки)

Так для примера в источнике опорного напряжения последнее формируется путем создания падения напряжения при протекании стабильного тока через постоянное сопротивление. На этапе производства значение удельной проводимости этого резистора может варьироваться в некоторых пределах. Для обеспечения подстройки в данном случае разработчиком закладывается завышенное значение сопротивления на величину, определяемую предельными значениями отклонения удельного сопротивления (Яё1+Яё2), и обеспечивается шунтирование этой добавленной величины пережигаемой перемычкой (Р3, Р4), кроме того шунтируется аналогичная по сопротивлению часть рабочей области номинала резистора (ЯЛ, Я'2) (см рис. 1).

При моделировании заданную величину опорного напряжения обеспечивает резистор? образованный элементами Я'0,Я'1,Я,2 (см. рис. 1).

Методика коррекции нелинейности характеристики ЦАП. Вторым подстраиваемым параметром в рассматриваемом примере является нелинейность характеристики. Обеспечить ее подстройку несколько сложнее, поскольку нелинейность в следствии технологического разброса параметров транзисторов источников тока может возникнуть на любой ступени (шаге) характеристики.

Для дальнейшего пояснения принципа коррекции обратимся к структурной схеме ЦАП 1273ПА7Т (рис. 2). Выходной ток в данной схеме

Рис. 2. Структурная схема ЦАП 1273ПА7Т

формируется комбинированным способом, т.е. все токи матрицы токов разделены на 3 группы: старшие, средние и младшие. В старшей группе формируются 32 тока одинаковых по величине 1/32 тока полной шкалы. 31 ток поступает через токовые ключи на выход, и 1 дополнительный служит для установки тока полной шкалы. В средней группе формируются 15 одинаковых токов равных 1/512 тока полной шкалы. В младшей группе формиру.тся 5 младших токов пропорциональных весу своего двоичного разряда. Из анализа схемы можно сделать вывод, что основной вклад в общую нелинейность схемы будут вносить токи старшей группы, причем отклонение любого из токов этой группы может значительно ухудшить общую нелинейность. Для средней и младшей групп, отклонение (обусловленное технологическим разбросом) одного из токов в группе будет менее заметно в общей характеристике. Следовательно, необходима индивидуальная коррекция каждого из токов старшей группы, для средней и младшей групп будет достаточно общегрупповой коррекции.

Очевидно, что для коррекции шаг подстройки должен быть не боле значения младшего значащего разряда (Ь8В), т.е. в данном случае 1/512 (0,2%) от величины тока старшей группы. Максимальная величина подстройки определяется количеством используемых пережигаемых перемычек. В данной схеме для подстройки каждого из токов старшей группы используется 5 перемычек. Коррекция средней группы производится сразу для всех токов группы и обусловлена не столько выравниванием линейности внутри группы, сколько необходимостью подстройки суммарного тока всей группы средних токов, до среднего уровня одной ступени скорректированной старшей группы. Аналогично для младшей группы выполняется общегрупповая

коррекция с той лишь разницей, что коррекция старшей группы допускает как увеличение, так и уменьшение общего тока. Изменение знака коррекции для младшей группы обусловлено схемотехнической особенностью данного ЦАП, заключайся в способе формирования токов для средней группы, который жестко пропорционален величине тока старшей группы и жестко не привязан к величине тока младшей группы. В результате общее количество пережигаемых перемычек составляет 170 штук: 4 перемычки для общегрупповой коррекции младшей группы токов, что обеспечивает коррекцию ± 2 % Ь8В; максимальное значение корректировки ± 14 % Ь8В; 6 перемычек для общегрупповой коррекции средней группы токов, что обеспечивает коррекцию + 1,6 % Ь8В; максимальное значение корректировки + 100 % Ь8В. Для старшей группы используется 160 перемычек: 145 для 31 тока старшей группы и 5 для коррекции тока полной шкалы. Коррекция тока полной шкалы осуществляется увеличением тока, протекающего через внешний задающий резистор, что в результате приводит к уменьшению общего управляющего напряжения всех транзисторов - источников тока токовой матрицы. Так как общее количество перемычек значительно, использование для доступа к ним принципа, аналогичного приведенному на рис. 1, связано с определенными трудностями. Поэтому блок перемычек объединен в отдельный блок однократно программируемого ПЗУ со своей схемой управления для программирования произвольной перемычки.

Для расчета номеров перемычек, которые необходимо пережечь используется следующая методика, суть которой заключается в следующем. Корректируемый кристалл проходит измерение исходной нелинейности. Причем нет необходимости измерять нелинейность по всем точкам выходной характеристики (что сопряжено с большими затратами времени особенно в условиях массового производства). Нелинейность измеряется отдельно по каждой группе токов. Далее осуществляется расчет величины и номера корректируемого коэффициента по следующему алгоритму. На каждом из 31 шагов характеристики старшей группы рассчитывается отклонение от номинальной величины, если величина отклонения превышает величину Ь8В, то если отклонение отрицательное (величина тока меньше идеальной характеристики), то корректирующему коэффициенту для данного тока присваивается значение равное отношению величины отклонения, деленному на шаг подстройки. Если отклонение положительное, то корректирующему коэффициенту для тока полной шкалы присваивается значение равное отношению величины отклонения, деленному на шаг подстройки и на номер тока, имеющий положительное отклонение. Далее происходит пересчет коэффициентов для нового значения корректирующего коэффициента тока полной шкалы. В случае если для коррекции необходимо значение коэффициента превышающее 31, производится пересчет для величины отклонения увеличенной, в 2 раза по сравнению с предыдущим значением.

Величина корректирующего коэффициента для средней группы рассчитывается как отношение усредненного значения величины шага старшей группы деленное на 16(кол-во токов в средней группе) и на шаг подстройки. Аналогично рассчитывается коэффициент для младшей группы.

После проведения коррекции доступ к схеме коррекции блокируется, дальнейшее изменение параметров нелинейности становится невозможным.

Приведенный алгоритм реализован в программе расчета корректирующих коэффициентов (КК)[2](рис. 3).Программа написана на языке Delphi, объемом 500кБ. Программа позволяет в автоматическом режиме рассчитывать КК. Исходными задаваемыми параметрами являются; разрядность ЦАП количество разрядов в каждой группе токов, шаг подстройки в каждой группе, количество шагов под-

Рис. 3 показывает окно программы для случая расчета нелинейности 14 разрядного ЦАП с начальной интегральной нелинейностью 32.51 ЬББ. В В результате коррекции значение интегральной нелинейности уменьшилось до 1.02 ЬББ. В правой части окна отображаются рассчитанные значения корректирующих коэффициентов.

Таким образом, введение в схему корректирующих цепей значительно увеличивает выход годных схем, позволяя производить подстройку параметров на этапе измерения кристаллов.

Заключение. *Рассмотрены пути повышения процента выхода годных изделий на примере быстродействующих ЦАП с токовым выходом серии К1273.

Воронежский государственный технический университет

стройки. Исходная нелинейность загружается из текстового файла, в котором отдельно для каждой группы токов и для каждого тока в группе приведены замеренные значения токов. Далее в графическом виде программа отображает нелинейность характеристики. При выборе опции «автоматический расчет» происходит вычисление КК, которые отображаются в правой части окна программы. Графики нелинейности для каждой группы токов можно посмотреть отдельно. Для оценки вклада каждой группы в общую нелинейность предусмотрена возможность отключения. нужной группы токов из расчета графика общей нелинейности. Программа позволяет осуществлять ручной подбор КК с отображением их влияния на характеристику нелинейности.

*Разработана методика внутренней коррекции нелинейности характеристики ЦАП.

*Реализация методики осуществлена зарегистрированной в Роспатенте программой [3], которая снабжена графическим интерфейсом. Она позволяет увидеть исходную, конечную нелинейность ЦАП, изменять в ручном режиме величину корректирующих коэффициентов, отражая при этом внесенные изменения.

Литература

1. Микросхемы АЦП и ЦАП. Справочник. ,Додэка, Москва. 2005.

2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011614117 от 25.05.2011.

3. 1273ПА7Т Техническое описание

Рис. 3. Окно программы, отображающее интегральную нелинейность ЦАП до коррекции (1)

и после коррекции (2)

METHOD OF INTERNAL CORRECTION DAC

D.E. Gorbunov, A.I. Mushta

In article the algorithm of correction of nonlinearity of the characteristic is considered Key words: method, correction, INL, correction, fusible link