Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі з накопиченням заряду

Abstract

Дисертацію присвячено розробленню та дослідженню раціональних принципів побудови та створенню логарифмічних АЦП з накопиченням заряду (НЗ) на комутованих конденсаторах з покращеними метрологічними характеристиками. Запропоновано класифікацію логарифмічних АЦП з НЗ. Отримали подальший розвиток структурні методи підвищення точності, розширення динамічного діапазону та гнучкості зміни основи логарифму логарифмічних АЦП з НЗ на послідовних пасивних конденсаторних комірках і логарифмічних АЦП з НЗ з імпульсним від‘ємним зворотним зв‘язком. Дано оцінку динамічних властивостей, виявлено джерела похибок, встановлено їх вплив на процес перетворення, створено нові математичні моделі похибок і дано оцінку точності цих логарифмічних АЦП. Розроблено та досліджено нові структурні, функціональні та принципові схеми, а також – лабораторні макети логарифмічних АЦП з НЗ. Диссертация посвящена разработке и исследованию рациональных путей построения и создания логарифмических АЦП с накоплением заряда (НЗ) на коммутируемых конденсаторах с улучшенными метрологическими характеристиками. Проведено классификацию логарифмических АЦП с НЗ. Получили дальнейшее развитие структурные методы улучшения логарифмических АЦП с НЗ на последовательных пассивных конденсаторных ячейках и логарифмических АЦП с НЗ с импульсной отрицательной обратной связью, на основании чего предложено новые структуры логарифмических АЦП, превосходящие известные аналоги по точности, ширине динамического диапазона и гибкости изменения основания логарифма. Дано оценку динамических свойств логарифмических АЦП с НЗ на последовательных пассивных конденсаторных ячейках и логарифмических АЦП с НЗ с импульсной отрицательной обратной связью. Показано, что динамические свойства фактически полностью определяются временем заряда и разряда накопительного и дозирующего конденсаторов у первых АЦП и накопительного конденсатора у вторых АЦП. Определено, что при погрешности квантования 0,1% и более, сопротивлении аналоговых ключей в замкнутом состоянии не более 70 Ом и емкости накопительного конденсатора 1 мкФ время разряда (разряда) должно превышать 2,5 мкс для обеспечения погрешности установления меньшей 0,015%. С уменьшением сопротивления ключа в замкнутом состоянии время заряда пропорционально уменьшается. Проведено математическое моделирование логарифмических АЦП с НЗ на последовательных пассивных конденсаторных ячейках и логарифмических АЦП с НЗ с импульсной отрицательной обратной связью. Выявлены источники погрешностей и установлено, что влияние неидеальности элементов на процесс преобразования в таких АЦП происходит в основном через эффекты: - непосредственного изменения емкостей конденсаторных ячеек паразитными емкостями, проникания напряжения управления ключами, передачи паразитных зарядов затворов ключей и токов утечек в логарифмических АЦП с НЗ на последовательных пассивных конденсаторных ячейках; - проникания напряжения управления ключами, передачи паразитных зарядов затворов ключей и токов утечек в логарифмических АЦП с НЗ с импульсной отрицательной обратной связью. Созданы новые математические модели погрешностей логарифмических АЦП, позволяющие аналитически оценить точность и динамические свойства логарифмических АЦП с НЗ на последовательных пассивных конденсаторных ячейках и логарифмических АЦП с НЗ с импульсной отрицательной обратной связью. Показано, что в первых АЦП основная погрешность преобразования (с учетом погрешности квантования 0,1%) не превышает 0,15% при времени преобразования не более 20 мс, а у вторых АЦП основная погрешность преобразования практически равна погрешности квантования для значения последней 0,1% и больше при таком же времени преобразования. Проведено физическое моделирование логарифмических АЦП с НЗ на последовательных пассивных конденсаторных ячейках и логарифмических АЦП с НЗ с импульсной отрицательной обратной связью. Разработаны оригинальные структурные, функциональные и принципиальные схемы этих АЦП. Проведены экспериментальные исследования лабораторных макетов этих АЦП в динамическом диапазоне входных сигналов 80 дБ (1 мВ – 10 В), которые показали совпадение данных физического и математического моделирования с погрешностью не превышающей 8%. The thesis is devoted to the development and research of sustainable construction principles and the creation of logarithmic ADC’s with charge accumulation (CA) on switched capacitors with improved metrological characteristics. The classification of logarithmic ADC’s with CA. Further developed structural techniques to improve accuracy, dynamic range expansion and flexibility of changing the base of the logarithm of the ADC’s with CA on consecutive passive capacitor cells and logarithmic ADC’s with CA with pulse negative feedback. The estimate of the dynamic properties, found sources of error, found their influence on the conversion process created new mathematical model errors and the estimation accuracy of logarithmic ADC’s with CA. Developed and researched new structural, functional and schematic diagrams, and - laboratory models of logarithmic ADC’s with CA.