Увеличение быстродействия параллельных АЦП связано с увеличением быстродействия отдельных узлов. Увеличение быстродействия АЦП должно охватывать увеличение как максимальной частоты преобразования, так и полосы и скорости изменения входного аналогового сигнала. Максимальная частота преобразования определяется временем задержки компаратора в режиме сравнения, временем срабатывания триггера-занделки, а также временами задержки в логических элементах шифратора. Допустимые полоса и скорость изменения входного сигнала определяются в основном апертурной неопределенностью и разбросом значений апертурного времени (см. § 2.4).

Вернемся к двум режимам работы АЦП: с УВХ на входе и без него. Применение АЦГ1 без УВХ, безусловно, наиболее интересно для разработчиков аппаратуры, однако оно не позволяет реализовать преобразование с малыми динамическими искажениями при частотах входного аналогового сигнала, близких к половине максимальной частоты преобразования. Причем с увеличением разрядности АЦП максимальная частота входного сигнала, при которой нелинейность ХП возрастает, например, на 0,5 ЕМР, сильно уменьшается и для 10-разрядных АЦП может достигать значений сотен килогерц при максимальной частоте преобразования 20 МГц. Поэтому режим работы без УВХ при достаточно широкам диапазоне частот входных сигналов может быть применен в прикладных задачах, когда абсолютная величина закодированного сигнала не имеет большого значения, например при использовании АЦП в цифровом телевидении. При постановке прикладных задач, связанных с необходимостью оценки абсолютных значений сигнала, например в измерительных системах, предпочтительно применение первого режима работы - с УВХ на входе.

Проведем оценку возникаюшей дополнительной нелинейности при быстроизменяющемся входном сигнале, определяемой конечным значением паразитных параметров элементов конструкции без учета неидеальности самих компараторов. LQnny аналогового входа (тактового), обходяшую последовательно компараторы АЦП, можно представить в виде многозвенного УС-фильтра нижних частот. Значение R определяется сопротивлением шины металлизации, заключенной между двумя соседними компараторами, значение С- входной емкостью компаратора и распределенной емкостью шины металлизации, приведенной ко входу компаратора. Максимальное время задержки распространения на выходе такого многозвенного фильтра 1129] imax =0,53?CJV, где N - число компараторов, объединяемых шиной тактового (аналогового) сигнала. Переходя к значению входной емкости АЦП, получаем tmax=0,53RCiN/(2- - 1), где С/ - входная емкость АЦП.

Максимальная частота синусоидального сигнала, при которой будет происходить увеличение нелинейности на 0,5 ЕМР из-за рассматриваемого механизма, f/n,ax = 1/2л/тах2*.

в табл. 9.3 приведены рассчитанные значения f,,, для рассмотренных типов АЦП, а также для 10-разрядного АЦП, который может быть создан на базе технологии трех диффузий с уменьшенными по сравнению с АЦП К1107ПВ2 размерами компонентов.

Таблица 9.3. Рассчитанные значения параметра fi max некоторых типов АЦП

Рассмотрев принципы, определяющие разрядность и быстродействие параллельных АЦП, можно сделать выводы о возможности увеличения их быстродействия и разрядности. Способы увеличения разрядности, быстродействия и улучшения эксплуатационных параметров заключаются в уменьшении влияния перечисленных факторов. Приведем конкретные способы уменьшения влияния этих факторов.

1. Уменьшение «токовой» составляющей нелинейности.

Конструктивно-схемотехнические способы. Первым способом уменьшения «токовой» составляющей нелинейности является реализация нелинейного делителя эталонных опорных напряжений При этом реализация с помощью нелинейного делителя ХП должна зеркально отображать ХП АЦП с линейным делителем, искаженную влиянием входных токов компараторов. Тогда результирующая ХП будет иметь линейный характер. Однако влияние неоднородности резистивного материала, разброс параметров компонентов (статического коэффициента усиления транзисторов, сопротивлений резисторов) от партии к партии ИС приводит к невозможности полной компенсации. Поэтому этим способом возможна лишь статистическая компенсация возникающей нелинейности.

Вторым способом компенсации «токовой» составляющей нелинейности является способ, основанный на фиксации потенциала в промежуточных точках делителя эталонных опорных напряжений. Его реализация заключается в организации дополнительных отводов из промежуточных точек делителя. На эти отводы через буферные повторители напряжения подаются компенсирующие опорные 202

напряжения от дополнительного делителя эталонных опорных напряжений, подстраиваемого в процессе настройки АЦП [112, 1141.

Эти отводы делителя могут быть выведены на внешние выводы корпуса ИС, при этом настройка АЦП сведется к установке необходимых компенсирующих напряжений с помощью подстроечных элементов, расположенных на плате. Возможен и другой вариант, при котором буферные повторители напряжения и дополнительный делитель компенсирующих опорных напряжений изготавливаются на одном кристалле с АЦП. В этом случае настройка АЦП осуществляется с помощью лазерной подгонки резисторов дополнительного делителя компенсирующих опорных напряжений. Число отводов делителя выбирается из условия требуемой степени компенсации «токовой» погрешности при заданных разрядности и диапазоне входного сигнала АЦП [122].

Третьим способом компенсации «токовой» составляющей нелинейности является способ, в основе которого лежит оптимизация сопротивлений резисторов делителя опорных напряжений и шины аналогового входа [114]. Рассмотрим одну секцию АЦП, в состав которой входят две линейки компараторов, при этом делитель опорных напряжений, выполненный в виде шины металлизации, с трех сторон охватывает эту секцию, а каждая линейка компараторов имеет шину входного аналогового сигнала, причем сигнал подается на один конец такой шины (рис. 9.2). Падение напряжения на входе /-Г0 компаратора на шине аналогового сигнала Д{Ул, = [(i+0в]/2, где - сопротивление части шины металлизации, заключенной между аналоговыми входа.ми соседних компараторов.

Погрешность, возникающая в г-й точке делителя опорных напряжений за счет протекания входных токов компараторов.

IS 32 и « 80 яв т п

Рис 9 3 Распределение погрешности в делителе опорных напряжений, обусловленной протеканием входных токов компараторов в 7-разрядной секции АЦП при гв=1 мкА, /? = 0,16 Ом

Рис 9 2 Структура секций АЦП:

1,2 - тинейки компараторов 3 4- шины для подвода аналогового сигнала, 5 - шина делителя эталонных

напряжений