Глава первая
История преобразователей
Уолт Кестер
Предисловие к главе.
На написание этой главы автора вдохновило исследование истории создания операционных усилителей Уолтом Юнгом в первой главе своей книги: Применение операционных усилителей 1. При раскрытии темы автор ссылается на сотни интересных статей, патентов и т.п. Если рассматривать их все как единое целое, они рисуют картину развития операционных усилителей - начиная с очерка Гарольда Блэка о ранних усилителях с обратной связью и заканчивая современными высокопроизводительными ОУ на ИС.
Мы старались достичь подобного при раскрытии истории создания преобразователей. Рассматривая масштабы этого намерения мы столкнулись с проблемой организации материала. Вместо того, чтобы охватывать весь исторический материал в одной главе, мы часть исторических сведений, относящихся к архитектуре преобразователей, включили в главу 3 (Типы архитектур преобразователей) наряду с описанием отдельных архитектур. Подобно этому, глава 4 (Технологический процесс создания преобразователей) включает большинство значимых событий относящихся к технологическому процессу создания преобразователей. Глава 5 (Тестирование преобразователей) затрагивает основные исторические этапы, касающиеся их тестирования.
При раскрытии сущности каждой главы, нам придется упоминать одни и те же исторические данные несколько раз по ходу повествования, следовательно, читатель должен осознавать, что эти повторы сделаны намерено, и не являются результатом небрежного редактирования.
Раздел 1.1: Ранняя история.
Сейчас трудно определить, когда точно был создан первый преобразователь и какую форму он имел. Самым первым бинарным ЦАП, известным авторам этой книги и официально отраженным в документах, является гидравлический ЦАП, а не электронный. В Турции, во времена господства Оттоманской империи, существовала проблема в сфере общественного водоснабжения. Для измерения при раздаче воды использовались сложные системы. Одна из этих систем показана на рисунке 1.1 и датирована 18 веком. Примером реальной водораздачи, использующей эту измеряющую систему была дамба Махмуда II, построенная в начале 19 века вблизи Стамбула2. Измерительная система использовала резервуар (на схеме помечен как верхняя, головная цистерна), в которой поддерживался постоянный уровень (соответствующий опорному потенциалу) при помощи водослива. По этому водосливу вода сочилась тонкой струйкой (критерием являлся поток, способный сдвинуть соломинку). Этот пример проиллюстрирован на рисунке 1.1А. Выход воды из головной цистерны контролировался затворами двоичновзвешенных отверстий патрубков, погруженных в воду на 96 мм ниже поверхности воды. Слив из отверстий поступал на выход как показано на рисунке 1.1В. Размеры отверстий патрубков соответствовали потоку двоично кратному основной единице 1 lüle (равной 36 л/мин или 52 м³/день). Патрубок, соответствующий восьми lüle назывался “sekizli lüle”, четырем lüle- “ dörtlü lüle ”, ¼ lüle-“kamuş”, одна восьмая lüle называлась “masura”, а одна тридцать вторая lüle - “çuvaldiz”. Более детально измеряющая система на основе двоично-взвешенных патрубков показана на рисунке 1.1С. Функционально эта система представляет собой 8-разрядный ЦАП, с ручным (без сомнения, не цифровым) вводом и «мокрым» выходом, и, вероятно является самым древним ЦАП в мировой истории.
Возможно, существуют и другие примеры ранних преобразователей, но сейчас мы обратим наше внимание на те, что базируются на электронных технологиях.
Рисунок 1.1: Двоично-взвешенная система измерения воды, относящаяся к началу 18 века.
Вероятно, единственной самой значительной движущей силой развития электронных преобразователей на протяжении многих лет была система коммуникаций. Телеграф привел к созданию телефона и формированию Bell System. Распространение телеграфа и телефона и возросшее требование к емкости каналов связи привели к необходимости уплотнения более чем одного канала в одну пару медных проводов. К этому времени временное уплотнение каналов (TDM) достигло определенной популярности, а частотное уплотнение каналов (FDM), основанное на использовании различных несущих частот, получило уже широкое применение.
Импульсно-кодовая модуляция (PCM) стала причиной переключения всеобщего внимания на преобразователи, и с этого момента началось их эволюционное развитие .
Материал для последующих разделов был взят из многих источников, но наиболее известным и значимым является классическая работа К.В Каттермоула: Принципы импульсно-кодовой модуляции,1969 года3. В ней отражен не только исторический материал по ИКМ, но и по истории создания преобразователей. Кроме того, помимо исторического материала, книга содержит прекрасный обучающий материал по теории дискретизации, по типам архитектур преобразователей, и многим другим темам, относящимся к тематике повествования. Приведена обширная библиография, содержащая важные публикации и патенты, определившие основные достижения. Кроме книги Каттермоула, внимание автора привлекла серия книг, опубликованных Белл Системз под одним заголовком: A History of Engineering and Science in the Bell System4-8. Эти книги от Белл Системз являются замечательным источником для получения дополнительного материала, относящегося к сфере коммуникаций.
Ранние годы: от телеграфа до телефона
Согласно Каттелмоулу3, ранние упоминания об электрическом телеграфе относятся к 1753 году, но реальное его развитие началось в период 1825-1875 годов. Были исследованы различные идеи о двоичных и троичных числах, коды с длиной, обратно пропорциональной вероятности появления (Шиллинг,1925), рефлексный двоичный код (Элиша Грей, 1878 - сейчас носит название Код Грея ), цепные коды (Baudot, 1882). С распространением телеграфа, возникла необходимость в увеличении емкости и уплотнении более одного канала в одной паре проводов. Рис. 1.2 показывает типичный телеграфный ключ и некоторые вехи истории телеграфа.
• Предложение использования телеграфа: начало в 1753
• Основные достижения в развитии телеграфа: 1825-1875
• Изобретение различных двоичных кодов
• Эксперименты по уплотнению для увеличения емкости канала
• Изобретение телефона: в 1875 году А.Г. Бэлл, работая над проектом уплотнения телеграфной линии, изобрел телефон (всего на два часа позже Бэлла подал заявку на изобретение телефона другой американец И. Грей. Патент выдали Бэллу. Примечание редактора.)
• Эволюция:
•Телеграф: цифровой
•Телефон: аналоговый
•Частотное уплотнение канала (FDM): аналоговое
•Импульсно-кодовая модуляция (PCM): назад к цифровой
Рисунок 1.2 О телеграфе
Изобретение телефона в 1875 году Александром Грехэмом Бэллом9,10 было, вероятно, самым значительным событием во всей истории системы коммуникаций. Интересно отметить, что Бэлл в действительности экспериментировал с системой уплотнения телеграфных линий (Бэлл называл эту систему тональный телеграф), когда он обнаружил возможность передачи голоса в качестве аналогового сигнала.
На рисунке 1.3 представлена схема из оригинала патента Бэлла, в которой отражены его основные предложения относительно телефона. Вибрации звука, воздействующие на передатчик А заставляют вибрировать мембрану а. Вибрация а вызывает вибрацию якоря с, которая создает ток в проводе е при помощи электромагнита b. Ток в е создает соответствующие колебания магнитного поля в электромагните f, таким образом заставляя вибрировать мембрану приемного устройства i.
Рисунок 1.3 Телефон
Распространение телефона вызвало острую необходимость в увеличении емкости канала путем его уплотнения. Необходимо отметить, что исследования по возможности уплотнения в телеграфных линиях привели к зарождению информационной теории. Теория временного уплотнения (TDM) была предложена в начале 1853 года малоизвестным американским изобретателем М.Б. Фармером, а реализована в 1875 году J.М.Е. Baudot при помощи вращающихся механических коммутаторов, использованных в качестве мультиплексоров.
В 1903 году в патенте Уиларда М.Майнера11 были описаны эксперименты, использующие электромеханические вращающиеся коммутаторы этого типа для уплотнения нескольких аналоговых телефонных разговоров в одной паре проводов, как представлено на рисунке 1.4. Процитируем его патент, в котором он говорит, что каждый канал должен иметь отсчёты:
«…на частоте или периодичности, как приближения к частоте или на средней частоте чистых или более сложных вибраций, которые являются характеристиками голоса или артикуляции речи…, при таких высоких прерываниях как 4320 в секунду, я обнаружил, что при этом темпе весь действительный тембр и индивидуальность могут быть успешно воспроизведены в приемном инструменте. ... я также получил положительные результаты, которые можно рассматривать как коммерческие, при использовании темпа прерываний, схожего с говорением и составляющего 3500 в секунду, практически это темп самой высокой ноты, которая характеризует гласные звуки.»
При использовании более высокой частоты отсчётов Майнер не обнаружил значительного улучшения в качестве передаваемой речи, возможно, это было вызвано ошибками в его достаточно несовершенной системе. После Майнера никто не занимался дальнейшими исследованиями в сфере дискретизации и временного уплотнения. Возможной причиной этого можно назвать отсутствие адекватных электрических компонентов, позволяющих провести практические эксперименты. Сфера частотного уплотнения была достаточно изучена и имела необходимые компоненты.
Рис. 1.4 Мультиплексор и демультиплексор телефонных каналов. Одно из ранних исследований критерия, определяющего темп отсчётов.
Изобретение импульсно-кодовой модуляции (РСМ).
Импульсно-кодовая модуляция впервые была раскрыта в относительно невразумительном патенте, опубликованном Полом М Рейни (Paul M Rainey) из Western Electric в 192112. В патенте описывается метод передачи факсимильной информации в закодированной форме по телеграфной линии с применением 5-разрядной ИКМ. На рисунке 1.5 представлена иллюстрация из патента (для большей ясности автором добавлены пояснения к оригиналу).
Рейни предложил просвечивать сфокусированным лучом света прозрачность материала, который необходимо передать. На другой стороне транспаранта нужно установить фотоэлемент для сбора света, который создаст ток пропорциональный интенсивности света. Ток в свою очередь отклоняет гальванометр, что приводит в движение другой луч света, активирующий один из 32 отдельных фотоэлементов, в зависимости от отклонения гальванометра. Выход с каждого отдельного фотоэлемента замыкает соответствующее реле. Выходы от 5 реле объединены таким образом, что вырабатывают определенный код, присущий местоположению фотоэлемента. Таким образом, цифровой код генерируется из M-hot out of 32, что напоминает современный параллельный flash-преобразователь. Выходной сигнал с этого простого электро-оптико-механичесого параллельного преобразователя передается последовательно с использованием вращающегося элекро-механического коммутатора, называемого распределителем.
Рисунок 1.5 Открытие ИКМ: Пол Рейни, «Факсимильная телеграфная система», Патент США 1,608,527 от 20 июля 1921, опубликован 30 ноября 1926
Данные передаются последовательно, получаются и преобразуются в параллельный формат при помощи второго распределителя и ряда реле. Полученный код определяет комбинацию из реле, которые должны приводиться в действие. Выходы реле подсоединяются к соответствующим контактам резистора, который подключен последовательно с принимающей лампой. Значение тока в принимающей лампе находится в зависимости от полученного кода. Как мы видим, интенсивность тока прямо пропорциональна полученному коду, что является примером цифро-аналогового преобразования. Свет с принимающей лампы фокусируется на фоточувствительной пластине, таким образом исходное изображение воспроизводится, пройдя квантованную форму.
Патент Рейни иллюстрирует несколько важных понятий: квантование с использованием параллельного АЦП, передача последовательных данных, восстановление квантованных данных при помощи ЦАП. Эти идеи являются основополагающими для ИКМ. Однако, его изобретение не вызвало особого интереса в то время и, фактически, было забыто инженерами компании Бэлл Систем. Его патент был обнаружен спустя много лет, когда появились и другие патенты на изобретение ИКМ.
Математическое обоснование ИКМ.
В середине 20х годов 20 века Гарри Найквист изучал телеграфные сигналы. Его целью было определить максимальную частоту сигнала, которая может проходить по каналу с определенной полосой пропускания. Результаты его исследований были обобщены в двух классических трудах, выпущенных в 1924 году13 и в 192814 соответственно.
В своей модели телеграфной системы он определил свой сигнал как:
уравнение 1.1.
В уравнении f (t)-базисная форма импульса, ak- амплитуда k-го импульса, T-время между импульсами. Телеграф постоянного тока подходит под эту модель, при условии, что f(t) - это прямоугольный импульс с продолжительностью T, а ak равняется 0 или1.
Простая модель изображена на рисунке 1.6. Частота сигнала ограничена полосой частот (W) передающего канала.
Рисунок 1.6 Классическая теорема Гарри Найквиста
Его вывод заключался в следующем: Частота импульсов, 1/Т, не может быть увеличена за пределы 2W импульсов в секунду. Другими словами его заключение звучит так: если сигнал дискретизирован мгновенными отсчётами с постоянными интервалами, частота которых по крайней мере в 2 раза превышает самое высокое значение частоты сигнала, то в результате выборка содержит всю информацию об исходном сигнале. Это понятно из рисунка 1.6, где каждый из отфильтрованных прямоугольных сигналов представлен в виде sinx/x характеристики. Временной отклик на импульс типа sinx/x идеального ФНЧ с полосой пропускания W имеет нули в интервалах, равных 1/2W. Следовательно, не будут наблюдаться помехи от соседних импульсов, если выходная волна дискретизирована в точках, указанных на схеме, при условии Т≥ 1/2 W (или более привычно fs≥2W), и амплитуда индивидуальных импульсов может быть однозначно восстановлена.
За исключением обобщающей статьи, написанной Хартли в 1928 году15, до 1948 года не было дополнительных значимых публикаций на тему дискретизации. В 1948 году вышли в свет классические работы, написанные Шенноном, Беннеттом, Оливером16-19, в которых авторы окончательно обосновали теорию ИКМ.
Библиография этих трудов приведена в ссылке рис. 1.7.
Рисунок 1.7 Библиография трудов по математическому базису ИКМ
Патенты Алека Харли Ривза по ИКМ.
До 1937 года частотное уплотнение (FDM), основанное на электронно-вакуумной технологии, широко использовалось в телефонной индустрии при передаче на дальние расстояния. Однако, шум и искажения были ограничивающими факторами, влияющими на дальнейшее расширение возможностей этих систем. Несмотря на то, что в микроволновых радиолиниях полосы пропускания были шире, дополнительный шум и искажения затрудняли их использование для передачи частотно-уплотненных сигналов.
В начале своей карьеры, в 1920-х, Алек Харли Ривз изучал технологию аналогово-временного преобразования, основанного на использовании времяимпульсной модуляции (PTM). Фактически он был первым, кто начал использовать счётчики для точного определения временной развертки, используя бистабильные мультивибраторы, изобретенные за несколько лет до этого Экклесом и Джорданом. Во время импульсной модуляции, амплитудой импульса является постоянная величина, а аналоговая информация содержится в определенном положении импульсов во времени. Эта технология имела более высокую помехоустойчивость, чем строго аналоговая передача.
Ривз был близок к изобретению системы, которая произвела бы революционные изменения в системе коммуникации, но тогда он не пошел дальше от достигнутого им в этой области.
Существовала необходимость в системе, имеющей шумоустойчивую характеристику подобно той, что существовала в телеграфе. Поэтому в 1937 году Ривз, работая в Парижской лаборатории Международной Телефонно-Телеграфной корпорации, переосмыслил импульсно-кодовую модуляцию. Самый первый патент по ИКМ был получен Ривзом в Париже. Но сразу же после этого последовали подобные патенты в Англии и США, в которых упоминался Ривз как изобретатель20. Эти патенты всесторонне раскрывали тему: (1) основные принципы квантования и кодировки, (2) выбор разрешения, соответствующего шуму и полосе пропускания передающего канала, (3) передача сигналов в цифровой форме последовательно, параллельно и как модуляция несущих, (4) базовая конструкция на основе счётчиков, необходимых для 5-разрядных ЦАП и АЦП. Отличие этого патента Ривза от его предыдущего патенте (1926) состоит в том, что он использовал в своих разработках все преимущества существующей электронно-вакуумной технологии ЦАП и АЦП. Эти изобретения Ривза заслуживают более детально рассмотрения, так как они являются первыми документально зафиксированными электронными преобразователями. Его техника АЦП (рисунок 1.8) использует дискретные импульсы для выборки отсчётов из аналогового сигнала, установку R/S триггера и одновременный старт контролируемое пилообразное напряжение. Пилообразное напряжение сравнивается с входным сигналом, и в момент их совпадения вырабатывается сигнал, который сбрасывает R/S тригер. Выходной сигнал с триггера является импульсом, ширина которого прямо пропорциональна аналоговому сигналу в момент отсчёта. Этот импульс с импульсно-широтной модуляцией управляет стробируюемым генератором.Число выходных импульсов со стробируюемого генератора представляет собой квантованное значение аналогового сигнала. Эту последовательность импульсов можно легко преобразовать в бинарное слово путем активации счетчика. В системе Ривза использовался задающий генератор с частотой 600 кГц и 100:1 делитель, вырабатывающий 6-кГц импульсы отсчётов. Система использует 5-разрядный счетчик на 31 отсчёт (из 100 импульсов, приходящихся на каждый импульс отсчётов), таким образом представляя сигнал полной шкалы.
Рисунок 1.8 5-разрядный АЦП Ривса с последовательным счётом.
ЦАП использует подобный счетчик и источник тактовых импульсов как представлено на рисунке 1.9. Полученный бинарный код сначала загружается в счетчик и R/S триггер устанавливается в «1». Затем счетчик начинает считать от низшего к высшему, используя тактовые импульсы. Когда счетчик переполняется и достигает 00000, источник тактовых импульсов отсоединяется, поскольку R/S триггер обнуляется. Число импульсов, посчитанных кодирующим счетчиком представляет собой дополнение входящего слова. Выходным сигналом с триггера является ШИМ сигнал, чье аналоговое значение представляет собой дополнение входного бинарного слова. Ривз использовал простой ФНЧ для получения аналогового сигнала от ШИМ выхода. Фазовая инверсия в ЦАП с легкостью корректируется или в логике или в усилителе, расположенных далее.
Рисунок 1.9 5-разрядный ЦАП Ривса с последовательным счётом.
Патенты Ривза раскрывают все основные составляющие ИКМ: отсчёты, квантование, кодирование дискретных отсчётов для последовательной, параллельной, фазо-модулированной и других методов передачи. Для восстановления исходного аналогового сигнала Ривз предложил декодер на принимающем конце. Интересно отметить, что, несмотря на значимость своей работы, после опубликования патентов, Ривз направил свое внимание на передачу речи в коротковолновом диапазоне с использованием импульсно-амплитудной, широтно-импульсной, импульсно-позиционной модуляций, вместо того, чтобы более глубоко изучить возможности ИКМ.
ИКМ и Bell System: вторая мировая война, и до 1948 года.
По договору о взаимном лицензировании с Международной Телефонной и Телеграфной корпорацией инженеры телефонной лаборатории Бэлла пересмотрели исследования Ривза в отношении описания цепей и начали свои разработки в сфере ИКМ технологии. Начав свои исследования в 1940 году и продолжая их в течении второй мировой войны, главным образом посвящали их секретной передаче речи, что сделало изучение ИКМ обязательным.
В 1940 году разработчики лаборатории Бэлла начали работу по исследованию системы секретности речи получившее название “Project-X”, более детальное описание указано в6 (стр.296-317). В этих исследованиях используется сложная техника, основанная на электронно-вакуумной технологии. При этом использовался разработанный ранее «вокодер», технология ИКМ, и уникальная техника скремблирования данных (защита от несанкционированного доступа, прим. ред.), использующая грамзапись с содержанием электронного кодового «ключа» к кодам. Система была спроектирована в Бэлл и запущена в производство компанией Вестерн Электрик в конце 1942 года. К апрелю 1943 года несколько терминалов было закончено и установлено в Вашингтоне, Лондоне и Северной Африке. Вскоре после этого дополнительные терминалы были установлены в Париже, на Гавайях, в Австралии и на Филиппинах.
К концу войны несколько групп инженеров в Бэлл занимались изучением ИКМ; однако, большинство из разработок военного времени не были опубликованы и долгое время в период послевоенного времени, т к они имели гриф секретности. Труды Х.С.Блэка, Д.О.Эдсона и В.М.Гуддалла были изданы в 1947-194821-23. Они акцентировали свое внимание на системе шифровки речи, основанной на технике ИКМ. В результате их исследований родилось большое количество важных открытий. Система ИКМ , которая оцифровывает полную ширину голосового спектра в 5-разрядной системе, со скоростью дискретизации 8kSPS (8 тысяч отсчётов в секунду), используя при этом АЦП последовательного приближения ( которые были описаны Эдсоном и Блэком21,22).
Опытная система ИКМ В.М.Гудалла, основана на схожей технике и описана в его классическом труде. Среди наиболее важных разработок, явившихся результатом этой работы стали: ЦАП последовательного приближения, кодирующая электронная трубка, декодер Шэннона-Рэка, логарифмический отсчёт уровней квантования (компандинг) и практическое доказательство возможности использования ИКМ. Результаты исследований были обобщены в 1948 году в статье, написанной Л.А.Мичамом и Е.Петерсоном, где описывалась опытная система использования 24-канальной ИКМ24. В ссылке рис. 1.10 обобщены результаты исследований ИКМ, проведенные лабораторией Белл в 1948 году.
• Секретная система шифровки голоса с использованием ИКМ -“Project-X”, 1940-1943
• 5-разрядный, АЦП последовательного приближения с частотой дискретизации 8 kSPS
• логарифмическое квантование речи (компандирование)
• кодирующая электронная трубка, 7-разрядная, с частотой дисктретизации 100 kSPS
• декодер «Шеннона-Рэка» (ЦАП)
• удачная демонстрация опытных терминалов ИКМ
• теоретические положения ИКМ, расширенные и опубликованные Шенноном
• изобретение германиевого транзистора в 1947 году
Рисунок1.10: Исследования лаборатории Белл в сфере ИКМ, проведенные в период второй мировой войны (и до 1948 года).
Важным достижением в области АЦП технологии в этот период стало изобретение кодирующей электронной трубки. Трубка, описанная Р.В.Сирзом в его работе25, дискретизировала со скоростью 96 kSPS, с разрешением в 7-бит. Концепции электронно-лучевого кодера для 4-разрядного устройства отражены на рисунке 1.11. Предшествующие аналоги использовали последовательный режим (рис. 1.11А). Аналоговый сигнал сначала проходил через устройство выборки- хранения и во время интервала «хранения» луч разворачивался в трубке горизонтально. При этом У- отклонение соответствует значению аналогового сигнала от устройства выборки-хранения. Теневая маска закодирована для получения соответствующего бинарного кода, зависящего от вертикального отклонения. Код регистрируется коллектором, и биты вырабатываются в последовательном формате. Позже в трубках начали использовать ленточный луч (см рис. 1.11В), создав первый электронный flash преобразователь, выдающий параллельно выходное слово.
Рисунок 1.11 Кодирующая электронная трубка
Ранние электронно-вакуумные кодеры использовали бинарно-кодирующую теневую маску. Существовали большие погрешности если луч распространялся на 2 соседних кода и освещал оба из них. Иллюстрация этого явления приведена на рис 1.12А. Горизонтальная линия представляет развертку луча в точке перехода (перехода между кодом 0111 и кодом 1000). Например, ошибка в самом старшем значащем разряде (MSB) состовит ½ шкалы. Подобные ошибки были минимизированы путем установки горизонтальных чувствительных проволочек по ширине границ каждого уровня квантования. Если луч первоначально падает на одну из проволок, небольшое напряжение добавляется к напряжению вертикального отклонения, которое сдвигает луч от переходной зоны.
Рисунок 1.12 Теневая маска кодирующей электронной трубки для двоичного кода и кода Грея
Ошибки бинарных теневых масок были устранены путем использования теневой маски с кодом Грея, пример которой приведен на рисунке 1.12В. Настоящее его название звучит как «рефлексный бинарный код»; он был изобретен в 1878 Элишем Греем и впоследствии пересмотрен Фрэнком Греем в 1949 году26. Достоинство кода Грея состоит в том, что соседние уровни отличаются друг от друга на одну цифру в соответствующем слове, кодируемом с помощью кода Грея. Следовательно, если есть ошибка в определении разряда для определенного уровня, то соответствующая ошибка после преобразования в бинарный код будет всегда соответствовать младшему значащему биту (LSB). В случае попадания луча в середину шкалы, меняется старший значимый бит, но ощибка только 1 LSB . Интересно отметить, что подобный феномен может происходить в современных Flash преобразователях, использующих компараторы, вследствие метастабильности компаратора. При небольшом перевозбуждении существует определенная вероятность того, что компаратор будет вырабатывать неверное решение на своем выходе с защелкой , создавая тот же самый эффект при использовании техники прямого бинарного кодирования. Во многих случаях код Грея или коды «псевдо Грея» используются для декодировки выходных данных компартора перед окончательным преобразованием в бинарно-кодовый выходной сигнал (смотрите главу 3 с более детальным описанием архитектурных конструкций).
Несмотря на множество механических и электрических проблем, относящихся к центрированию луча, технология кодирования на электронной трубке достигла своего пика в середине 1960-х годов с использованием экспериментального 9-разрядного кодера со скоростью дискретизации равной 12 MSPS27. Только открытие в области технологий полупроводниковых АЦП сделало существование преобразователей, основанных на технологии электронной трубки ненужным.
ОУ и регенеративные импульсные ретрансляторы: от электронно-вакуумных до полупроводниковых устройств
За исключением ранних относительно малоэффективных электромеханических усилителей5, развитие электронных усилителей началось с изобретения электронно-вакуумной технологии Ли де Форестом в 1906 году28,29. Иллюстрация из патента де Фореста приведена на рис 1.13.
Рисунок 1.13 Изобретение электронно-вакуумной лампы
К 1914 году электронно-вакуумные усилители были внедрены на телефонном заводе. Развитие усилителей всегда было особенно важным для разработки преобразователей данных, начиная с этих ранних электронно-вакуумных схем. Ключевым этапом развития этой технологии было изобретение усилителя с обратной связью Гарольдом С.Блэком в 192730,31,32. На протяжении второй мировой войны продолжалась работа по исследованию цепей усилителей; много важных разработок было сделано инженерами лаборатории Бэлл (более полная история исследований ОУ дана в1). На рисунке 1.14 дается схема усилителя с обратной связью, взятая из поздней статьи Блэка.
Рисунок 1.14 Усилитель с обратной связью Гарольда Блэка, 1927
Изобретение германиевого транзистора в 1947 году33,34,35 явилось толчком для развития как ИКМ, так и других электронных систем. Для практического использования ИКМ необходимо было установить восстанавливающие ретрансляторы периодично на линиях передачи. До изобретения транзистора, удачно спроектированные вакуумные ретрансляторы несколько лет применялись в телеграфе и телефонной связи, но испытывали серьезные проблемы, касающиеся их надежности. Однако, полупроводниковые восстанавливающие ретрансляторы, разработанные Л.Р.Рэтхоллом в 1956, привели фазу исследования ИКМ к впечатляющему заключению36. Этот ретранслятор демонстрировался на опытной кабельной системе с использованием ретрансляционного интервала в 2.3 мили с кабелем 19 калибра, а также на 0.56 мили с кабелем 32 калибра. Схематический чертеж ретранслятора представлен на рис. 1.15.
В ретрансляторе Рэтхолла использовался германиевый транзистор, разработанный в Бэлл и внедренный Вестерн Элекрик. Кремниевый транзистор был изобретен в 1954 Гордоном Тилом из Техас Инструментз. Он получил широкое коммерческое применение, вызванное увеличенным температурным диапазоном эксплуатации и надежностью. В конечном итоге, изобретение интегральых схем в 195837,38 и последующего планарного процесса в 195939 установило новую эпоху дальнейшего развития ИКМ. Эти базовые полупроводниковые исследования обобщены в ссылке рис. 1.16 и описаны более детально в главе 4 данной книги.
Рисунок 1.15 Твердотельный ИКМ ретранслятор Л.Р.Рэтхолла, 1956
• изобретение в 1947 году германиевого транзистора инженерами лаборатории Белл: Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Вильям Шокли
• кремниевый транзистор: Гордон Тил, Тексэс Инструментс, 1954
• Рождение интегральной схемы:
• Джек Килби, Тексэс Инструментс, 1958 (использовал соединяющие провода для связи компонентов в ИС)
•Роберт Нойс , Фэирчайлд Семикондактор, 1959 (использовал металлизацию для межсоединений).
Рисунок 1.16 Ключевые достижения в развитии твердотельной технологии
C изобретением ретранслятора Рэтхолла в 1956 году, стало очевидным, что ИКМ может эффективно использоваться для увеличения количества голосовых каналов на существующих медных кабельных парах. Это было особенно заманчиво для крупных городов, где многие передающие каналы были полностью заполнены. Многие из этих пар были оборудованы согласующими катушками на расстоянии 1.8 км друг от друга для улучшения чувствительности в голосовой полосе. Возникало естественное желание заменить согласующие катушки полупроводниковыми ретрансляторами и увеличить таким образом емкость с 1 до 24 каналов, используя ИКМ.
По этой причине в лаборатории Белл было принято решение разработать высокочастотную систему связи, основанную на ИКМ. Прототип 24-канальной системы был спроектирован и проверен в 1958 и 1959 на линии между Саммитом и Нью Джерси и Саут Ориндж и Нью Джерси. Эта система, названная высокочастотной системой связи Т-1, передавала 24 голосовых канала и использовала 1.544-МГц последовательность импульсов в биполярном коде. Система использовала 7-разрядное логарифмическое кодирование с 26 dВ компандированием и позже начала использовать 8-разрядное кодирование. Полупроводниковые ретрансляторы были расположены на интервалах 1.8 км, в соответствии с расположением существующих согласующих катушек. Первая линия Т-1 была пущена в работу в 1962 году, а к 1984 году в США существовало более 200 миллионов км линий связи Т-1.
Часть 1.2: Преобразователи 1950-х и 1960-х.
Уолт Кестер
Коммерческие преобразователи: 1950-е годы.
До середины 1950-х годов , преобразователи были уже основательно развиты и использовались в специализированных сферах применения, например, таких как ИКМ лаборатории Белл и система шифрования сообщений, использовавшаяся в период второй мировой войны. Из-за применения технологии вакуумных трубок, преобразователи были очень дорогими, громоздкими и имели высокое энергопотребление. Практически они не могли иметь коммерческого использования.
Цифровой компьютер был важной движущей силой коммерческого развития АЦП. Проект по созданию компьютера ENIAC начался в 1942 году и был представлен широкой публике в феврале 1946 года. Проект ENIAC привел к созданию первого коммерческого цифрового компьютера UNIVAC, разработанного Eckert and Mauchly. Первый UNIVAC был доставлен в United States Census Burea в июне 1951.
Применение в военной сфере, например, такое как вычисление баллистической траектории, стимулировало создание цифрового компьютера. Но время шло и интерес к цифровым вычислениям возрастал, так как их можно было применить и в других областях: анализ данных, промышленные процессы управления, а отсюда возросла необходимость в использовании преобразователей. В 1953 году Бернард М Гордон, пионер в области преобразования данных, основал компанию под названием Epsco Инжениеринг в Конкорде МА, где он сам проживал. Гордон раньше работал над созданием компьютера UNIVAC и осознал необходимость создания коммерческих преобразователей. В 1954 году Эпско представил 11-разрядный АЦП на основе вакуумной трубки, со скоростью дискретизации 50-kSPS. Этот преобразователь считается первым коммерческим устройством данного типа.
Преобразователь «Datrac», выпущенный Эпско потреблял 500 Ватт, был спроектирован для стоечного монтажа (19″х15″х26″), и был продан за сумму 8000 - 9000 долларов1. Фотография этого устройства приведена на рисунке 1.17. Datrac, был первым коммерчески доступным АЦП, использовавшим сдвигово-программируемую архитектуру последовательного приближения. Гордон получил патент на логику, необходимую для выполнения алгоритма преобразования2. Из-за того, что в нем имелась функция выборки-хранения, Datrac от Эпско был первым коммерческим АЦП, подходящим для оцифровки сигналов переменного тока, таких как речь.
В этот же период, несколько других компаний производили низкоскоростные АЦП, подходящие для применения при цифровых замерах вольтметром. Также существовали оптические преобразователи, основанные на кодирующих дисках, для измерения дуговой координаты вала в авиационных приложениях1. С середины 1950 до конца 50-х в преобразователях использовались комбинации вакуумных трубок, полупроводниковых диодов и транзисторов для осуществления процесса преобразования. Следующие компании занимались разработкой преобразователей: Эпско, Нон-Линеар Системз, J B Rea, Adage. Для более
глубокого рассмотрения истории развития преобразователей в 1950-х вы можете обратиться к трудам указанным в1,3-6.
Рисунок 1.17 11-разрядный 50-kSPS АЦП на электронной вакуумной трубке DATRAC, 1954.
История развития преобразователей: 1960-e
С середины 1950-х до начала 1960-х, вакуумные трубки заменялись на транзисторы при проектировании электронных схем, тем самым открывая все новые возможности для создании электроники на основе технологии преобразования данных. Как было указано выше, кремниевый транзистор вызвал интерес к полупроводниковым разработкам. Постоянно возрастал интерес к устройствам преобразования данных. Об этом можно судить на основании двух обзорных статей, опубликованных в 1964 и 1967 годах5,6. Так как эти товары были в основном неизвестны новым клиентам, были предприняты усилия для определения технических характеристик и необходимых условий для их проверки7-16. Универсальный компьютер IBM-360 и компактные полупроводниковые компьютеры (такие как серия DEC PDP, запущенные в 1963 году) усилили интерес к приложениям анализа данных. Другими стимулами развития преобразователей в 1960-х стали: промышленный процесс управления, измерения, ИКМ, военные системы.
В 1960-х в Бэлл Лаб. продолжались разработки по проектированию высокоскоростных преобразователей (9-разрядный, со скоростью дискретизации 5 MSPS) для ИКМ применения17; военный отдел Бэлл Лаб. начал работу над созданием «железа» и программного обеспечения для системы антибаллистической ракеты (anti-ballistic missile, ABM)
В 1958 году армия США начала разработку системы противобаллистической ракеты Найк-Зевс (Nike-Zeus), за проектирование «электронного железа» отвечала Бэлл Лаб. Эта программа в 1963 году была заменена на Найк-Х. Это была первая программа, предложившая цифровой управляемый фазированный радар для отслеживания тактических и стратегических ракет. Цель этой системы заключалась в перехвате и уничтожении приближающихся к США советских ядерных ракет и защите населения страны.
В 1967 году президент Линдон Джонсон и министр обороны Роберт Мак Намара пересмотрели ABM программу и заменили название на Сентинэл (часовой). В основном эта система использовала то же «железо», что и Найк-Х, но определение цели с Советского Союза изменилось на Китай, где была продемонстрирована ядерная мощь. Эта программа спровоцировала большую волну всеобщего протеста, когда стало ясно, что размещение ядерных ракет-перехватчиков будет сосредоточено рядом с городами, которые они и собираются защищать.
Ричард Никсон стал президентом в 1969, и из-за политических причин ему пришлось снова изменить цель и название АBM программы, но система продолжала использовать то же «железо». Программа стала называться Сэйфгард (Safegard) и ее целью стало защитить Minuteman ICBM поля, базу стратегического авиационного командования, Вашингтон. Систему, включающую тактические и стратегические ракеты, планировалось разместить в 12 пунктах.
Программа Сейфгард была вовлечена в советско-американские переговоры об ограничении стратегических вооружений, и значительно сократилась. В конечном счете только один пункт базирования был построен в Гранд Форкс, Северная Дакота, а 1 октября 1975 года он стал рабочим. 2 октября, 1975 года палата представителей проголосовала за отмену программы Сейфгард.
Ключевым элементом систем Найк-Х/Сентинэл/Сейфгард было использование цифровых технологий для управления фазированным радаром, для выполнения команд и для управления другими заданиями. При этом использовалась резисторно-транзисторная логика (RTL), вмонтированная в гибридный корпус. Для системы было важно использовать высокоскоростные АЦП, необходимые для приемного устройства фазированного радара. Ранние прототипы для необходимого 8-разрядного 10-MSPS АЦП были разработаны инженерами Бэлл Лаб. Джоном М Eubanks и Робертом К Бедингфильдом в период между 1963 и 1965. В 1966 эти два пионера высокоскоростного преобразования ушли из Бэлл Лаб. и основали Компьютер Лаб. в Greensboro, NC, и выпустили коммерческую версию этого АЦП.
8-разрядный, 10-MSPS преобразователь был закреплен в стойке, содержал свое собственное линейное питание, потреблял 150 Ватт, и продавался за 10 000 долларов (см. рис. 1.18).Такая же технология использовалась для изготовления версий 9-разрядного с 5-MSPS и 10-разрядного с 3-MSPS. Хотя в следующих поколениях разработок Компьютер Лаб. будет использовать преимущественно модульные ОУ ( Computer Labs OA-125 and FS-125), и ИС, такие как Fairchild μA710/711компараторы, а также 7400 TTL(транзисторно-транзисторную логику), в первых АЦП использовались в основном дискретные компоненты.
Ранние высокоскоростные АЦП, произведенные Компьютер Лаб. в основном использовались для исследований и разработок проектов, связанных с радиолокационным приемником. Следующие компании занимались такими разработками: Raytheon, Джэнерал Электрик, MIT Линкольн Лаб.
В середине 1960-х пионерами в разработке низкоскоростных, на PC- печатных платах и модульных, АЦП были такие компании как: Аналоджик (основанная Бернардом М Горданом), Пасториза Электроникс (основанная Джеймсом Пасториза). В числе других компаний, занимающихся преобразователями были: Adage, Бэрр Браун, Дженерал Инструмент Корп, Радиэйшн Инкорп, Рэдкор Корпорейшн, Бэкман Инструментс, Ривз Инструментс, Тексэс Инструментс, Raytheon Computer, Престон Сайентифик и Зелтекс Инкорп. Большинство преобразователей 1960-х годов имели формат цифровых вольтметров, использовали интегрирующую архитектуру, хотя Аdage представила в начале 60-х 8-разрядный 1-MSPS стробируемый АЦП, Voldicon VF75
Рисунок 1.18 HS-810, 8-разрядный 10-MSPS АЦП Компьютер Лаб. Инкорп., 1966.
В дополнение к широкому распространению схем на дискретных транзисторах, в 1960-е годы стали доступными различные блоки с интегральными схемами, что привело к уменьшению размеров и энергопотребления преобразователей. В 1964 и 1965 Fairchild представила 2 известных ИС- проекта Боба Вайдлара: ОУ µА709 и компаратор µА710/ µА711. Вскоре за ними последовала серия линейных ИС, выпущенных Fairchild и другими производителями. Этот период также ознаменовался появлением 7400-серии с транзисторно-транзисторной логикой (TTL), высокоскоростной эмиттерно-связанной логикой (ECL) и также 4000-серии с логикой CMOS, разработанной RCA в 1968. Кроме того, появились также диоды Шотки, опорные диоды Зенера, полевые транзисторы, подходящие для переключателей, согласованные пары JFETs – все это представляло своего рода строительный материал, необходимый для разработки преобразователей данных.
В 1965 году Рэй Стата и Матт Лорбер основали Analog Devices Inc (ADI) в Кембридже, МА. Первыми продуктами производства стали высокопроизводительные модульные операционные усилители, но в 1969 году ADI приобрела Pastoriza Electronics, лидера в производстве преобразователей, таким образом заложила солидную базу для производства как устройств сбора данных так и линейных устройств.
Pastoriza имела достижения в производстве устройств сбора данных. На рис 1.19 показана фотография 12-разрядного 10µs АЦП общего назначения последовательного приближения выпуска 1969 года, ADC-12U, был продан за 800 долларов. В нём использовалась архитектура последовательного приближения, компаратор µА710, модульный 12-разрядный “Minidac” и 14 корпусов логики 7400-серии, необходимые для осуществления алгоритма преобразования последовательного приближения.
Рисунок 1.19 АЦП-12U, 12-разрядный 10 мкс., последовательных приближений, разработанный отделением Pastoriza ф. Analog Devices
Модуль “Minidac” был построен на основе ИС “quad switch” (четырехпозиционный ключ, подключающий к выходной цепи комбинацию из четырёх токов с значениями, кратными 2п, п = 0,1,2,3. Примечание редактора) (AD550) и тонкопленочной резистивной матрицы (AD850), как показано на рис.1.20. На рис 1.21 детально изображен знаменитый quad switch, запатентованный Джеймсом Пасториза18. Глава 3 данной книги содержит более детальное описание quad switch и других архитектур ЦАП.
Следует отметить, что в ADC-12U для реализации алгоритма последовательного приближения были необходимы 14 корпусов логики. В 1958 году Бернард М. Гордон запатентовал логику реализации алгоритма последовательного приближения19. Вначале 1970-х Advanced Micro Devices и National Semiconductor представили коммерческие ИС, использующие регисторную логику последовательного приближения: 2502 (8-разрядный, последовательный, не расширяемый), 2503 (8-разрядный, расширяемый) и 2504 (12-разрядный, последовательный, расширяемый). Они были специально разработаны для выполнения регистровых функций и функций управления для АЦП последовательного приближения. Они стали стандартными строительными элементами многих модульных и гибридных преобразователей. В действительности акроним SAR расшифровывается как регистр последовательного приближения (successive approximation register), и отсюда появляется сочетание SAR ADC-АЦП последовательного приближения. Ранее, преобразователи, использовавшие архитектуру последовательного приближения, назывались последовательные кодеры (sequential coders) feedback coders (кодеры с обратной связью), feedback subtractor coders (вычитающие кодеры с обратной связью).
Рисунок 1.20 12-разрядный “MiniDAC”, использующий четырёхпозиционный переключатель токов, тонкоплёночную резистивную схему, источник опорного напряжения и операционный усилитель, 1969.
Рис. 1.21 ЦАП “quad switch” с внешней тонкоплёночной резистивной схемой.
Архитектуры преобразователей.
История развития различных архитектур преобразователей содержится в главе 3 данной книги, здесь мы обобщим главные достижения.
Основной алгоритм процесса преобразования с использованием АЦП последовательного приближения (ранее называвшийся - вычитание с обратной связью) уходит корнями в 1500-е годы к определенным математическим головоломкам относительно определения неизвестного веса путем минимального числа последовательных взвешиваний20. Цель данной проблемы заключалась в определении наименьшего числа взвешиваний, которое будет необходимо для взвешивания на весах целого числа фунтов от 1 lb до 40 lb. Одно решение было найдено математиком Тартагдлия (Tartaglia) в 1556 году, который предложил использовать серию взвешиваний с 1 lb, 2 lb, 4 lb, 8 lb, 16 lb, 32 lb. Этот алгоритм взвешивания аналогичен современному алгоритму последовательного приближения для АЦП. Необходимо уточнить, что это решение позволяет измерить неизвестный вес до 63 lb, а не 40 lb, как предполагалось изобретателем. Данный алгоритм изображен на рис. 1.22, где неизвестный вес составляет 45 lbs. Для демонстрации алгоритма используется аналог чашечных весов. Электронная реализация АЦП последовательного приближения показана на рис. 1.23.
Рисунок 1.22 Алгоритм последовательных приближений АЦП, подобный двоичному взвешиванию.
Рисунок 1.23 Базисная схема АЦП последовательного приближения (вычитающий АЦП с обратной связью).
Интересно отметить, что все фундаментальные архитектуры АЦП, использующиеся в настоящий момент были открыты и опубликованы к середине 1960-х. На рис. 1.24 представлены временные этапы развития АЦП последовательного приближения. На рис. 1.25 указаны этапы развития архитектур высокоскоростных АЦП и на рис. 1.26- подсчитывающий и интегрирующий АЦП. Даже архитектура Σ-Δ АЦП была изучена к этому периоду, этапы развития представлены на рис. 1.27. Более детальная информация по каждой архитектуре и этапы развития рассматриваются в главе 3.
• Алгоритм регистрового последовательного приближения (SAR) берет свое начало в 1500-х
• Ранние АЦП ПП в основном использовали переключаемые источники опорного напряжения, а не внутренние ЦАП (Шеллинг: 1946, Гудолл: 1947)
• Ииспользование внутренних ЦАП вместо переключаемых источников опорного напряжения для реализации процесса преобразования (Кайзер: 1953, Б.Д.Смит: 1953)
• Использование неравномерно взвешенных ЦАП для реализации передаточной функции компандирования (Б.Д.Смит: 1953)
• Первый коммерческий вакуумно-электронный 11-разрядный 50kSPS АЦП ПП (Бернард М. Гордон-Эпско: 1954)
• Разработка специальной логической функции для реализации алгоритма последовательного приближения (Гордон: 1958). Появление популярных логических ИС ПП: 2503, 2504 –произведенных National Semiconductor и Advanced Micro Devices в начале 1970-х
Рисунок 1.24 Обобщение этапов развития АЦП ПП (SAR)
• Счётные АЦП Ривза 1939
• Последовательное приближение 1946
• Flash (электровакуумные кодеры) 1948
• Bit-per-stage (двоичный и Грея) 1956
• Subranging (субдиапазонные) 1956
• Subranging с коррекцией ошибки 1964
• Pipeline (конвеерные) с коррекцией ошибки 1966
Даты относятся к времени первых публикаций или выдачи патентов.
Рисунок 1.25 Этапы становления архитектуры высокоскоростных АЦП
• Счётные АЦП Ривза 1939
• Charge run-down (со сбросом заряда) 1946
• Ramp run-up 1951
• Tracking (следящие) 1950
• Преобразователь напряжение - частота 1952
• Dual slope (с двойным наклоном) 1957
• Triple slope (с тройным наклоном) 1967
• Quad slope (с четверным наклоном) 1973
Даты относятся к времени первых публикаций или выдачи патентов.
Рисунок 1.26 Этапы становления архитектуры счётных и интегрирующих АЦП.
• Дельта модуляция 1950
• Дифференциальная ИКМ 1950
• Одно и многоразрядные отсчёты с избыточной частотой с форматированием шума 1954
• Первое упоминание о Δ-Σ «дельта-сигма» 1962
• Введение децимации и цифрового фильтра в АЦП, удовлетворяющего критерию Найквиста 1969
• Полосовая сигма-дельта 1988
Даты относятся к времени первых публикаций или выдачи патентов.
Рисунок 1.27 Этапы становления архитектуры сигма-дельта АЦП.
К концу 1960-х, уже существовали основные архитектуры и строительные блоки для модульных и гибридных преобразователей, и большая часть работы на пути к созданию монолитного преобразователя, появившегося в начале 1970-х, была проделана.
Часть 1.3: Развитие преобразователей в 1970-е.
В 1970 началось одно из наиболее значимых десятилетий в истории преобразователей. Движущей силой рынка АЦП/ЦАП был ряд сфер их применения, например, таких как: цифровые вольтметры с высокой разрешающей способностью, процесс управления промышленным производством, военные фазированные радары, медицинское оборудование, индикаторы с векторной разверткой, индикаторы с растровой разверткой. Большинство из этих систем раньше использовали обычную аналоговуютехнику обработки сигналов, но возросшая доступность дешевых вычислительных технологий вызвала желание использовать преимущество улучшенной производительности и гибкости, предлагаемое цифровой обработкой сигналов и их анализа - и конечно, с применением совместимых преобразователей.
В результате большое количество компаний начали заниматься разработкой преобразователей данных, к их числу можно отнести Analog Devices, Analogic Corporation (первоначально Epsco, а позже Gordon Engineering), Burr Brown, Computer Labs, Datel, Hybrid System, ILC/Data Device Corporation, Micronetworks, National Semiconductor, Teledyne Philbrick и Zeltex.
Интегральные схемы блоков, также как и полные ИС преобразователей в 1970-е годы выпускались следующими фирмами: Analog Devices, Advanced Micro Devices, Fairchild, Signetics, Intersil, Micro Power Systems, Motorola, National Semiconductor, TRW (LSI Division) и Precision Monolitics.
Преобразователи 70-х годов использовали все доступные в то время технологии: монолитную, модульную, гибридную. Модульные и гибридные компоненты имели большую разрешающую способность и скорость по сравнению с существующими монолитными аналогами.
Непреложный факт: для того, чтобы получить максимальную выгоду от использования новой технологии не нужно забывать об обучении покупателей и высококвалифицированной технической поддержке, это актуально и для преобразования данных. Изначально Analog Devices осознавала важность хорошего материала по применению и начала использовать ряд обучающих статей по ОУ, написанных их разработчиком Рей Стата1. Эти статьи были опубликованы в год основания Analog Devices, 1965, и до сих пор являются классическими по обучению основам теории ОУ и их применению.
ADI продолжала оказывать информационную поддержку покупателям через инструкции по применению, которая усилилась с появлением журнала Analog Devices в 1967 году2. Первоначально устав журнала звучал так: « Журнал для обмена информацией по технологии ОУ», после он изменился на «Журнал для обмена информацией по аналоговой технике».
Распространение техники аналоговых схем – это то, чем занимался журнал Analog Devices в начале своего существования и это получалось достаточно успешно.
Первый выпуск содержал статью Рея Статы об ОУ и она все еще доступна в качестве инструкции по применению3. Похожее замечание можно сделать и о последующей статье Рея Статы4.
Вехой в жизни молодого журнала в 1969 году стало появление Дэна Шайнголда в качестве редактора5. Являясь опытным и высококвалифицированным экспертом по ОУ и редактирующим писателем начиная с времен вакуумно-электронной технологии и раннего периода развития полупроводников он работал на George A. Philbrick Researches (GAP/R), Дэн Шайнголд принес уникальный ряд навыков, направляющих редактирование Analog Devices в нужное русло. И по сей день Дэн продолжает оставаться главным редактором журнала. На протяжении более 35 лет его высокие технические стандарты в области коммуникаций продолжают оставаться промышленным эталоном.
Осознавая необходимость в создании универсальной книги о новой появившейся сфере: преобразование данных, Analog Devices в1972 году публикует первое издание руководства по аналого-цифровому преобразованию (Analog-Digital Conversion Handbook) под редакцией Дэна Шайнголда6. Исправленная версия руководства по аналого-цифровому преобразованию (Analog-Digital Conversion Notes) была опубликована в 1977. В 1986 году совместно с Prentice-Hall, Шайнголд выпустил третью версию этой книги под первоначальным названием Analog-Digital Conversion Handbook8. Все эти книги детально описывали архитектуру преобразователей, их технические характеристики, конструкции и их использование, и помогали также в принятии универсальной терминологии и производственных метрик в процессе производства.
Монолитные преобразователи 70-х.
ЦАП с биполярной технологией ИС.
Ранние монолитные ЦАП изготавливались с использованием биполярной технологии. Они содержали основное ядро полного ЦАП - массу ключей и резисторов для взвешивания каждого бита. Примером является 1408 и позже более высокоскоростной производный от него, DAC08, выпущенный в 1975 году, представлен на рис.1.28.
Рисунок 1.28 ИС DAC08, 8-разрядный 85 нс ЦАП, 1975.
Эти преобразователи выпускались различными производителями и были доступны по низкой цене. Но, требовалось большое количество дополнительных внешних компонентов для реализации их работы. К числу таких компонентов можно отнести несколько резисторов, источник опорного напряжения, защелку, выходной ОУ, возможно, корректирующий конденсатор, и один или два подстроечных потенциометра.
Преобразователи, подобные 1408 и DAC08 имели ограниченную 8-разрядную точность, достигаемую путем согласования и отслеживания ограничений диффузионных резисторов. Когда требуется более высокая точность, используются резисторы с более низким температурным коэффициентом, что предполагает послепроизводственную настройку.
Пленочные резисторы имеют низкий температурный коэффициент и могут быть подрезаны с помощью лазера - они очень хорошо подходят для преобразователей. К середине 1970-х Analog Devices достигла значительного опыта не только в осаждении тонкопленочных резисторов, но и в их подгонке на пластине.
AD562, разработанный Бобом Крейвеном и произведенный Analog Devices, был представлен в 1974 году и представлял собой монолитный элемент (“compound monolithic”), из 2-х ИС чипов, смонтированных в одном корпусе, без традиционных гибридных подложек, применявшихся для монтирования и соединений. Вместо этого, 2 чипа были спроектированы таким образом, что имелся только один соединяющий пучок проводов между чипами (в дополнение к обычным, соединяющим с выводами корпуса), и больше ничего не требовалось для монтажа 12-разрядного DAC к ИС корпусу. В прототипе AD562 один чип содержал тонкопленочную резисторную схему (включая резисторы установки двоичного взвешивания и резисторы установки выходного усиления), другой чип содержал усилитель управления опорным напряжением) и токовые ключи для 12 разрядов. При достижении зрелости процесса, стало более практичным производство больших по размерам чипов. Два чипа первоначального AD562 позже слились в однокристальную версию. Это был первый 12-разрядный ЦАП квалифицированный по стандарту министерства обороны США MIL-M-38510.
Хотя AD562 был первым интегральным 12-разрядным ЦАП и представлял собой решение достаточно трудных конструкторских проблем, но он продолжал оставаться только строительным элементом, так как у него не было буферной защелки, источника опорного напряжения и выходного усилителя. Вскоре, после появления двукристалльного AD5629,10 появилась версия с третьим кристаллом. Третий чип имел 2.5-В источник опорного напряжения bandgap-типа (спроектированный Полом Brokow и детально описанный в11,12). Это позволило сделать функционирование ЦАП более полным. Продукт, появившийся в результате и известный как AD563, также завоевал достаточную популярность и в конечном счете совершил переход к полностью монолитному однокристалльновому устройству.
Другая проблема AD562 заключалась в том, что ему не хватало быстродействия для многих приложений - его время установления составляло примерно 1μs. Дальнейшие успехи в разработке ключей и производстве диодов Зенера привели к производству высокоскоростных ЦАП: AD565, выпущенный в 1978 (и последовавший за ним в 1981 году AD565А). Упрощенная схема AD565 показана на рис.1.29.
Битовые ключи, используемые в этой конструкции, значительно меньше тех, что применялись в AD562. Это позволило значительно сократить площадь кристалла и увеличить выход годных кристаллов с полупроводниковой пластины. Новые ключи привели к изменению установочного времени, которое составляло теперь 200ns до уровня ½ LSB. В AD565 использовался встроенный источник опорного напряжения Зенера, имевший меньший шум по сравнению с источником bandgap-типа, применявшимся в AD563.
AD565 сохранил ту же цоколевку, что и предшествующий AD563, наряду c улучшенной производительностью и низкой ценой.
Необходимо отметить, что AD561 был первым монолитным одночиповым 10-разрядным ЦАП с тонкоплёночными резисторами, подгоняемыми лазером на пластине (LWT), и внутренним источником напряжения. Он был спроектирован Петером Холовэйем и представлен фирмой Analog Devices в 1976 году13. Этот ЦАП использовал метод компенсации ошибок, появившихся в процессе работы транзисторов внутреннего источника тока при разных плотностях тока. Эта идея была запатентована Полом Brokaw и является одним из широко распространенных справочных патентов по процессу преобразования данных14.
Рисунок 1.29 AD565, 12-разрядный 200 нс ЦАП, 1978.
CMOS ИС ЦАП в 70-х
Как мы видели, ранние коммерчески доступные монолитные ЦАП были изготовлены с использованием обычной биполярной линейной технологии. До 1974 года, когда был представлен AD7520 CMOS ЦАП, было трудно достичь 10-разрядного преобразования с хорошим выходом годных (и при низкой цене), из-за конечности β переключателей и связанной с этим трудностью согласования с Vbe, трудностью выполнения необходимых диффузионных резисторных лесенок, и ограничений вызваных температурными градиентами, произведенными высокой внутренней рассеиваемой мощностью.
Большинство из этих проблем удалось решить или избежать при применении CMOS устройств. Транзисторы с технологией CMOS имели бесконечное усиление тока, что позволяло избегать β проблем. Не существует эквивалента в схеме CMOS, совпадающего с биполярным транзисторным напряжением Vbe, вместо этого CMOS ключ в состоянии ON почти идеальный резистор, с величиной сопротивления, управляемой геометрией устройства. Температурные проблемы диффузионных резисторов были устранены путем использования тонкопленочных резисторов. Упрощенная схема AD7520, 10-разрядного, 500-ns CMOS умножающего ЦАП, представленного в 1974 году, показана на рис 1.30
Архитектура AD7520 представляет собой стандартный токовый R-2R (также называемый «инвертированный R-2R»), он описан в главе 3 данной книги. Выход подаётся на инвертирующий вход внешнего ОУ, подключенного как I/V преобразователь. 10-kΩ резистор обратной связи для ОУ является внутренним у AD7520 и благодаря этому обеспечивает хорошее согласование. Главным в достижении линейности AD7520 является то, что геометрия ключей, соответствующих первым 6 разрядам изменяется таким образом, чтобы достичь необходимых ON сопротивлений, в бинарном соотношении.
Архитектура AD7520 была расширена до 12-разрядного разрешения в AD7541 путем добавления дополнительных ячеек ключей и резисторов. Однако, для достижения 12-разрядной линейности была необходима лазерная подгонка на пластине. AD7541, выпущенный в 1978, был первым 12-разрядным CMOS умножающим ЦАП. Время установления до ½ LSB составляло 1μs.
Рисунок 1.30 AD7520, первый монолитный умножающий CMOS 10-разрядный ЦАП.
AD7520 и AD7541 положили начало целой серии умножающих CMOS ЦАП общего назначения от Analog Devices. Некоторые из них будут рассмотрены далее (см. Развитие преобразователей в 80-е).
Другим важным элементом ЦАП стало добавление защелки на кристалле (обычно такие ЦАП называются буфферированными “buffered”). Наличие защелки позволило подключать ЦАП к шине данных микропроцессора. AD7524, изображенный на рис.1.31, представлял собой 8-разрядный умножающий CMOS ЦАП, имеющий защелку на кристалле. Данные загружаются в ЦАП, по команде CHIP SELECT, затем данные записываются на защелку командой WRITE. Путем возвращения WRITE в положение 0, мы отсоединяем защелку от шины данных, и при желании к шине можно присоединить другое устройство.
Рисунок 1.31 AD7524, 8-разрядный, буферированный, совместимый с микропрцессором ЦАП, 1978.
Последующие ЦАП имели вторую защелку и назывались ЦАП с двойным буфером (“double-buffered”). Входная защелка использовалась для загрузки данных (последовательных, параллельных или в байтах), и когда вторая параллельная защелка ЦАП стробировалась, тогда выходной сигнал с ЦАП обновлялся.
Вскоре разработчики преобразователей осознали значимость упрощений при связи с микропроцессорами и цифровыми сигнальными процессорами, вследствие этого расширилась функциональность устройств, улучшение которой продолжается и по сей день.
На рис. 1.32 представлены основные этапы развития монолитных ЦАП в 1970-е годы.
*Биполярные
• AD550 “μЦАП”- строительный блок счетверённого переключателя (building block quad switch), 1970
• AD562 12-разрядный, 1.5μs (2 кристалла, в монолитном корпусе) ЦАП, 1974
• 1408 8-разрядный, 250ns ЦАП, 1975
• DAC08 8-разрядный, 80ns, 1976
• AD561 10-разрядный, 250ns, с лазерной подгонкой (LWT) резисторов, с токовым выходом ЦАП с источником опорного напряжения, 1976
• AD565, 12-разрядный, 200ns, LWT, с токовым выходом ЦАП с источником опорного напряжения, 1978
* CMOS:
• AD7520, 10-разрядный, 500ns, умножающий ЦАП, 1974
• AD7541, 12-разрядный, 1μs, LWT, умножающий ЦАП, 1978
• AD7524, 8-разрядный, 150ns, LWT, умножающий ЦАП с буферной защелкой, μP интерфейс, 1978
Рисунок1.32 краткое изложение истории развития монолитных ЦАП в 1970-х
Большинство АЦП в начале 1970-х имели модульную или гибридную структуру, но были предприняты значительные усилия по разработке полностью монолитных АЦП со стороны производителей преобразователей. Самая ранняя попытка реализовалась в создании в 1975 году AD7570, 10-разрядного, 20-μs, CMOS SAR АЦП.
Однако, из-за трудностей проектирования хороших компараторов, усилителей, и источников опорного напряжения в раннем CMOS процессе, AD7570 нуждался во внешнем LM311 компараторе так же как и в источнике опорного напряжения.
Архитектура интегририрующих АЦП была подходящей для раннего CMOS процесса, поэтому в 1976 году Analog Devices представила 13-разрядный AD7550, в котором применялась универсальная архитектура под названием “quad slope”(учетверённый наклон). Эта архитектура была запатентована Айвером Уолдом15.
Первым полностью монолитным АЦП стал 10-разрядный , 25-μs AD571 последовательного приближения, изобретенный Полом Brokaw и представленный в 197816. AD571 был спроектирован на основе биполярного процесса с использованием LWT тонкопленочных резисторов. Для того, чтобы реализовать логические функции, необходимые АЦП последовательного приближения, к биполярному процессу добавили интегральную инжекционную логику (I²L). Процесс позволил использовать уплотнённую низковольтовую логику на том же кристалле, также как и прецизионные линейные высоковольтные схемы.
И2Л процесс был особенно полезен в производстве АЦП, так как была необходима только одна диффузионная операция в дополнение к используемым в стандартном линейном процессе. Кроме того, эта диффузия не влияла на другие операции процесса. Таким образом, аналоговая часть схемы относительно не изменялась из-за дополнительной логики.
10-разрядный AD571 (и 8-разрядный AD570) были полностью монолитными АЦП со встроенным тактовым генератором и источником опорного напряжения Зенера, с подгоняемым лазером ЦАП (на основе конструкции, описанной в14) и с выходным буфером с тремя состояниями. Упрощенная схема AD571 приведена на рис.1.33
Рисунок 1.33 AD571, полностью интегральный 10-разрядный, 25 мкс АЦП, 1978.
Возможно, что самым значительным из когда-либо представленных SAR АЦП был 12-разрядный, 35- μs AD574 1978 года выпуска. AD574 представлял собой решение всех проблем, включал встроенные источник опорного напряжения Зенера и схему тактового генератора, выходные буферы с тремя состояниями для прямого сопряжения с 8-,12-,16-разрядными микропроцессорными шинами. В своей изначальной форме AD574 был изготовлен на основе составной монолитной конструкции, с использованием 2 кристаллов - один AD565 12-разрядный ЦАП с токовым выходом, включающий источник опорного напряжения и тонкопленочные масштабные резисторы, другой содержал регистр последовательного приближения (SAR) и логические функции микропроцессорного интерфейса и прецизионный компоратор с защёлкой. AD574 вскоре стал выпускаться в промышленном стандарте (по температурному диапазону, примечание редактора) 12-разрядного АЦП начала 1980-х. Впервые в 1985 году он стал доступным в монолитной однокристальной форме, что позволило использовать дешевые коммерчески выгодные корпуса. Упрощенная блок-схема AD574 показана на рис 1.34.
Рисунок 1.34 AD574, 12-разрядный, 35 мкс, интегральный АЦП промышленного стандарта, 1978.
C наступлением 1970-х появились первые высокоскоростные видео Flash (параллельные) АЦП, начиная с TDC-1007J 8-разрядного, 30-MSPS от LSI отделения TRW в 197917. TRW также представила низкомощную 6-разрядную версиюTDC-1014J. Также в 1979 Advanced Micro Devices представила АМ6688 4-разрядный, 100-MSPS flash АЦП, разработанный Джимом Гайлсом, автором ранее спроектированных АМ685 и АМ687- быстрых ECL компараторов. Более подробно эволюция параллельных преобразователей приведена в части 1.4, История развития преобразователей в 1980-х.
Развитие монолитных АЦП в 1970-е годы кратко изложено на рис. 1.35
• AD7570, 10-разрядный, 20μs CMOS АЦП последовательного приближения, (нуждался в наличии внешнего компаратора и опорного напряжения), 1975
• AD7550, 13-разрядный интегрирующий АЦП на основе техники “quad slope”, 1976
• AD571, составной 10-разрядный, 25μs монолитный SAR АЦП, с источником опорного напряжения использующий И2Л схему и LWT тонкопленочные резисторы, разработанный Полом Brokaw, 1978
• AD574, 12-разрядный, 35μs 2 кристалльный, монолитный АЦП последовательного приближения, 1978; однокристальная версия 1985
• Flash (параллельные) АЦП:
*TRW TDC-1007J/TDC-1016J, 8-разрядный/6-разрядный 30 MSPS АЦП, 1979
• АМ6688 4-разрядный, 100MSPS АЦП, 1979
Рисунок 1.35 Краткое изложение: монолитные АЦП в 1970-х.
Гибридные преобразователи в 1970-е.
Несмотря на то, что в начале 1970-х было разработано несколько инструментальных стоечных преобразователей (таких как VHS-серии и 7000-серии от Computer Labs Inc), возросшие требования к более дешевым компактным и высокопроизводительным преобразователям, вынудили производителей заняться дополнительной разработкой гибридных и модульных устройств - монолитная технология того времени была еще не в состоянии поддерживать высокопроизводительные функции преобразователей, используя лишь один кристалл.
В 1970 разработчики гибридных и модульных преобразователей имели массу компонентов из которых можно было выбирать, включая ИС ОУ, ИС ЦАП, компараторы, дискретные транзисторы, различные логические кристаллы и т.п. На рис. 1.36 приведены некоторые наиболее популярные в 1970-е годы гибридные и модульные строительные блоки.
• “Quad switches” (AD550 μDAC)
• прецизионные тонкопленочные резисторные схемы (AD850)
• ИС ЦАП: AD562, AD563, AD565, 1408, DAC08
• ИС компараторы: μА710, μА711, NE521, LM311, LM361, MC1650, AM685, AM687
• Регистры последовательного приближения (SARs): 2502, 2503, 2504
• ИС и гибридные ОУ
• ИС источников опорного напряжения и напряжения Зенера
• Быстрые PNP и быстрые NPN дискретные транзисторы
• Монолитные согласованные пары FETs.
• Монолитные транзисторные матрицы (RCA CA-series)
• Диоды Шотки
• CMOS и DMOS ключи
• Логика TTL, CMOS, ECL
• 4,6,8-разрядные монолитные параллельные АЦП (начиная с 1979)
Рисунок 1.36 Компоненты для гибридных и модульных преобразователей 1970-х.
В гибридах обычно использовались керамические подложки с тонкопленочными или толстопленочными проводниками. Индивидуальные кристаллы закреплены на подложке (обычно с помощью эпоксидного клея). Провода соединяют контактные площадки кристаллов и проводники подложки. Гибриды обычно герметично упакованы в керамические или металлические корпуса. Точность была достигнута подгонкой тонкопленочных или толстопленочных резисторов после их установки или при отсоединении, но перед герметизацией. Производители использовали тонкопленочные схемы, дискретные тонкопленочные резисторы, осажденные толсто-или тонкопленочные резисторы или комбинации вышеперечисленных.
Хотя производство кристалло-проводникового гибрида было значительно дороже, чем производство ИС, но это позволяло достигнуть таких уровней параметров, которые были недостижимы при использовании существующей монолитной технологии того периода. Доступные гибридные схемы в процессе своей эволюции привели к созданию монолитных форм. Для разных устройств этот период составлял от 5 до 10 лет. Самым популярным 12-разрядным ЦАП 70-х был DAC80. Представленный в середине 1970-х, он состоял из 11 кристаллов: 3 quad switch-матрицы, 2 ОУ, 2 резисторных схемы, диод Зенера, 2 диода- стабилитрона, бескорпусной конденсатор (см рис. 1.37А). В 1978 году, когда монолитная технология достигла того уровня, при котором создалась возможность сочетать ключи и резисторные схемы на одном кристалле, был создан трехкристалльный DAC80 (рис. 1.37Б). Эти три кристалла содержали источник опорного напряжения, выходной ОУ и схему с ключами, резисторами и управлением усилителями.
Рисунок 1.37 DAC80 – эволюция 12-разрядного ЦАП.
Новая конструкция предлагала параметры, идентичные первоначальному DAC80, но при значительном улучшении надежности и уменьшении стоимости. В 1983 году появился однокристальный DAC80 (рис.1.37С). Это повлекло за собой дальнейшее уменьшение цены и повышение надежности по сравнению с 3х и 11-ти кристальными версиями. В конечном итоге, в 1984 году это популярное устройство было предложено в недорогом пластиковом DIP корпусе. Таким образом, в течении 10 лет, DAC80 развился из достаточно дорогого гибрида в большеобъемную удобную ИС.
Другим прекрасным примером гибридной технологии можно назвать AD572, 12-разрядный, 25-µs SAR АЦП, выпущенный в 1977. AD572 включал в себя внутренний тактовый генератор, опорное напряжение, компаратор, входной буферный усилитель. В качестве регистра последовательного приближения использовался популярный 2504. Внутренний ЦАП состоял из 12-разрядного кристалла ключей и тонкоплёночной схемы с подгонкой, который корпусировался в виде двух-кристалльного AD562 ЦАП). AD572 был первым одобренным военными структурами 12-разрядным АЦП, удовлетворяющим стандарту MIL-STD883B для использования в полном рабочем температурном диапазоне от -55°С до +125°С. Фотография AD572 приведена на рис 1.38.
Рисунок 1.38 AD572, 12-разрядный, 25 мкс., гибридный АЦП для MIL-применений, 1977.
В 1970-е годы было разработано много гибридных схем, самые основные приведены на рис. 1.39. К концу 1970-х Computer Labs Inc представила несколько очень быстрых гибридных преобразователей, основанных на технологии подгонки толстоплёночных резисторов (в 1978 году Computer Labs вошла в состав Analog Devices). Технология толстопленочных резисторов, разработанная в Computer Labs в 70-е годы, давала возможность использовать 12-разрядную точность. Это было значительным достижением, так как большинство производителей гибридов использовали более дорогие тонкопленочные резисторы для 12-разрядных устройств.
• DAC80, 12-разрядный ЦАП, 1975
• АDC80, 12-разрядный, 25µs SAR АЦП, 1975
• AD572, 12-разрядный, 25µs, для военного применения АЦП, 1977
• HDS -1250, 12-разрядный, 35ns ЦАП (также 8-,10-разрядные версии), 1979
• HAS-1202, 12-разрядный, 2.2 µs SAR АЦП (также 8-,10-разрядные версии),1979
• HTC-0300, 300ns SHA; HTS-0025, 25ns SHA, 1979
Рисунок 1.39 Вехи в гибридной технике АЦП и ЦАП в 1970-е.
ЦАП HDS-серии и ЦАП HAS-серии использовали толстоплёночные резисторы с активной подгонкой и ключи на дискретных PNP транзисторах для внутренних ЦАП.
Необходимо отметить, что на данном этапе ни один из монолитных или гибридных АЦП 70-х не являлся АЦП с отсчётами, имеющий внутреннюю систему выборки и хранения (SHAs).
Для того, чтобы обрабатывать сигналы переменного тока, с АЦП должна быть соединена отдельная система выборки и хранения (при помощи подходящего интерфейса и схемы синхронизации). Это породило необходимость использования гибридных SHAs, таких как HTC-0300 и более быстрых HTS-0025.
Модульные преобразователи 70-х годов.
Разработчики модульных преобразователей 70-х годов имели большие возможности, чем разработчики гибридных систем. Фактически, модульная технология зародилась в конце 60-х, до того момента, когда гибридные технологии стали столь популярными. Модульные технологии и по сей день применяются в некоторых элементах. На рис. 1.40 показаны 2 ранних наиболее популярных модульных АЦП: ADC-12QZ и MAS-1202. Модульная технология являлась хорошо отработанной - компоненты монтировались на печатной плате, капсулированные в герметизированный модуль после подгонки (обычно с помощью резисторов, выбранных вручную).
Заливочный компаунд использовался для распределения тепла по модулю, обеспечивая тепловое согласование наиболее важных компонентов, и затруднял конкурентам доступ к схемам.
Рисунок 1.40 Ранние модули АЦП 1970-х.
ADC-12QZ и MAS-1202 потребляли примерно 2 Вт и продавались за 130 и 270 долларов соответственно.
Первый из полностью модульных стробируемых АЦП 70-х годов использовал open-card конструкцию с комбинацией гибридных, ИС и дискретных строительных блоков на печатной плате. MOD-815 8-разрядный, 15-MSPS АЦП был изготовлен в 1976 году Computer Labs. В конструкции использовались два 4-разрядных параллельных преобразователя в субдиапазонной архитектуре (subranging architecture, см. главу 3). Каждый из 4-х разрядных параллельных преобразователей состоял из 8 двойных AM687 ECL компараторов. MOD-815 был одним из первых коммерческих АЦП, использованных в быстроразвивающейся сфере цифрового телевидения.
Другие популярные модули, собранные на печатной плате, MOD-1205 12-разрядный, 5-MSPS АЦП и MOD-1020 10-разрядный, 20-MSPS АЦП, были представлены Analog Devices / Computer Labs в 1979. Эта технология сделала возможным появление на рынке первых параллельных преобразователей: Advanced Micro Devices AM6688 4-разрядный, 100MSPS flash, TRW TDC-1007J (8-разрядный) и TDC-1014J (6-разрядный). На рис.1.41 показана фотография MOD-1020 c указанием названия основных элементов. В данном преобразователе использовалась субдиапазонная архитектура, с двумя АМ6688, осуществляющими первое 5-разрядное преобразование, и 6-разрядный TDC-1014J, осуществляющий второе шестиразрядное преобразование. Дополнительный разряд использовался для корректировки ошибок. MOD-1020 использовал немного ECL логики и рассеивал 21 Вт. Из-за высокого уровня производительности и большого количества дорогих гибридных и ИС строительных блоков, MOD-1020 стоил 3,500.00 долларов.
Рисунок 1.41 MOD-1020, 10-разрядный, 20 MSPS стробируемый АЦП, 1979.
Начиная с середины 1970-х большинство модульных дискретных преобразователей были протестированы с использованием FFT техники (быстрое преобразование Фурье - БПФ) для измерения отношения сигнал-шум (SNR), эффективной разрядности (ENOB) и искажения (см. главу 5, Тестирование преобразователей)
Обобщенные данные по популярным модульным АЦП и ЦАП 70-х годов приведены на рис. 1.42.
• DAC-12QZ, 12-разрядный ЦАП, 1970
• ADC-12QZ, 12-разрядный 40µs SAR АЦП, 1972
• MAS-1202, 12-разрядный 2µs SAR АЦП (а также 8- и 10-разрядные версии), 1975
• ADC1130, 12-разрядный 12µs SAR АЦП, 1975
• MDS-1250, 12-разрядный 50ns ЦАП (а также 8- и 10-разрядные версии), 1975
• THS-0300, 300ns SHA; THS-0025, 25ns SHA, 1975
• MOD-815, 8-разрядный 15MSPS видео, стробируемый АЦП, 1976
• SDC1700, синхро - цифровой преобразователь, 1977
• DAC1138, 18-разрядный ЦАП (самый точный на протяжении 10 лет), 1977
• MOD-1205, 12-разрядный 5MSPS, стробируемый АЦП, 1979
• MOD-1020, 10-разрядный 20 MPSP, стробируемый АЦП,1979
Рисунок 1.42 Достижения модульной технологии АЦП и ЦАП в 1970-х.
Часть 1.4: Преобразователи данных в 80-е годы.
Уолт Кестер
Введение
1980-е годы являются высокопродуктивными годами развития ИС, гибридных и модульных преобразователей. Движущей силой рынка были развитие инструментов, сбор данных, медицинское оборудование, профессиональная и бытовая аудио / видео техника, компьютерная графика и масса других. Возросшая доступность дешевых микропроцессоров, высокоскоростной памяти, цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и появление IBM совместимых PC увеличило интерес ко всем сферам обработки сигналов. Усилия разработчиков АЦП были сосредоточены на резком улучшении параметров по переменному току, расширении динамического диапазона, т.е. на создании стробируемых АЦП для всех частот. Технические характеристики, такие как отношение сигнал-шум (SNR), отношение сигнал-шум + искажение (SINAD), эффективная разрядность (ENOB), отношение мощности шума (NPR), истинный-spurious free динамический диапазон ( SFDR), временное дрожание апертуры и т.д. стали появляться в большинстве спецификаций АЦП, а в спецификациях ЦАП – glitch площадь выброса, SFDR и др. В 1980-е годы достигли значительного распространения высокоскоростные биполярные и CMOS flash (параллельные) АЦП, 4-,6-,8-,9-,10-разрядные со скоростью дискретизации от 20MSPS до 100MSPS. Цифровое видео являлось движущей силой для развития 8-,9-,10-разрядных устройств. В области графического изображения появились ЦАП с РАМ (с оперативной памятью). CMOS представляла идеальный процесс для этих интенсивно оснащаемых памятью приборов.
Обработка голосового канала с аудио сигналами привела к созданию 16- и 18-разрядных АЦП и ЦАП, а появление CD проигрывателей вызвало необходимость создания дешевых аудио ЦАП.
В 1980-е основной целью АЦП и ЦАП стало предоставление большего разрешения, функциональности и более полное решение проблем в отношении сбора данных и распределения, включая многоканальные АЦП и ЦАП. Развитие аналогово-совместимых CMOS процессов (таких как Analog Devices LC²MOS и BiCMOS II, представленных в середине 1980-х) позволило разработчикам преобразователей предоставить больше функциональных возможностей, например, путем добавления таких функций, как опорное напряжение, буферное усиление на одном кристалле.
Другим важным достижением в середине 1980-х было представление биполярной комплиментарной технологии первого поколения от Analog Devices, которая предлагала высокоскоростные, высокопроизводительные сопряженные PNP и NPN транзисторы. Высокоскоростные ОУ произведенные на основе КБ технологии являлись отличными драйверами для многих новых АЦП. КБ технология, в конечном счете, позволила получить достаточно высоко производительные ВЧ (IF) стробируемые АЦП в 1990-х. Более детально данные технологии можно изучить в 4 главе данной книги: Технологический процесс создания преобразователей.
Монолитные ЦАП в 1980-е.
На рис. 1.43 приведен список основных ИС ЦАП предложенных в 1980-е. Вместо того, чтобы изучать каждый из продуктов индивидуально, мы рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих основные направления этой серии изделий.
• AD558, 8-разрядный, 1µs, µP- совместимый, с выходным напряжением, биполярный/ И²Л ЦАП, 1980
• D7528, сдвоенный, 8-разрядный, с буферизацией, CMOS MDAC, 1981
• AD7546, 16-разрядный, сегментный, CMOS ЦАП с режимом напряжения (требуются дополнительные внешние усилители), 1982
• AD7545, с буферизацией, 12-разрядный CMOS MDAC, 1982
• AD390, счетверённый, 12-разрядный с выходным напряжением ЦАП (полностью монолитный), 1982
• AD7240, 12-разрядный, с режимом напряжения, CMOS ЦАП, 1983
• AD7226, счетверённый, 8-разрядный, с двойной буферизацией, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, 1986
• AD9700 125MSPS, 8-разрядный видео ECL ЦАП, 1984
• AD7535, 14-разрядный с двойной буферизацией, LC²MOS MDAC, 1985
• AD569, 16-разрядный, сегментный, с выходным напряжением, с двойной буферизацией, BiCMOS ЦАП, 1986
• AD7245, 12-разрядный, с двойной буферизацией, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, с внутренним опорным напряжением, 1987
• AD1856/AD1860, 16-/18-разрядный аудио BiCMOS ЦАП для CD проигрывателей, 1988
• ADV453/ADV471/ADV476/ADV478 CMOS Video RAM-ЦАП-ы, 1988
• AD7840, 14-разрядный, с двойной буферизацией, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, с внутренним опорным напряжением, 1989
• AD7846, 16-разрядный, сегментный, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, 1989
Рисунок1.43 Монолитные ЦАП 80-х
AD558, 8-разрядный, 1µs CMOS ЦАП, представленный в 1980 году иллюстрирует тенденцию развития интерфейсов, совместимых с микропроцессорами, которые в настоящее время являются универсальными для АЦП и ЦАП общего назначения. Последующие продукты использовали цифровые входы с двойной буферизацией, когда входной регистр принимал параллельную, последовательную, широкобайтную информацию, а вторая параллельная защелка использовалась для фактической корректировки переключателей ЦАП.
AD7546, хотя и требовал наличия двух внешних ОУ для полного выполнения всех функций 16-разрядного ЦАП, являлся примером успешного увеличения разрешения. Сегментная архитектура, использовавшаяся в AD7546, позже была применена в 16-разрядном AD569, у которого все функции интегрировались на одном кристалле.
Появление сложноструктурного ЦАП в одном корпусе представлено двойным AD7528, счетверённым AD390 (полностью монолитный), счетверённым AD7226 (однокристальный).
Первоначальные CMOS ЦАП имели выходной ток (current-output), нуждались во внешних ОУ для реализации процесса преобразования ток-напряжение, но с изобретением технологий LC²MOS и BiCMOS, появились ЦАП, имеющие на выходе напряжение. Эти же технологии позволили интегрировать опорное напряжение на кристалле и тем самым обеспечили более полное решение.
В середине 1980-х начали появляться аудио и видео монолитные ЦАП. Создание AD1856/AD1860 16-/18-разрядных аудио ЦАП было вызвано появлением на рынке CD проигрывателей. AD9700 ЦАП, представленный в 1984 году, был первым монолитным ЦАП на ИС, разработанный для приложений с графической растровой разверткой, который обеспечивал синхронизацию, бланки, 10% белого, опорные уровни белого при установке специальных внутренних переключателей. Это позволяет использовать полный 8-разрядный диапазон предназначенный для активной видео области. AD9700 был из HDG-серии гибридных ЦАП, появившихся в 1980 году. Позднее AD9700 был заменен на серию ADV CMOS видео RAM ЦАП, который содержал на кристалле память цветовой палитры и имел все основные функции ЦАП.
Монолитные АЦП 80-х.
Двукристальный AD574, изготовленный в 1978, мог бы служить стандартом для промышленных преобразователей ко времени появления (1985год) однокристального SAR АЦП AD574, 12-разрядного, 35-μs. С того момента этот преобразователь соответствует промышленному стандарту и продолжает использоваться и в наши дни.
На рис. 1.44 приведен список наиболее значимых монолитных АЦП, созданных в 1980-е годы. Следует отметить, что появление монолитных стробируемых АЦП началось в середине 80-х. Использование дополнительных устройств выборки и хранения, опорного напряжения, буферных усилителей стало намного проще при добавлении биполярных возможностей к технологии CMOS (LC²MOS и BiCMOS ). Еще одним нововведением стало использование входных (front-end) мультиплексоров в дополнение к основным АЦП, как в 4-канальном AD7582 1984 года, таким образом позволяя использовать более полные решения при сборе данных.
Несмотря на то, что архитектура Σ-Δ была известна в 1950-1960-е годы, первое коммерческое предложение монолитного Σ-Δ АЦП было сделано в 1988 фирмой Crystal Semiconductor (CSZ5316). Это устройство имело 16-разрядную разрешающую способность и 20kSPS эффективную пропускную способность, что делало его приемлемым для оцифровки голосового спектра. Голосовой аудио рынок (как профессиональный, так и потребительский) вызвал создание Σ-Δ АЦП с более высоким темпом отсчётов и большим разрешением; рынок прецизионных измерений требовал 20+ разрешения при более низких пропускных способностях. Оба этих требования были исследованы в 1990-е годы при анализе Σ-Δ архитектур АЦП и ЦАП.
• AD574, 12-разрядный, 35µs, промышленного стандарта, однокристальный АЦП, 1985
• AD673, 8-разрядный, complete АЦП, 1983
• AD7582, 4-х канальный с входным мультиплексором, 12-разрядный CMOS АЦП, 1984
• AD670, 8-разрядный, 10µs ADCPORT, 1984
• AD7820, 8-разрядный, 1.36µs, half flash, стробируемый АЦП, 1985
• AD7572, 12-разрядный, 5µs, SAR LC²MOS АЦП с опорным напряжением, 1986
• AD7575, 8-разрядный, 5µs, SAR LC²MOS стробируемый АЦП, 1986
• AD7579, 10-разрядный, 50kSPS, LC²MOS SAR стробируемый АЦП с AC specs, 1987
• AD7821, 8-разрядный, 1MSPS half-flash стробируемый АЦП с AC specs, 1988
• AD674, 12-разрядный, 15µs АЦП, 1988
• AD7870,12-разрядный, 100kSPS LC²MOS SAR стробируемый АЦП с AC specs, 1989
• AD7871, 14-разрядный, 83kSPS LC²MOS SAR стробируемый АЦП с AC specs, 1989
• Первый коммерческий 16-разрядный сигма-дельта АЦП, Crystal Semiconductor, 1988.
Рисунок 1.44 Монолитные АЦП в 1980-е.
Монолитные параллельные АЦП в 1980-е.
Как было отмечено ранее, быстрое развитие цифрового видео рынка, совпавшее с появлением в 1979 году TRW TDC-1007J 8-разрядного, 30- MSPS параллельного АЦП, спровоцировало других производителей ИС начать разработки подобных параллельных АЦП, но имеющих более низкую потребляемую мощность, разрешение в диапазоне от 4 до 10-разрядов, частоту дискретизации равную 500 MSPS. Большинство из этих АЦП, но, конечно, не все перечислены на рис. 1.45, который охватывает период пика развития параллельных преобразователей - 1979-1990.
• TDC1007J, 8-разрядный, 30MSPS, (TRW LSI), 1979
• TDC1016J, 6-разрядный, 30MSPS, (TRW LSI), 1979
• AM6688, 4-разрядный, 100MSPS, (AMD), 1979
• SDA6020, 6-разрядный, 50MSPS, (Siemens), 1980
• TLM1070, 7-разрядный, 20MSPS, CMOS (Telmos), 1982
• MP7684, 8-разрядный, 20MSPS, CMOS (Micro Power), 1983
• TDC1048, 8-разрядный, 30MSPS, (TRW LSI), 1983
• AD9000, 6-разрядный, 75MSPS, 1984
• AD9002, 8-разрядный, 150MSPS, 1987
• AD770, 8-разрядный, 200MSPS, 1988
• AD9048, 8-разрядный, 35MSPS, 1988
• AD9006/AD9016, 6-разрядный, 500MSPS, 1989
• AD9012, 8-разрядный, 100MSPS, TTL, 1988
• AD9028/AD9038, 8-разрядный, 300MSPS, 1989
• AD9020, 10-разрядный, 60MSPS, 1990
• AD9058, dual, 8-разрядный, 50MSPS, 1990
• AD9060, 10-разрядный, 75MSPS, 1990
Рисунок 1.45 Монолитные параллельные АЦП в 1980-х.
Биполярная технология и технология CMOS использовались для производства таких устройств. Преобразователи на основе CMOS технологии обладали меньшей мощностью, но имели худшие характеристики (особенно это было характерно для ранних версий). Главными проблемами, возникшими у ранних CMOS параллельных преобразователей были ошибочные коды, известные как «всплески» “sparkle codes”, вызванные метастабильностью компаратора (более детально с этой темой можно ознакомиться в главе 3: Архитектуры преобразователей). Конструкции компараторов на основе биполярной технологии были более стабильны, так как обычно они имели более высокое регенеративное усиление. На сегодняшний день проблему метастабильности в устройствах, на основе CMOS удалось преодолеть при использовании субмикронного процесса, хотя, эти проблемы могут снова возникнуть в случае неверного проектирования.
Несмотря на то, что конструкции параллельных преобразователей на основе биполярной и CMOS технологий широко использовались в 1980-е в большинстве 6- и 10-разрядных видео АЦП, в 1990-х больше начали доминировать маломощные АЦП с субдиапазонной и конвейерной архитектурой, т.к. разработчики получили доступ к более быстрым CMOS и BiCMOS технологиям. Сегодня архитектуры параллельных преобразователей используются в качестве строительных блоков внутри конвейерных АЦП. Однако, существует несколько параллельных преобразователей на GaAs для 6- или 8-разрядного разрешения, которые заняли ту нишу на рынке, где требовалась скорость дискретизации в 1GSPS или больше.
Гибридные и модульные ЦАП и АЦП в 1980-е годы.
Потребность в гибридных и модульных АЦП и ЦАП достигла своего пика в 1980-е годы. В основном из-за задержек в процессе создания однокристальных преобразователей, обладающих теми же характеристиками, растягивавшемся на 3-5 лет. Кроме того, большое количество параллельных преобразователей использовалось в качестве строительных блоков для субдиапазонных АЦП с более высокой разрешающей способностью.
Несколько значимых гибридных и модульных преобразователей 80-х указано на рис. 1.46.
Гибридные:
• HDS-1240E, 12-разрядный, 40ns ECL ЦАП, 1980
• HDG-серия, 4-,6-,8-разрядный, 5ns ECL видео ЦАП, 1980
• HAS-1409, 14-разрядный, 1.25MSPS стробируемый АЦП, 1983
• HAS-1201, 12-разрядный, 1MSPS стробируемый АЦП, 1984
• AD376, 16-разрядный, 20µs SAR АЦП, 1985
• AD1332, 12-разрядный, 125кSPS стробируемый АЦП с 32word FIFO, 1988
• AD9003, 12-разрядный, 1MSPS стробируемый АЦП, 1988
• AD1377, 16-разрядный, 10µs SAR АЦП, 1989 Модульные:
• ADC1140, 16-разрядный, 35µs SAR АЦП, 1982
• CAV-1220, 12-разрядный, 20MSPS стробируемый АЦП, 1986
• CAV-1040, 10-разрядный, 40MSPS стробируемый АЦП, 1986
• AD1175, 22-разрядный интегрирующий АЦП, 1987
Рисунок 1.46 Гибридные и модульные АЦП и ЦАП с высокими характеристиками 1980-х.
В 1980 году Analog Devices выпустила семейство толстопленочных гибридов, представленных HDG- серией 4-,6-, 8-.разрядных видео ECL ЦАП. Разработанные для растровой сканирующей RGB графики, эти ЦАП имели время установления приблизительно 5ns. В дополнение к быстрой установке, они обладали еще другими характеристиками, - они обеспечивали синхронизацию, бланки, 10% белого, опорные уровни белого при установке специальных внутренних переключателей. Это позволяет использовать полный 8-разрядный диапазон, предназначенный для активной видео области. HDG –серия была предшественницей полностью монолитных CMOS видео ЦАП и RAM-ЦАП, которые были представлены позже (ADV-серия, 1980, рис. 1.43)
В 1980-е годы появились высокопроизводительные гибридные субдиапазонные АЦП, большинство из которых использовали в качестве строительных блоков высокоскоростные параллельные преобразователи. Большинство представляло собой дискретные устройства, дополненные ас техническими характеристиками, всё это реализовалось в 1988 году при выпуске 12-разрядного 10-MSPS AD9005.
Гибридные АЦП в 1980-е годы достигли такой разрешающей способности (как например, AD1377, 16-разрядный, 10-µs SAR АЦП, 1989), которая была еще недостижима при монолитной технологии.
Также необходимо отметить, что в 80-е годы было выпущено несколько модулей, которые также вызвали улучшение скорости и разрешающей способности. CAV-1220, 12-разрядный, 20-MSPS АЦП и CAV-1040 10-разрядный, 40-MSPS АЦП, представленные в 1986 году, установили новые стандарты по динамическому диапазону и быстродействию, в то время как AD1175 22-разрядный интегрирующий АЦП (1987) установил стандарты высокой разрешающей способности.
Часть 1.5: Преобразователи в 1990-е годы
Уолт Кестер
Введение
По сравнению с 1980-ми годами рынок 90-х, влияющий на распространение преобразователей, был более обширный и требовательный. Основными сферами использования являлись управление промышленными технологическими процессами, выполнение измерений, совершенствование инструментов, медицинское оборудование, аудио, видео техника и компьютерная графика. Кроме того, системы связи были самой большой движущей силой на пути создания дешевых, низкомощных, высокопроизводительных преобразователей для модемов, мобильных телефонов и беспроводной инфраструктуры (basestations).
Другими направлениями было акцентирование на низкой мощности и однополярном напряжении, необходимых при переносном батарейном применении. Низковольтовое питание совмещалось с высокоскоростными, низковольтовыми технологиями с сокращенным сигнальным диапазоном при уменьшенных габаритах, однако делало конструкции преобразователей более чувствительными к помехам. В 1990-е годы конструкция корпуса также подверглась изменению. Традиционные DIP были заменены на меньшие по размерам корпуса с поверхностным монтажом, которые подходили для автоматического высокообъемного монтажа. Они включали в себя как конструкции с выводами, так и безвыводные типы, такие как big grid array (BGA) и корпуса с размерами кристалла chip scale package (CSP).
Даже на рынке преобразователей общего назначения существовала потребность в дополнительных аналоговых и цифровых функциональных характеристиках. Например, установка на одном кристалле полной системы сбора данных, включая входной мультиплексор, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения и АЦП. Многие приложения нуждались как в функциях АЦП, так и в функциях ЦАП, что привело к интеграции этих двух элементов на одном кристалле, получившем название кодер-декодер, или CODEC. Специально разработанные оконечные устройства: аналоговое analog front ends (AFEs) и для смешанных сигналов mixed-signal front ends (MxFE™) были добавлены к основным функциям АЦП в CCD процессорах изображений и IF цифровых приемниках.
В семействе TxDAC® , цифровые функции такие как интерполирующие фильтры и цифровые модуляторы были скомбинированы с высокоскоростным, с малой дисторцией CMOS ЦАП ядром. Разработчики преобразователей попытались использовать большие преимущества «ядерных» конструкций для создания нескольких продуктов с различными опциями, например, такими как последовательные или параллельные выходные порты и т.д. TxDAC-серии являются хорошей иллюстрацией этой концепции, где разные разрешающие способности, скорости обновления, внутренняя дискретизация сочетаются с большим количеством отдельных элементов, но все они используют одно и тоже ядро ЦАП.
Из-за увеличения потребности в обработке сигналов на высоких частотах, больший акцент делался на динамическом диапазоне и ас производительности практически всех преобразователей. Было выпущено большое количество монолитных стробирущих АЦП, удовлетворяющих эту потребность. Конвейерная субдиапазонная архитектура виртуально заменяла высокомощные параллельные АЦП 80-х годов и наиболее важными ас характеристиками были SNR, SINAD, ENOB и
SFDR.
В 1990-е годы, CMOS технология стала избранной технологией для преобразователей общего назначения, в то время как BiCMOS осталась для высокопроизводительных устройств. В некоторых случаях, высокоскоростные комплементарные биполярные технологии использовались для ультра высокопроизводительных преобразователей. Технология СMOS является идеальной для Σ-Δ архитектуры, которая стала основной для АЦП и ЦАП, использующихся в голосовых и аудио приложениях, также как и в низкочастотных измеряющих преобразователях с более высоким разрешением.
Значительный сдвиг в технологическом процессе произошел в 90-е годы, когда паразитные параметры стали являться фактором, ограничивающим производительность у высокоскоростных, состоящих только из кристаллов и соединитедьных проводов chip-and-wire, гибридных преобразователей. Новые ИС, с их малыми размерами элементов и уменьшенными паразитными параметрами, позволяли достигать более высоких уровней производительности по сравнению с гибридными chip-and-wire или модульными преобразователями. Мы видим контпример ситуации, существовавшей в 70-80-е годы.
В последующих частях мы изучим основные направления
развития преобразователей в 1990-2000-х годах, используя несколько представителей в качестве примеров. Будет достаточно сложно рассмотреть подробно каждый из продуктов, как это было сделано для 70-80х годов, из-за огромного количества преобразователей, выпущенных в 1990-е годы. Большинство из них рассмотрено в главе 8 данной книги, Применение преобразователей.
Монолитные ЦАП в 1990х
Наиболее значимым направлением развития ЦАП общего назначения в 90-е годы было расширение функциональных возможностей для всех сфер применения, особенно в отношении структуры входа. ЦАП были специально спроектированы для параллельной, последовательной, широкобайтной загрузки и обычно имели входы с двойной буферизацией. Последовательный интерфейс стал популярным для сопряжения с микропроцессорами и ЦСП. Во многих случаях одна и та же схема ядра ЦАП использовалась для реализации различных опций в виде отдельных изделий в подходящих корпусах. Очевидно, что это требовало представления большого количества ЦАП для удовлетворения необходимых задач.
Существовали также и опции, связанные со структурой выхода. Аудио и видео ЦАП использовали токовые выходы, в то время как некоторые ЦАП более общего направления могли иметь выходной ток или выходное напряжение.
Тенденция в направлении умножающих ЦАП проиллюстрирована примером раннего увосьмирённого ЦАП, AD7568, 12-разрядного LC²MOS ЦАП-а, 1991, представленного на рисунке 1.47. Этот ЦАП использовал популярную умножающую архитектуру и обеспечивал выходной ток, т.е. был спроектированный для работы с ОУ, подсоединяемого в качестве I/V преобразователя.
Отметим, что ЦАП имеет двойную буферизацию - входной регистр сдвига принимает последовательные данные и загружает их в соответствующую входную защелку, которая позволяет LDAC одновременно отсылать информацию в восемь параллельных отдельных ЦАП- защелок.
Потребительские аудио СD проигрыватели вызвали появление в конце 1980-х на рынке 16+разрядных ЦАП, обладающих незначительной дисторцией. Первые аудио ЦАПы представляли собой линейные ЦАПы, имеющие увеличенную скорость избыточной дискретизации в 8 или 16 раз по сравнению с базовой скоростью обновления CD (44.1kSPS). Диапазон разрешающей способности соответствовал 16-разрядам для ранних аудио ЦАП и увеличивался до 18-20-разрядов у более поздних версий. Например, AD1865, сдвоенный 18-разрядный стерео ЦАП был представлен в 1991 году и имел увеличение избыточной дискретизации в 16-раз.
К середине 1990-х годов Σ-Δ архитектура стала вытеснять параллельные ЦАП из аудио приложений. Сигма-дельта ЦАП могли предложить более высокие уровни избыточной дискретизации, тем самым снижая требования к выходному фильтру, и предоставляя более высокий динамический диапазон с низкой дисторцией. В 1996 году были созданы следующие первые ЦАП: AD1857, AD1858 и AD1859. Эти ЦАП имели разрешение в пределах от 16 до 20-разрядов, использовали несколько интерфейсов и однополярный источник питания.
Рисунок 1.47 AD7568, увосьмерённый 12-разрядный LC²MOS умножающий ЦАП, 1991
Также в начале 90-х было представлено несколько высокоскоростных ECL ЦАП, созданных на основе биполярной технологии: AD9712 12-разрядный, 100-MSPS ЦАП и AD9720, 10-разрядный, 400-MSPS ЦАП. Большинство видео и связных ЦАП были созданы на основе технологии CMOS и являлись низкомощными, имели незначительную дисторцию и всплески (low-glitch). ADV-серии видео CMOS RAM-ЦАП продолжали свое развитие и в 90-х. В 1996 году появилось семейство 8-, 10-, 12-, 14- и 16-разрядных передающих ЦАП (TxDAC®) предназначенных для системы связи, которое продолжает свое развитие и сегодня (AD976х, AD977х и AD978х-серии).
Система прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesis) на одном кристалле появилась в 90-е годы, в большей степени из-за того, что существовала определенная простота с которой цифровая логика добавлялась к высокопроизводительному ядру CMOS ЦАП. Первым из ЦАП такого вида был AD7008, 10-разрядный, 50-MSPS DDS 1993 года выпуска, (см. рис.1.48). Вскоре после его появления были предложены и другие версии, например, 10-разрядный, 125-MSPS AD9850 (1996). Позже к системе прямого цифрового синтеза добавили возможность фазовой и частотной модуляции, умножители тактовой частоты на кристалле, имеющие большую разрешающую способность и обеспечивающие скорость обновления до 1GHz.
Рисунок 1.48 AD7008, 10-разрядный, 50-MSPS, целиком CMOS DDS, 1993
Цифровой потенциометр, являющийся высокопопулярным компонентом в настоящее время, зародился в 1989 году с выпуском первого в серии AD8800 TrimDAC®. Подстроечные ЦАП (TrimDACs) в основном были 8-разрядными ЦАП с выходным напряжением и были разработаны для замены механических потенциометров. Семейство TrimDAC стало популярным и в 1995 году был представлен первый DigiPOTs®. Основная концепция, стоящая за созданием цифрового потенциометра, было применение CMOS “string DAC” в качестве переменного резистора. AD8402 2-канальный ( 8-разрядный), AD8403 4-канальный (8-разрядный) - были первыми в 1995. С того времени серия была расширена и включала много других изделий с долговременной памятью (AD51хх, AD52хх серии).
На рис. 1.49 обобщены ключевые этапы развития ЦАП в 90-е годы.
• Умножающий ДАК: AD7568, 12-разрядный увосьмирённый, с однополярным +5 В питанием CMOS MDAC, 1991
• Аудио ЦАП
* параллельные с 8х,16х избыточной дискретизацией, начало 1990-х годов
*сигма-дельта, начиная с AD1857, AD1858, AD1859, 1996
• Видео RAM ЦАП –расширение номенклатуры изделий
• Передающие ЦАП (TxDACs) для систем связи, 1996
• Система прямого цифрового синтеза (DDS), AD9008, 1993
• Подстроечные ЦАП (TrimDACs), 1989
• Цифровые потенциометры, 1995
Рисунок 1.49. Краткий обзор: Монолитные ЦАП в 90-е годы.
Монолитные АЦП в 90-е годы.
Во время декады 90-х годов производство монолитных АЦП превалировало над модульными и гибридными преобразователями, по большему счету из-за того, что удалось значительно сократить паразитные влияния в новых ИС технологиях. AD1674 12-разрядный, 100-kSPS стробирующий SAR АЦП, представленный в 1990 году был совместим по выводам с промышленно стандартизированным AD574, созданным за 10 лет до этого. Упрощенная блок-схема AD1674 приведена на рисунке 1.50. Этот преобразователь представлял собой новое направление стробирующих АЦП, разработка которого продолжалась в течении 90-х годов, чему также способствовал возросший интерес к цифровой обработке ас сигналов.
Рисунок 1.50 AD1674, 12-разрядный, 100-kSPS стробирующий SAR АЦП, (совместим по выводам с промышленно стандартизированным AD574), 1990
Прогресс, достигнутый в разработке стробирующих АЦП, проиллюстрирован выпуском AD7880 12-разрядного 66-kSPS АЦП, 1990. Несмотря на то, что AD7880 требовал внешний источник опорного напряжения, он и в наши дни является актуальным из-за своей низкой мощности (25мВт) и +5В однополярным питанием.
Рисунок 1.51 AD7880, 12-разрядный 66-kSPS стробирующий SAR АЦП с одним +5В источником питания, LC²MOS, 1990
В 1992 году был представлен 12-разрядный 1.25 MSPS AD1671 BiCMOS стробирующий АЦП. Основная субдиапазонная конвейерная архитектура, применяемая в AD1671, была основана на предыдущей не стробирующей версии – AD671, 2-MSPS, 1990. Упрощенная блок-схема AD1671 показана на рис. 1.52.
Рисунок 1.52 AD1671, BiCMOS, 12-разрядный 1.25-MSPS стробирующий АЦП, 1992
С выпуском AD872 12-разрядного, 10-MSPS BiCMOS в 1992 году, был сделан значительный прорыв в улучшении скорости и производительности (рис.1.53). АЦП использовал конвейерную архитектуру с коррекцией ошибок.
Рисунок 1.53 AD872, 12-разрядный, 10-MSPS, BiCMOS, стробирующий АЦП, 1992
В 1996 году было выпущено 3 CMOS АЦП с однополярным питанием (+5В) на основе архитектуры, близкой к 12-разрядному AD872: AD9220 (10 MSPS), AD9221 (1MSPS) и AD9223 (3MSPS). Все три изделия использовали одинаковую конструкцию, со шкалой рабочих токов, необходимой трем опциям скорости дискретизации. Рассеивание мощности было следующим: 250 мВт (AD9220),60 мВт (AD9221),100 мВт (AD9223).
Настоящим открытием в 1995 году стало появление IF-стробирующего АЦП с широким динамическим диапазоном:
AD9042, 12 –разрядный, 41 MSPS. Функциональная схема AD9042 приведена на рис.1.54. Этот был первый преобразователь, который смог достичь больше чем 80-dВ SFDR для сигналов с большей частотой, чем 20-MHz полоса пропускания Найквиста. Он был изготовлен на основе высокоскоростной XFCB комплиментарной биполярной технологии от Analog Devices.
Рисунок 1.54 AD9042, 12- разрядный, 41MSPS, XFCB, стробирующий АЦП, 1995
Концепция полной системы сбора данных на одном кристалле осуществилась при появлении в 1993 году AD789x серии LC²MOS SAR АЦП с однополярным (+5В) питанием. Они имели до 8-каналов мультиплексированных входов и скорость дискретизации в пределах 100kSPS-600kSPS. Для предоставления более традиционных промышленно стандартизированных биполярных входов ±10В и ± 5В, серия предлагала тонкопленочные резисторные аттенюаторы / схемы сдвига уровня для сопряжения с входным диапазоном внутреннего SAR АЦП.
Значительное изменение технологии, достигнутое в 1990-е годы, позволило высокомощные 8-,9-,10-разрядные параллельные преобразователи 80-х годов заменить на низкомощные с конвейерной и складывающей (Folding - Из-за формы передаточной характеристики. Примечание редактора) архитектурой Типичным представителем был AD9054, 8-разрядный, 200-MSPS АЦП (1997). В AD9054 использована уникальная архитектура, состоящая из 5 складывающих ступеней с последующим 3-разрядным параллельным каскадом.
CMOS Σ-Δ АЦП стала избранной архитектурой для измерений, голосового канала и аудио АЦП начала 90-х. В 1990 году был выпущен первый GSM преобразователь - AD7001. Сигма-дельта также использовались во многих других голосовых и аудио преобразователях, так же как и в измеряющих АЦП с высоким разрешением. В 1992 году были выпущены 24-разрядные измерительные преобразователи семейства AD771х.
Эти преобразователи включают в себя мультиплексоры и PGA и разработаны для прямого сопряжения со многими датчиками такими как, термопары, мосты, RTD, etc. В 1997 году был выпущен AD7730 - достаточно значимый продукт этого семейства, который позволял оцифровывать сигналы на выходах ячеек с 10-мВ полношкальным напряжением свыше 80000-ми кодами, свободными от помех (16.5 разрядов). Упрощенная блок-схема AD7730 приведена на рис. 1.55.
Рисунок 1.55 AD7730, 24-разрядный Σ-Δ АЦП малых сигналов, 1997.
Другое применение Σ-Δ технологии реализовалось в конце 90-х с выпуском ADE775x серии энерго-измеряющих ИС. Эти АЦП мгновенно измеряют ток и напряжение в силовых линиях и вычисляют потребление мощности, тем самым заменяя механические устройства.
Краткое изложение основных этапов развития монолитных АЦП в 1990-е годы указано на рис. 1.56.
• AD1674, 12-разрядный, 100kSPS, стробирующий АЦП, совместимый с AD574А по выводам, 1990
• AD7880, 12-разрядный, 66kSPS LC²MOS стробирующий АЦП, 1990
• AD7001, CMOS GSM преобразователь группового сигнала, 1990
• AD771х-серия 24-разрядных Σ-Δ измерительных АЦП, 1992
• AD1671, 12-разрядный, 1.25MSPS BiCMOS стробирующий АЦП, 1992
• AD872, 12-разрядный, 10MSPS BiCMOS стробирующий АЦП, 1992
• AD9220/ AD9221/AD9223, 12-разрядные, 10/1/3MSPS CMOS стробирующие АЦП, 1996
• AD9042, 12-разрядный, 41MSPS стробирующий АЦП, 80 dВ SFDR, 1995
• AD7730, 24-разрядный, для мостовых измерений АЦП, 1997
• AD9054, 8-разрядный, 200MSPS стробирующий АЦП, 1997
• ADuC812 MicroConverter® (прецизионные АЦП, ЦАП, 8051-ядро, flash memory, 1999).
Рисунок 1.56. Итог 1990-х. Монолитные АЦП.
Из-за простоты с которой цифровые функции могут добавляться в ЦАП и АЦП, созданных на основе BiCMOS и CMOS технологий, в 1990-х возникло большое количество высоко интегрированных приложений-специфичных интегральных схем, которые продолжают развиваться и сегодня. На рис. 1.57 приведены наиболее важные области применения этих чипов. Большинство из них уже упоминались в этой главе и будут встречаться в остальных главах книги, особенно в главе 8.
В 1999 году фирма Analog Devices выпустила первый прецизионный аналоговый микроконтроллер, ADuC812 MicroConverter®. Микроконвертер включал не только прецизионную схему формирования сигналов (АЦП, ЦАП, мультиплексоры и т.п.), но также и flash память и 8051 микропроцессорное ядро. Последующие микроконтроллеры стали включать в себя Σ-Δ АЦП с более высокой разрешающей способностью (см главу 8 данной книги). Такой уровень интеграции представляет собой оптимальное решение для многих приложений общего назначения с использованием сенсоров и устройств обработки сигналов.
• Кодеры/декодеры голосового канала (вокодеры)
• Аудио кодеры/декодеры
• Компьютерные аудио кодеры/декодеры AC’97 SoundMAX®
• Порты Вход/Выход
• Терминалы смешанных ситналов: модемы, связь, CCD формирователи изображений, дисплеи с плоским экраном
• Передающие и принимающие сигнальные процессоры
• Чипсеты для прямого преобразования (Othello® radio)
• Прямой цифровой синтез
• TxDACs® с интерполяцией, фильтрами, цифровой квадратурной модуляцией и т.д.
• Чипсеты для мобильных телефонов.
• Измерители энергии
• Видео RAM ЦАП
• Видео кодеры/декодеры, кодеки, дискретизаторы сенсорной панели (touchscreen digitizers)
• Элементы микроконвертеров (высокопроизводительные АЦП, ЦАП + 8051µР ядро и flash память)
Гибридные и модульные ЦАП и АЦП в 1990-е годы.
Хотя монолитные преобразователи в значительной мере вытеснили гибриды и модули, состоящие из кристаллов и проводников, в период 1970- 1980-х годов, в начале 90-х на этом направлении было сделано несколько значительных открытий. AD9014 14-разрядный, 10-MSPS модульный АЦП, выпущенный в 1990 году представляет значительный прорыв в сфере динамического диапазона. Этот элемент достигал 90-dВ SFDR в полосе пропускания Найквиста и использовал собственные монолитные строительные блоки, которые позже были применены при проектировании полностью интегрированной конструкции в AD9042, 12-разрядном, 41MSPS АЦП, 1995.
AD1382 и AD1385, гибридные 16-разрядные, 500kSPS, стробирующие АЦП, 1992, представляли уровень того времени, а AD1385 был одним из первых АЦП, применивший автокалибровку для поддержания своей линейности.
Позднее в 90-е годы технология многокристального модуля (МСМ) стала прекрасной альтернативой дорогих модулей и кристально-проводных гибридов. Технологии дешевых корпусов позволяли высокопроизводительным монолитным АЦП, таким как AD9042, размещаться наряду с оконечными схемами. К примеру, AD10242, представленный в 1996 году (сдвоенный 12-разрядный, 41-MSPS AD9042) предлагал привлекательное по цене решение в приложениях требующих высоких характеристик от сдвоенного 12-разрядного АЦП и большей функциональности в их аналоговом front end.
Часть 1.6: Преобразователи в 2000-х
Уолт Кестер
Направления развития преобразователей, начавшиеся в 1990-х и перечисленные на рис. 1.56 и 1.57, продолжали свое совершенствование и в 2000-х годах.
Понизилось рассеивание энергии и напряжение питания. Схемы с питанием равным 5В, 3.3В, 2.5В и 1.8В следовали за уменьшением субмикронных размеров в КМОП: 0.6µm, 0.25µm и 0.18µm. Меньшие корпуса с поверхностным монтажом и chip-scale корпуса появились на замену почти устаревших DIP корпусов 70-80-х годов.
Несмотря на то, что введение высокоинтегрированных функций продолжалось, производители преобразователей осознавали, что «разумное разделение» (“smart partitioning”) может предложить более высокую производительность и более эффективное ценовое решение, чем принятие концепции “система-на-кристалле”. Эта тема более детально раскрыта в главе 4 данной книги : Технологический процесс преобоазователей.
Количество 16-разрядных и 18-разрядных стробирующих АЦП последовательного приближения, выпущенных Analog Devices, достигло 30 моделей, включая последние предложения с высоким разрешением серии Pulsar®. Например, AD7664, 16-разрядный, 570-kSPS АЦП 2000 года; AD7677, 16-разрядный, 1-MSPS АЦП 2001 года; AD7674, 18-разрядный, 800-kSPS АЦП 2003 года и AD7621, 18-разрядный, 3-MSPS АЦП 2003 года.
В 2000-х годах умножающие ЦАП общего назначения начали расширяться до 16-канальных (AD5390, AD5391), 32-канальных (AD5382, AD5383) и 40-канальных (AD5380, AD5381) ЦАП. Высокоскоростные ЦАП достигали скорости обновления равной 1-GSPS, например, у AD9858, 10-разрядного с системой прямого цифрового синтеза.
Возвратимся к IF стробирующим преобразователям, AD6645, 14-разрядный, 80-/105-MSPS АЦП, 2000 года, AD9032 12-разрядный, 210-MSPS АЦП, 2002 года. Оба преобразователя представляют собой достижение в сферах касающихся, скорости дискретизации и динамического диапазона.
Важными представителями многокристальных модулей являются AD10678, 16-разрядный, 65-/80-/105-MSPS АЦП, 2003 года; и AD12400, 12-разрядный, 400-MSPS ЦАП, 2003 года. Оба устройства использовали высоко производительные стробирующие АЦП с ИС в качестве строительных блоков для последующей цифровой обработки. В 2002 и 2003 годах серия ADuC микроконвертеров (MicroConverter® products) стала включать 16- и 24-разрядные однокристалльные Σ-Δ АЦП. Кроме того, была расширена микроконвертерная линия изделий последовательного приближения. Некоторые последующие микроконвертерные изделия 2004 года будут использовать широко популярное АRM-7-микроконтроллерное ядро.
На рис. 1.58 представлено краткое изложение основных этапов развития преобразователей в 2000-х годах.
Можно, конечно, привести массу другой информации, отражающей историю развития преобразователей. Большинство других примеров современных ЦАП и АЦП дается по ходу повествования в других главах данной книги. Заглядывая в будущее, мы можем ожидать множество новых открытий и не только в производительности, но и в уровнях интеграции.
• Продолжают расширяться Analog Front Ends (AFEs) и Multiplexed Front Ends (MxFEs®)
• 16-,18-разрядные стробирующие SAR АЦП с коммутируемыми конденсаторами серии Pulsar®
•AD7674, 18-разрядный 800kSPS АЦП, 2003
•AD7621, 16-разрядный 3MSPS АЦП, 2003
• Умножающие ЦАП: 16-канальный (AD5390, AD5391), 32-канальный (AD5382/AD5383), 40-канальный (AD5380/AD5381)
• IF- стробирующий АЦП
•AD6645 14-разрядный, 105MSPS АЦП, 2000
•AD9032 12-разрядный, 210MSPS АЦП, 2002
• Многокристальные модули (MCMs):
•AD12400, 12-разрядный, 400MSPS АЦП, 2003
•AD10678, 16-разрядный, 65/80/105 MSPS АЦП, 2003
• AD9858 10-разрядный, 1GSPS, с системой прямого цифрового синтеза (DDS), 2003
• 16-/24-разрядные Σ-Δ микроконвертеры, 2002, 2003
• Микроконвертеры на основе ARM-7, 2004
Рисунок 1.58. Этапы развития преобразователей в 2000-х годах.
История преобразователей
Уолт Кестер
Предисловие к главе.
На написание этой главы автора вдохновило исследование истории создания операционных усилителей Уолтом Юнгом в первой главе своей книги: Применение операционных усилителей 1. При раскрытии темы автор ссылается на сотни интересных статей, патентов и т.п. Если рассматривать их все как единое целое, они рисуют картину развития операционных усилителей - начиная с очерка Гарольда Блэка о ранних усилителях с обратной связью и заканчивая современными высокопроизводительными ОУ на ИС.
Мы старались достичь подобного при раскрытии истории создания преобразователей. Рассматривая масштабы этого намерения мы столкнулись с проблемой организации материала. Вместо того, чтобы охватывать весь исторический материал в одной главе, мы часть исторических сведений, относящихся к архитектуре преобразователей, включили в главу 3 (Типы архитектур преобразователей) наряду с описанием отдельных архитектур. Подобно этому, глава 4 (Технологический процесс создания преобразователей) включает большинство значимых событий относящихся к технологическому процессу создания преобразователей. Глава 5 (Тестирование преобразователей) затрагивает основные исторические этапы, касающиеся их тестирования.
При раскрытии сущности каждой главы, нам придется упоминать одни и те же исторические данные несколько раз по ходу повествования, следовательно, читатель должен осознавать, что эти повторы сделаны намерено, и не являются результатом небрежного редактирования.
Раздел 1.1: Ранняя история.
Сейчас трудно определить, когда точно был создан первый преобразователь и какую форму он имел. Самым первым бинарным ЦАП, известным авторам этой книги и официально отраженным в документах, является гидравлический ЦАП, а не электронный. В Турции, во времена господства Оттоманской империи, существовала проблема в сфере общественного водоснабжения. Для измерения при раздаче воды использовались сложные системы. Одна из этих систем показана на рисунке 1.1 и датирована 18 веком. Примером реальной водораздачи, использующей эту измеряющую систему была дамба Махмуда II, построенная в начале 19 века вблизи Стамбула2. Измерительная система использовала резервуар (на схеме помечен как верхняя, головная цистерна), в которой поддерживался постоянный уровень (соответствующий опорному потенциалу) при помощи водослива. По этому водосливу вода сочилась тонкой струйкой (критерием являлся поток, способный сдвинуть соломинку). Этот пример проиллюстрирован на рисунке 1.1А. Выход воды из головной цистерны контролировался затворами двоичновзвешенных отверстий патрубков, погруженных в воду на 96 мм ниже поверхности воды. Слив из отверстий поступал на выход как показано на рисунке 1.1В. Размеры отверстий патрубков соответствовали потоку двоично кратному основной единице 1 lüle (равной 36 л/мин или 52 м³/день). Патрубок, соответствующий восьми lüle назывался “sekizli lüle”, четырем lüle- “ dörtlü lüle ”, ¼ lüle-“kamuş”, одна восьмая lüle называлась “masura”, а одна тридцать вторая lüle - “çuvaldiz”. Более детально измеряющая система на основе двоично-взвешенных патрубков показана на рисунке 1.1С. Функционально эта система представляет собой 8-разрядный ЦАП, с ручным (без сомнения, не цифровым) вводом и «мокрым» выходом, и, вероятно является самым древним ЦАП в мировой истории.
Возможно, существуют и другие примеры ранних преобразователей, но сейчас мы обратим наше внимание на те, что базируются на электронных технологиях.
Рисунок 1.1: Двоично-взвешенная система измерения воды, относящаяся к началу 18 века.
Вероятно, единственной самой значительной движущей силой развития электронных преобразователей на протяжении многих лет была система коммуникаций. Телеграф привел к созданию телефона и формированию Bell System. Распространение телеграфа и телефона и возросшее требование к емкости каналов связи привели к необходимости уплотнения более чем одного канала в одну пару медных проводов. К этому времени временное уплотнение каналов (TDM) достигло определенной популярности, а частотное уплотнение каналов (FDM), основанное на использовании различных несущих частот, получило уже широкое применение.
Импульсно-кодовая модуляция (PCM) стала причиной переключения всеобщего внимания на преобразователи, и с этого момента началось их эволюционное развитие .
Материал для последующих разделов был взят из многих источников, но наиболее известным и значимым является классическая работа К.В Каттермоула: Принципы импульсно-кодовой модуляции,1969 года3. В ней отражен не только исторический материал по ИКМ, но и по истории создания преобразователей. Кроме того, помимо исторического материала, книга содержит прекрасный обучающий материал по теории дискретизации, по типам архитектур преобразователей, и многим другим темам, относящимся к тематике повествования. Приведена обширная библиография, содержащая важные публикации и патенты, определившие основные достижения. Кроме книги Каттермоула, внимание автора привлекла серия книг, опубликованных Белл Системз под одним заголовком: A History of Engineering and Science in the Bell System4-8. Эти книги от Белл Системз являются замечательным источником для получения дополнительного материала, относящегося к сфере коммуникаций.
Ранние годы: от телеграфа до телефона
Согласно Каттелмоулу3, ранние упоминания об электрическом телеграфе относятся к 1753 году, но реальное его развитие началось в период 1825-1875 годов. Были исследованы различные идеи о двоичных и троичных числах, коды с длиной, обратно пропорциональной вероятности появления (Шиллинг,1925), рефлексный двоичный код (Элиша Грей, 1878 - сейчас носит название Код Грея ), цепные коды (Baudot, 1882). С распространением телеграфа, возникла необходимость в увеличении емкости и уплотнении более одного канала в одной паре проводов. Рис. 1.2 показывает типичный телеграфный ключ и некоторые вехи истории телеграфа.
• Предложение использования телеграфа: начало в 1753
• Основные достижения в развитии телеграфа: 1825-1875
• Изобретение различных двоичных кодов
• Эксперименты по уплотнению для увеличения емкости канала
• Изобретение телефона: в 1875 году А.Г. Бэлл, работая над проектом уплотнения телеграфной линии, изобрел телефон (всего на два часа позже Бэлла подал заявку на изобретение телефона другой американец И. Грей. Патент выдали Бэллу. Примечание редактора.)
• Эволюция:
•Телеграф: цифровой
•Телефон: аналоговый
•Частотное уплотнение канала (FDM): аналоговое
•Импульсно-кодовая модуляция (PCM): назад к цифровой
Рисунок 1.2 О телеграфе
Изобретение телефона в 1875 году Александром Грехэмом Бэллом9,10 было, вероятно, самым значительным событием во всей истории системы коммуникаций. Интересно отметить, что Бэлл в действительности экспериментировал с системой уплотнения телеграфных линий (Бэлл называл эту систему тональный телеграф), когда он обнаружил возможность передачи голоса в качестве аналогового сигнала.
На рисунке 1.3 представлена схема из оригинала патента Бэлла, в которой отражены его основные предложения относительно телефона. Вибрации звука, воздействующие на передатчик А заставляют вибрировать мембрану а. Вибрация а вызывает вибрацию якоря с, которая создает ток в проводе е при помощи электромагнита b. Ток в е создает соответствующие колебания магнитного поля в электромагните f, таким образом заставляя вибрировать мембрану приемного устройства i.
Рисунок 1.3 Телефон
Распространение телефона вызвало острую необходимость в увеличении емкости канала путем его уплотнения. Необходимо отметить, что исследования по возможности уплотнения в телеграфных линиях привели к зарождению информационной теории. Теория временного уплотнения (TDM) была предложена в начале 1853 года малоизвестным американским изобретателем М.Б. Фармером, а реализована в 1875 году J.М.Е. Baudot при помощи вращающихся механических коммутаторов, использованных в качестве мультиплексоров.
В 1903 году в патенте Уиларда М.Майнера11 были описаны эксперименты, использующие электромеханические вращающиеся коммутаторы этого типа для уплотнения нескольких аналоговых телефонных разговоров в одной паре проводов, как представлено на рисунке 1.4. Процитируем его патент, в котором он говорит, что каждый канал должен иметь отсчёты:
«…на частоте или периодичности, как приближения к частоте или на средней частоте чистых или более сложных вибраций, которые являются характеристиками голоса или артикуляции речи…, при таких высоких прерываниях как 4320 в секунду, я обнаружил, что при этом темпе весь действительный тембр и индивидуальность могут быть успешно воспроизведены в приемном инструменте. ... я также получил положительные результаты, которые можно рассматривать как коммерческие, при использовании темпа прерываний, схожего с говорением и составляющего 3500 в секунду, практически это темп самой высокой ноты, которая характеризует гласные звуки.»
При использовании более высокой частоты отсчётов Майнер не обнаружил значительного улучшения в качестве передаваемой речи, возможно, это было вызвано ошибками в его достаточно несовершенной системе. После Майнера никто не занимался дальнейшими исследованиями в сфере дискретизации и временного уплотнения. Возможной причиной этого можно назвать отсутствие адекватных электрических компонентов, позволяющих провести практические эксперименты. Сфера частотного уплотнения была достаточно изучена и имела необходимые компоненты.
Рис. 1.4 Мультиплексор и демультиплексор телефонных каналов. Одно из ранних исследований критерия, определяющего темп отсчётов.
Изобретение импульсно-кодовой модуляции (РСМ).
Импульсно-кодовая модуляция впервые была раскрыта в относительно невразумительном патенте, опубликованном Полом М Рейни (Paul M Rainey) из Western Electric в 192112. В патенте описывается метод передачи факсимильной информации в закодированной форме по телеграфной линии с применением 5-разрядной ИКМ. На рисунке 1.5 представлена иллюстрация из патента (для большей ясности автором добавлены пояснения к оригиналу).
Рейни предложил просвечивать сфокусированным лучом света прозрачность материала, который необходимо передать. На другой стороне транспаранта нужно установить фотоэлемент для сбора света, который создаст ток пропорциональный интенсивности света. Ток в свою очередь отклоняет гальванометр, что приводит в движение другой луч света, активирующий один из 32 отдельных фотоэлементов, в зависимости от отклонения гальванометра. Выход с каждого отдельного фотоэлемента замыкает соответствующее реле. Выходы от 5 реле объединены таким образом, что вырабатывают определенный код, присущий местоположению фотоэлемента. Таким образом, цифровой код генерируется из M-hot out of 32, что напоминает современный параллельный flash-преобразователь. Выходной сигнал с этого простого электро-оптико-механичесого параллельного преобразователя передается последовательно с использованием вращающегося элекро-механического коммутатора, называемого распределителем.
Рисунок 1.5 Открытие ИКМ: Пол Рейни, «Факсимильная телеграфная система», Патент США 1,608,527 от 20 июля 1921, опубликован 30 ноября 1926
Данные передаются последовательно, получаются и преобразуются в параллельный формат при помощи второго распределителя и ряда реле. Полученный код определяет комбинацию из реле, которые должны приводиться в действие. Выходы реле подсоединяются к соответствующим контактам резистора, который подключен последовательно с принимающей лампой. Значение тока в принимающей лампе находится в зависимости от полученного кода. Как мы видим, интенсивность тока прямо пропорциональна полученному коду, что является примером цифро-аналогового преобразования. Свет с принимающей лампы фокусируется на фоточувствительной пластине, таким образом исходное изображение воспроизводится, пройдя квантованную форму.
Патент Рейни иллюстрирует несколько важных понятий: квантование с использованием параллельного АЦП, передача последовательных данных, восстановление квантованных данных при помощи ЦАП. Эти идеи являются основополагающими для ИКМ. Однако, его изобретение не вызвало особого интереса в то время и, фактически, было забыто инженерами компании Бэлл Систем. Его патент был обнаружен спустя много лет, когда появились и другие патенты на изобретение ИКМ.
Математическое обоснование ИКМ.
В середине 20х годов 20 века Гарри Найквист изучал телеграфные сигналы. Его целью было определить максимальную частоту сигнала, которая может проходить по каналу с определенной полосой пропускания. Результаты его исследований были обобщены в двух классических трудах, выпущенных в 1924 году13 и в 192814 соответственно.
В своей модели телеграфной системы он определил свой сигнал как:
уравнение 1.1.
В уравнении f (t)-базисная форма импульса, ak- амплитуда k-го импульса, T-время между импульсами. Телеграф постоянного тока подходит под эту модель, при условии, что f(t) - это прямоугольный импульс с продолжительностью T, а ak равняется 0 или1.
Простая модель изображена на рисунке 1.6. Частота сигнала ограничена полосой частот (W) передающего канала.
Рисунок 1.6 Классическая теорема Гарри Найквиста
Его вывод заключался в следующем: Частота импульсов, 1/Т, не может быть увеличена за пределы 2W импульсов в секунду. Другими словами его заключение звучит так: если сигнал дискретизирован мгновенными отсчётами с постоянными интервалами, частота которых по крайней мере в 2 раза превышает самое высокое значение частоты сигнала, то в результате выборка содержит всю информацию об исходном сигнале. Это понятно из рисунка 1.6, где каждый из отфильтрованных прямоугольных сигналов представлен в виде sinx/x характеристики. Временной отклик на импульс типа sinx/x идеального ФНЧ с полосой пропускания W имеет нули в интервалах, равных 1/2W. Следовательно, не будут наблюдаться помехи от соседних импульсов, если выходная волна дискретизирована в точках, указанных на схеме, при условии Т≥ 1/2 W (или более привычно fs≥2W), и амплитуда индивидуальных импульсов может быть однозначно восстановлена.
За исключением обобщающей статьи, написанной Хартли в 1928 году15, до 1948 года не было дополнительных значимых публикаций на тему дискретизации. В 1948 году вышли в свет классические работы, написанные Шенноном, Беннеттом, Оливером16-19, в которых авторы окончательно обосновали теорию ИКМ.
Библиография этих трудов приведена в ссылке рис. 1.7.
Рисунок 1.7 Библиография трудов по математическому базису ИКМ
Патенты Алека Харли Ривза по ИКМ.
До 1937 года частотное уплотнение (FDM), основанное на электронно-вакуумной технологии, широко использовалось в телефонной индустрии при передаче на дальние расстояния. Однако, шум и искажения были ограничивающими факторами, влияющими на дальнейшее расширение возможностей этих систем. Несмотря на то, что в микроволновых радиолиниях полосы пропускания были шире, дополнительный шум и искажения затрудняли их использование для передачи частотно-уплотненных сигналов.
В начале своей карьеры, в 1920-х, Алек Харли Ривз изучал технологию аналогово-временного преобразования, основанного на использовании времяимпульсной модуляции (PTM). Фактически он был первым, кто начал использовать счётчики для точного определения временной развертки, используя бистабильные мультивибраторы, изобретенные за несколько лет до этого Экклесом и Джорданом. Во время импульсной модуляции, амплитудой импульса является постоянная величина, а аналоговая информация содержится в определенном положении импульсов во времени. Эта технология имела более высокую помехоустойчивость, чем строго аналоговая передача.
Ривз был близок к изобретению системы, которая произвела бы революционные изменения в системе коммуникации, но тогда он не пошел дальше от достигнутого им в этой области.
Существовала необходимость в системе, имеющей шумоустойчивую характеристику подобно той, что существовала в телеграфе. Поэтому в 1937 году Ривз, работая в Парижской лаборатории Международной Телефонно-Телеграфной корпорации, переосмыслил импульсно-кодовую модуляцию. Самый первый патент по ИКМ был получен Ривзом в Париже. Но сразу же после этого последовали подобные патенты в Англии и США, в которых упоминался Ривз как изобретатель20. Эти патенты всесторонне раскрывали тему: (1) основные принципы квантования и кодировки, (2) выбор разрешения, соответствующего шуму и полосе пропускания передающего канала, (3) передача сигналов в цифровой форме последовательно, параллельно и как модуляция несущих, (4) базовая конструкция на основе счётчиков, необходимых для 5-разрядных ЦАП и АЦП. Отличие этого патента Ривза от его предыдущего патенте (1926) состоит в том, что он использовал в своих разработках все преимущества существующей электронно-вакуумной технологии ЦАП и АЦП. Эти изобретения Ривза заслуживают более детально рассмотрения, так как они являются первыми документально зафиксированными электронными преобразователями. Его техника АЦП (рисунок 1.8) использует дискретные импульсы для выборки отсчётов из аналогового сигнала, установку R/S триггера и одновременный старт контролируемое пилообразное напряжение. Пилообразное напряжение сравнивается с входным сигналом, и в момент их совпадения вырабатывается сигнал, который сбрасывает R/S тригер. Выходной сигнал с триггера является импульсом, ширина которого прямо пропорциональна аналоговому сигналу в момент отсчёта. Этот импульс с импульсно-широтной модуляцией управляет стробируюемым генератором.Число выходных импульсов со стробируюемого генератора представляет собой квантованное значение аналогового сигнала. Эту последовательность импульсов можно легко преобразовать в бинарное слово путем активации счетчика. В системе Ривза использовался задающий генератор с частотой 600 кГц и 100:1 делитель, вырабатывающий 6-кГц импульсы отсчётов. Система использует 5-разрядный счетчик на 31 отсчёт (из 100 импульсов, приходящихся на каждый импульс отсчётов), таким образом представляя сигнал полной шкалы.
Рисунок 1.8 5-разрядный АЦП Ривса с последовательным счётом.
ЦАП использует подобный счетчик и источник тактовых импульсов как представлено на рисунке 1.9. Полученный бинарный код сначала загружается в счетчик и R/S триггер устанавливается в «1». Затем счетчик начинает считать от низшего к высшему, используя тактовые импульсы. Когда счетчик переполняется и достигает 00000, источник тактовых импульсов отсоединяется, поскольку R/S триггер обнуляется. Число импульсов, посчитанных кодирующим счетчиком представляет собой дополнение входящего слова. Выходным сигналом с триггера является ШИМ сигнал, чье аналоговое значение представляет собой дополнение входного бинарного слова. Ривз использовал простой ФНЧ для получения аналогового сигнала от ШИМ выхода. Фазовая инверсия в ЦАП с легкостью корректируется или в логике или в усилителе, расположенных далее.
Рисунок 1.9 5-разрядный ЦАП Ривса с последовательным счётом.
Патенты Ривза раскрывают все основные составляющие ИКМ: отсчёты, квантование, кодирование дискретных отсчётов для последовательной, параллельной, фазо-модулированной и других методов передачи. Для восстановления исходного аналогового сигнала Ривз предложил декодер на принимающем конце. Интересно отметить, что, несмотря на значимость своей работы, после опубликования патентов, Ривз направил свое внимание на передачу речи в коротковолновом диапазоне с использованием импульсно-амплитудной, широтно-импульсной, импульсно-позиционной модуляций, вместо того, чтобы более глубоко изучить возможности ИКМ.
ИКМ и Bell System: вторая мировая война, и до 1948 года.
По договору о взаимном лицензировании с Международной Телефонной и Телеграфной корпорацией инженеры телефонной лаборатории Бэлла пересмотрели исследования Ривза в отношении описания цепей и начали свои разработки в сфере ИКМ технологии. Начав свои исследования в 1940 году и продолжая их в течении второй мировой войны, главным образом посвящали их секретной передаче речи, что сделало изучение ИКМ обязательным.
В 1940 году разработчики лаборатории Бэлла начали работу по исследованию системы секретности речи получившее название “Project-X”, более детальное описание указано в6 (стр.296-317). В этих исследованиях используется сложная техника, основанная на электронно-вакуумной технологии. При этом использовался разработанный ранее «вокодер», технология ИКМ, и уникальная техника скремблирования данных (защита от несанкционированного доступа, прим. ред.), использующая грамзапись с содержанием электронного кодового «ключа» к кодам. Система была спроектирована в Бэлл и запущена в производство компанией Вестерн Электрик в конце 1942 года. К апрелю 1943 года несколько терминалов было закончено и установлено в Вашингтоне, Лондоне и Северной Африке. Вскоре после этого дополнительные терминалы были установлены в Париже, на Гавайях, в Австралии и на Филиппинах.
К концу войны несколько групп инженеров в Бэлл занимались изучением ИКМ; однако, большинство из разработок военного времени не были опубликованы и долгое время в период послевоенного времени, т к они имели гриф секретности. Труды Х.С.Блэка, Д.О.Эдсона и В.М.Гуддалла были изданы в 1947-194821-23. Они акцентировали свое внимание на системе шифровки речи, основанной на технике ИКМ. В результате их исследований родилось большое количество важных открытий. Система ИКМ , которая оцифровывает полную ширину голосового спектра в 5-разрядной системе, со скоростью дискретизации 8kSPS (8 тысяч отсчётов в секунду), используя при этом АЦП последовательного приближения ( которые были описаны Эдсоном и Блэком21,22).
Опытная система ИКМ В.М.Гудалла, основана на схожей технике и описана в его классическом труде. Среди наиболее важных разработок, явившихся результатом этой работы стали: ЦАП последовательного приближения, кодирующая электронная трубка, декодер Шэннона-Рэка, логарифмический отсчёт уровней квантования (компандинг) и практическое доказательство возможности использования ИКМ. Результаты исследований были обобщены в 1948 году в статье, написанной Л.А.Мичамом и Е.Петерсоном, где описывалась опытная система использования 24-канальной ИКМ24. В ссылке рис. 1.10 обобщены результаты исследований ИКМ, проведенные лабораторией Белл в 1948 году.
• Секретная система шифровки голоса с использованием ИКМ -“Project-X”, 1940-1943
• 5-разрядный, АЦП последовательного приближения с частотой дискретизации 8 kSPS
• логарифмическое квантование речи (компандирование)
• кодирующая электронная трубка, 7-разрядная, с частотой дисктретизации 100 kSPS
• декодер «Шеннона-Рэка» (ЦАП)
• удачная демонстрация опытных терминалов ИКМ
• теоретические положения ИКМ, расширенные и опубликованные Шенноном
• изобретение германиевого транзистора в 1947 году
Рисунок1.10: Исследования лаборатории Белл в сфере ИКМ, проведенные в период второй мировой войны (и до 1948 года).
Важным достижением в области АЦП технологии в этот период стало изобретение кодирующей электронной трубки. Трубка, описанная Р.В.Сирзом в его работе25, дискретизировала со скоростью 96 kSPS, с разрешением в 7-бит. Концепции электронно-лучевого кодера для 4-разрядного устройства отражены на рисунке 1.11. Предшествующие аналоги использовали последовательный режим (рис. 1.11А). Аналоговый сигнал сначала проходил через устройство выборки- хранения и во время интервала «хранения» луч разворачивался в трубке горизонтально. При этом У- отклонение соответствует значению аналогового сигнала от устройства выборки-хранения. Теневая маска закодирована для получения соответствующего бинарного кода, зависящего от вертикального отклонения. Код регистрируется коллектором, и биты вырабатываются в последовательном формате. Позже в трубках начали использовать ленточный луч (см рис. 1.11В), создав первый электронный flash преобразователь, выдающий параллельно выходное слово.
Рисунок 1.11 Кодирующая электронная трубка
Ранние электронно-вакуумные кодеры использовали бинарно-кодирующую теневую маску. Существовали большие погрешности если луч распространялся на 2 соседних кода и освещал оба из них. Иллюстрация этого явления приведена на рис 1.12А. Горизонтальная линия представляет развертку луча в точке перехода (перехода между кодом 0111 и кодом 1000). Например, ошибка в самом старшем значащем разряде (MSB) состовит ½ шкалы. Подобные ошибки были минимизированы путем установки горизонтальных чувствительных проволочек по ширине границ каждого уровня квантования. Если луч первоначально падает на одну из проволок, небольшое напряжение добавляется к напряжению вертикального отклонения, которое сдвигает луч от переходной зоны.
Рисунок 1.12 Теневая маска кодирующей электронной трубки для двоичного кода и кода Грея
Ошибки бинарных теневых масок были устранены путем использования теневой маски с кодом Грея, пример которой приведен на рисунке 1.12В. Настоящее его название звучит как «рефлексный бинарный код»; он был изобретен в 1878 Элишем Греем и впоследствии пересмотрен Фрэнком Греем в 1949 году26. Достоинство кода Грея состоит в том, что соседние уровни отличаются друг от друга на одну цифру в соответствующем слове, кодируемом с помощью кода Грея. Следовательно, если есть ошибка в определении разряда для определенного уровня, то соответствующая ошибка после преобразования в бинарный код будет всегда соответствовать младшему значащему биту (LSB). В случае попадания луча в середину шкалы, меняется старший значимый бит, но ощибка только 1 LSB . Интересно отметить, что подобный феномен может происходить в современных Flash преобразователях, использующих компараторы, вследствие метастабильности компаратора. При небольшом перевозбуждении существует определенная вероятность того, что компаратор будет вырабатывать неверное решение на своем выходе с защелкой , создавая тот же самый эффект при использовании техники прямого бинарного кодирования. Во многих случаях код Грея или коды «псевдо Грея» используются для декодировки выходных данных компартора перед окончательным преобразованием в бинарно-кодовый выходной сигнал (смотрите главу 3 с более детальным описанием архитектурных конструкций).
Несмотря на множество механических и электрических проблем, относящихся к центрированию луча, технология кодирования на электронной трубке достигла своего пика в середине 1960-х годов с использованием экспериментального 9-разрядного кодера со скоростью дискретизации равной 12 MSPS27. Только открытие в области технологий полупроводниковых АЦП сделало существование преобразователей, основанных на технологии электронной трубки ненужным.
ОУ и регенеративные импульсные ретрансляторы: от электронно-вакуумных до полупроводниковых устройств
За исключением ранних относительно малоэффективных электромеханических усилителей5, развитие электронных усилителей началось с изобретения электронно-вакуумной технологии Ли де Форестом в 1906 году28,29. Иллюстрация из патента де Фореста приведена на рис 1.13.
Рисунок 1.13 Изобретение электронно-вакуумной лампы
К 1914 году электронно-вакуумные усилители были внедрены на телефонном заводе. Развитие усилителей всегда было особенно важным для разработки преобразователей данных, начиная с этих ранних электронно-вакуумных схем. Ключевым этапом развития этой технологии было изобретение усилителя с обратной связью Гарольдом С.Блэком в 192730,31,32. На протяжении второй мировой войны продолжалась работа по исследованию цепей усилителей; много важных разработок было сделано инженерами лаборатории Бэлл (более полная история исследований ОУ дана в1). На рисунке 1.14 дается схема усилителя с обратной связью, взятая из поздней статьи Блэка.
Рисунок 1.14 Усилитель с обратной связью Гарольда Блэка, 1927
Изобретение германиевого транзистора в 1947 году33,34,35 явилось толчком для развития как ИКМ, так и других электронных систем. Для практического использования ИКМ необходимо было установить восстанавливающие ретрансляторы периодично на линиях передачи. До изобретения транзистора, удачно спроектированные вакуумные ретрансляторы несколько лет применялись в телеграфе и телефонной связи, но испытывали серьезные проблемы, касающиеся их надежности. Однако, полупроводниковые восстанавливающие ретрансляторы, разработанные Л.Р.Рэтхоллом в 1956, привели фазу исследования ИКМ к впечатляющему заключению36. Этот ретранслятор демонстрировался на опытной кабельной системе с использованием ретрансляционного интервала в 2.3 мили с кабелем 19 калибра, а также на 0.56 мили с кабелем 32 калибра. Схематический чертеж ретранслятора представлен на рис. 1.15.
В ретрансляторе Рэтхолла использовался германиевый транзистор, разработанный в Бэлл и внедренный Вестерн Элекрик. Кремниевый транзистор был изобретен в 1954 Гордоном Тилом из Техас Инструментз. Он получил широкое коммерческое применение, вызванное увеличенным температурным диапазоном эксплуатации и надежностью. В конечном итоге, изобретение интегральых схем в 195837,38 и последующего планарного процесса в 195939 установило новую эпоху дальнейшего развития ИКМ. Эти базовые полупроводниковые исследования обобщены в ссылке рис. 1.16 и описаны более детально в главе 4 данной книги.
Рисунок 1.15 Твердотельный ИКМ ретранслятор Л.Р.Рэтхолла, 1956
• изобретение в 1947 году германиевого транзистора инженерами лаборатории Белл: Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Вильям Шокли
• кремниевый транзистор: Гордон Тил, Тексэс Инструментс, 1954
• Рождение интегральной схемы:
• Джек Килби, Тексэс Инструментс, 1958 (использовал соединяющие провода для связи компонентов в ИС)
•Роберт Нойс , Фэирчайлд Семикондактор, 1959 (использовал металлизацию для межсоединений).
Рисунок 1.16 Ключевые достижения в развитии твердотельной технологии
C изобретением ретранслятора Рэтхолла в 1956 году, стало очевидным, что ИКМ может эффективно использоваться для увеличения количества голосовых каналов на существующих медных кабельных парах. Это было особенно заманчиво для крупных городов, где многие передающие каналы были полностью заполнены. Многие из этих пар были оборудованы согласующими катушками на расстоянии 1.8 км друг от друга для улучшения чувствительности в голосовой полосе. Возникало естественное желание заменить согласующие катушки полупроводниковыми ретрансляторами и увеличить таким образом емкость с 1 до 24 каналов, используя ИКМ.
По этой причине в лаборатории Белл было принято решение разработать высокочастотную систему связи, основанную на ИКМ. Прототип 24-канальной системы был спроектирован и проверен в 1958 и 1959 на линии между Саммитом и Нью Джерси и Саут Ориндж и Нью Джерси. Эта система, названная высокочастотной системой связи Т-1, передавала 24 голосовых канала и использовала 1.544-МГц последовательность импульсов в биполярном коде. Система использовала 7-разрядное логарифмическое кодирование с 26 dВ компандированием и позже начала использовать 8-разрядное кодирование. Полупроводниковые ретрансляторы были расположены на интервалах 1.8 км, в соответствии с расположением существующих согласующих катушек. Первая линия Т-1 была пущена в работу в 1962 году, а к 1984 году в США существовало более 200 миллионов км линий связи Т-1.
Часть 1.2: Преобразователи 1950-х и 1960-х.
Уолт Кестер
Коммерческие преобразователи: 1950-е годы.
До середины 1950-х годов , преобразователи были уже основательно развиты и использовались в специализированных сферах применения, например, таких как ИКМ лаборатории Белл и система шифрования сообщений, использовавшаяся в период второй мировой войны. Из-за применения технологии вакуумных трубок, преобразователи были очень дорогими, громоздкими и имели высокое энергопотребление. Практически они не могли иметь коммерческого использования.
Цифровой компьютер был важной движущей силой коммерческого развития АЦП. Проект по созданию компьютера ENIAC начался в 1942 году и был представлен широкой публике в феврале 1946 года. Проект ENIAC привел к созданию первого коммерческого цифрового компьютера UNIVAC, разработанного Eckert and Mauchly. Первый UNIVAC был доставлен в United States Census Burea в июне 1951.
Применение в военной сфере, например, такое как вычисление баллистической траектории, стимулировало создание цифрового компьютера. Но время шло и интерес к цифровым вычислениям возрастал, так как их можно было применить и в других областях: анализ данных, промышленные процессы управления, а отсюда возросла необходимость в использовании преобразователей. В 1953 году Бернард М Гордон, пионер в области преобразования данных, основал компанию под названием Epsco Инжениеринг в Конкорде МА, где он сам проживал. Гордон раньше работал над созданием компьютера UNIVAC и осознал необходимость создания коммерческих преобразователей. В 1954 году Эпско представил 11-разрядный АЦП на основе вакуумной трубки, со скоростью дискретизации 50-kSPS. Этот преобразователь считается первым коммерческим устройством данного типа.
Преобразователь «Datrac», выпущенный Эпско потреблял 500 Ватт, был спроектирован для стоечного монтажа (19″х15″х26″), и был продан за сумму 8000 - 9000 долларов1. Фотография этого устройства приведена на рисунке 1.17. Datrac, был первым коммерчески доступным АЦП, использовавшим сдвигово-программируемую архитектуру последовательного приближения. Гордон получил патент на логику, необходимую для выполнения алгоритма преобразования2. Из-за того, что в нем имелась функция выборки-хранения, Datrac от Эпско был первым коммерческим АЦП, подходящим для оцифровки сигналов переменного тока, таких как речь.
В этот же период, несколько других компаний производили низкоскоростные АЦП, подходящие для применения при цифровых замерах вольтметром. Также существовали оптические преобразователи, основанные на кодирующих дисках, для измерения дуговой координаты вала в авиационных приложениях1. С середины 1950 до конца 50-х в преобразователях использовались комбинации вакуумных трубок, полупроводниковых диодов и транзисторов для осуществления процесса преобразования. Следующие компании занимались разработкой преобразователей: Эпско, Нон-Линеар Системз, J B Rea, Adage. Для более
глубокого рассмотрения истории развития преобразователей в 1950-х вы можете обратиться к трудам указанным в1,3-6.
Рисунок 1.17 11-разрядный 50-kSPS АЦП на электронной вакуумной трубке DATRAC, 1954.
История развития преобразователей: 1960-e
С середины 1950-х до начала 1960-х, вакуумные трубки заменялись на транзисторы при проектировании электронных схем, тем самым открывая все новые возможности для создании электроники на основе технологии преобразования данных. Как было указано выше, кремниевый транзистор вызвал интерес к полупроводниковым разработкам. Постоянно возрастал интерес к устройствам преобразования данных. Об этом можно судить на основании двух обзорных статей, опубликованных в 1964 и 1967 годах5,6. Так как эти товары были в основном неизвестны новым клиентам, были предприняты усилия для определения технических характеристик и необходимых условий для их проверки7-16. Универсальный компьютер IBM-360 и компактные полупроводниковые компьютеры (такие как серия DEC PDP, запущенные в 1963 году) усилили интерес к приложениям анализа данных. Другими стимулами развития преобразователей в 1960-х стали: промышленный процесс управления, измерения, ИКМ, военные системы.
В 1960-х в Бэлл Лаб. продолжались разработки по проектированию высокоскоростных преобразователей (9-разрядный, со скоростью дискретизации 5 MSPS) для ИКМ применения17; военный отдел Бэлл Лаб. начал работу над созданием «железа» и программного обеспечения для системы антибаллистической ракеты (anti-ballistic missile, ABM)
В 1958 году армия США начала разработку системы противобаллистической ракеты Найк-Зевс (Nike-Zeus), за проектирование «электронного железа» отвечала Бэлл Лаб. Эта программа в 1963 году была заменена на Найк-Х. Это была первая программа, предложившая цифровой управляемый фазированный радар для отслеживания тактических и стратегических ракет. Цель этой системы заключалась в перехвате и уничтожении приближающихся к США советских ядерных ракет и защите населения страны.
В 1967 году президент Линдон Джонсон и министр обороны Роберт Мак Намара пересмотрели ABM программу и заменили название на Сентинэл (часовой). В основном эта система использовала то же «железо», что и Найк-Х, но определение цели с Советского Союза изменилось на Китай, где была продемонстрирована ядерная мощь. Эта программа спровоцировала большую волну всеобщего протеста, когда стало ясно, что размещение ядерных ракет-перехватчиков будет сосредоточено рядом с городами, которые они и собираются защищать.
Ричард Никсон стал президентом в 1969, и из-за политических причин ему пришлось снова изменить цель и название АBM программы, но система продолжала использовать то же «железо». Программа стала называться Сэйфгард (Safegard) и ее целью стало защитить Minuteman ICBM поля, базу стратегического авиационного командования, Вашингтон. Систему, включающую тактические и стратегические ракеты, планировалось разместить в 12 пунктах.
Программа Сейфгард была вовлечена в советско-американские переговоры об ограничении стратегических вооружений, и значительно сократилась. В конечном счете только один пункт базирования был построен в Гранд Форкс, Северная Дакота, а 1 октября 1975 года он стал рабочим. 2 октября, 1975 года палата представителей проголосовала за отмену программы Сейфгард.
Ключевым элементом систем Найк-Х/Сентинэл/Сейфгард было использование цифровых технологий для управления фазированным радаром, для выполнения команд и для управления другими заданиями. При этом использовалась резисторно-транзисторная логика (RTL), вмонтированная в гибридный корпус. Для системы было важно использовать высокоскоростные АЦП, необходимые для приемного устройства фазированного радара. Ранние прототипы для необходимого 8-разрядного 10-MSPS АЦП были разработаны инженерами Бэлл Лаб. Джоном М Eubanks и Робертом К Бедингфильдом в период между 1963 и 1965. В 1966 эти два пионера высокоскоростного преобразования ушли из Бэлл Лаб. и основали Компьютер Лаб. в Greensboro, NC, и выпустили коммерческую версию этого АЦП.
8-разрядный, 10-MSPS преобразователь был закреплен в стойке, содержал свое собственное линейное питание, потреблял 150 Ватт, и продавался за 10 000 долларов (см. рис. 1.18).Такая же технология использовалась для изготовления версий 9-разрядного с 5-MSPS и 10-разрядного с 3-MSPS. Хотя в следующих поколениях разработок Компьютер Лаб. будет использовать преимущественно модульные ОУ ( Computer Labs OA-125 and FS-125), и ИС, такие как Fairchild μA710/711компараторы, а также 7400 TTL(транзисторно-транзисторную логику), в первых АЦП использовались в основном дискретные компоненты.
Ранние высокоскоростные АЦП, произведенные Компьютер Лаб. в основном использовались для исследований и разработок проектов, связанных с радиолокационным приемником. Следующие компании занимались такими разработками: Raytheon, Джэнерал Электрик, MIT Линкольн Лаб.
В середине 1960-х пионерами в разработке низкоскоростных, на PC- печатных платах и модульных, АЦП были такие компании как: Аналоджик (основанная Бернардом М Горданом), Пасториза Электроникс (основанная Джеймсом Пасториза). В числе других компаний, занимающихся преобразователями были: Adage, Бэрр Браун, Дженерал Инструмент Корп, Радиэйшн Инкорп, Рэдкор Корпорейшн, Бэкман Инструментс, Ривз Инструментс, Тексэс Инструментс, Raytheon Computer, Престон Сайентифик и Зелтекс Инкорп. Большинство преобразователей 1960-х годов имели формат цифровых вольтметров, использовали интегрирующую архитектуру, хотя Аdage представила в начале 60-х 8-разрядный 1-MSPS стробируемый АЦП, Voldicon VF75
Рисунок 1.18 HS-810, 8-разрядный 10-MSPS АЦП Компьютер Лаб. Инкорп., 1966.
В дополнение к широкому распространению схем на дискретных транзисторах, в 1960-е годы стали доступными различные блоки с интегральными схемами, что привело к уменьшению размеров и энергопотребления преобразователей. В 1964 и 1965 Fairchild представила 2 известных ИС- проекта Боба Вайдлара: ОУ µА709 и компаратор µА710/ µА711. Вскоре за ними последовала серия линейных ИС, выпущенных Fairchild и другими производителями. Этот период также ознаменовался появлением 7400-серии с транзисторно-транзисторной логикой (TTL), высокоскоростной эмиттерно-связанной логикой (ECL) и также 4000-серии с логикой CMOS, разработанной RCA в 1968. Кроме того, появились также диоды Шотки, опорные диоды Зенера, полевые транзисторы, подходящие для переключателей, согласованные пары JFETs – все это представляло своего рода строительный материал, необходимый для разработки преобразователей данных.
В 1965 году Рэй Стата и Матт Лорбер основали Analog Devices Inc (ADI) в Кембридже, МА. Первыми продуктами производства стали высокопроизводительные модульные операционные усилители, но в 1969 году ADI приобрела Pastoriza Electronics, лидера в производстве преобразователей, таким образом заложила солидную базу для производства как устройств сбора данных так и линейных устройств.
Pastoriza имела достижения в производстве устройств сбора данных. На рис 1.19 показана фотография 12-разрядного 10µs АЦП общего назначения последовательного приближения выпуска 1969 года, ADC-12U, был продан за 800 долларов. В нём использовалась архитектура последовательного приближения, компаратор µА710, модульный 12-разрядный “Minidac” и 14 корпусов логики 7400-серии, необходимые для осуществления алгоритма преобразования последовательного приближения.
Рисунок 1.19 АЦП-12U, 12-разрядный 10 мкс., последовательных приближений, разработанный отделением Pastoriza ф. Analog Devices
Модуль “Minidac” был построен на основе ИС “quad switch” (четырехпозиционный ключ, подключающий к выходной цепи комбинацию из четырёх токов с значениями, кратными 2п, п = 0,1,2,3. Примечание редактора) (AD550) и тонкопленочной резистивной матрицы (AD850), как показано на рис.1.20. На рис 1.21 детально изображен знаменитый quad switch, запатентованный Джеймсом Пасториза18. Глава 3 данной книги содержит более детальное описание quad switch и других архитектур ЦАП.
Следует отметить, что в ADC-12U для реализации алгоритма последовательного приближения были необходимы 14 корпусов логики. В 1958 году Бернард М. Гордон запатентовал логику реализации алгоритма последовательного приближения19. Вначале 1970-х Advanced Micro Devices и National Semiconductor представили коммерческие ИС, использующие регисторную логику последовательного приближения: 2502 (8-разрядный, последовательный, не расширяемый), 2503 (8-разрядный, расширяемый) и 2504 (12-разрядный, последовательный, расширяемый). Они были специально разработаны для выполнения регистровых функций и функций управления для АЦП последовательного приближения. Они стали стандартными строительными элементами многих модульных и гибридных преобразователей. В действительности акроним SAR расшифровывается как регистр последовательного приближения (successive approximation register), и отсюда появляется сочетание SAR ADC-АЦП последовательного приближения. Ранее, преобразователи, использовавшие архитектуру последовательного приближения, назывались последовательные кодеры (sequential coders) feedback coders (кодеры с обратной связью), feedback subtractor coders (вычитающие кодеры с обратной связью).
Рисунок 1.20 12-разрядный “MiniDAC”, использующий четырёхпозиционный переключатель токов, тонкоплёночную резистивную схему, источник опорного напряжения и операционный усилитель, 1969.
Рис. 1.21 ЦАП “quad switch” с внешней тонкоплёночной резистивной схемой.
Архитектуры преобразователей.
История развития различных архитектур преобразователей содержится в главе 3 данной книги, здесь мы обобщим главные достижения.
Основной алгоритм процесса преобразования с использованием АЦП последовательного приближения (ранее называвшийся - вычитание с обратной связью) уходит корнями в 1500-е годы к определенным математическим головоломкам относительно определения неизвестного веса путем минимального числа последовательных взвешиваний20. Цель данной проблемы заключалась в определении наименьшего числа взвешиваний, которое будет необходимо для взвешивания на весах целого числа фунтов от 1 lb до 40 lb. Одно решение было найдено математиком Тартагдлия (Tartaglia) в 1556 году, который предложил использовать серию взвешиваний с 1 lb, 2 lb, 4 lb, 8 lb, 16 lb, 32 lb. Этот алгоритм взвешивания аналогичен современному алгоритму последовательного приближения для АЦП. Необходимо уточнить, что это решение позволяет измерить неизвестный вес до 63 lb, а не 40 lb, как предполагалось изобретателем. Данный алгоритм изображен на рис. 1.22, где неизвестный вес составляет 45 lbs. Для демонстрации алгоритма используется аналог чашечных весов. Электронная реализация АЦП последовательного приближения показана на рис. 1.23.
Рисунок 1.22 Алгоритм последовательных приближений АЦП, подобный двоичному взвешиванию.
Рисунок 1.23 Базисная схема АЦП последовательного приближения (вычитающий АЦП с обратной связью).
Интересно отметить, что все фундаментальные архитектуры АЦП, использующиеся в настоящий момент были открыты и опубликованы к середине 1960-х. На рис. 1.24 представлены временные этапы развития АЦП последовательного приближения. На рис. 1.25 указаны этапы развития архитектур высокоскоростных АЦП и на рис. 1.26- подсчитывающий и интегрирующий АЦП. Даже архитектура Σ-Δ АЦП была изучена к этому периоду, этапы развития представлены на рис. 1.27. Более детальная информация по каждой архитектуре и этапы развития рассматриваются в главе 3.
• Алгоритм регистрового последовательного приближения (SAR) берет свое начало в 1500-х
• Ранние АЦП ПП в основном использовали переключаемые источники опорного напряжения, а не внутренние ЦАП (Шеллинг: 1946, Гудолл: 1947)
• Ииспользование внутренних ЦАП вместо переключаемых источников опорного напряжения для реализации процесса преобразования (Кайзер: 1953, Б.Д.Смит: 1953)
• Использование неравномерно взвешенных ЦАП для реализации передаточной функции компандирования (Б.Д.Смит: 1953)
• Первый коммерческий вакуумно-электронный 11-разрядный 50kSPS АЦП ПП (Бернард М. Гордон-Эпско: 1954)
• Разработка специальной логической функции для реализации алгоритма последовательного приближения (Гордон: 1958). Появление популярных логических ИС ПП: 2503, 2504 –произведенных National Semiconductor и Advanced Micro Devices в начале 1970-х
Рисунок 1.24 Обобщение этапов развития АЦП ПП (SAR)
• Счётные АЦП Ривза 1939
• Последовательное приближение 1946
• Flash (электровакуумные кодеры) 1948
• Bit-per-stage (двоичный и Грея) 1956
• Subranging (субдиапазонные) 1956
• Subranging с коррекцией ошибки 1964
• Pipeline (конвеерные) с коррекцией ошибки 1966
Даты относятся к времени первых публикаций или выдачи патентов.
Рисунок 1.25 Этапы становления архитектуры высокоскоростных АЦП
• Счётные АЦП Ривза 1939
• Charge run-down (со сбросом заряда) 1946
• Ramp run-up 1951
• Tracking (следящие) 1950
• Преобразователь напряжение - частота 1952
• Dual slope (с двойным наклоном) 1957
• Triple slope (с тройным наклоном) 1967
• Quad slope (с четверным наклоном) 1973
Даты относятся к времени первых публикаций или выдачи патентов.
Рисунок 1.26 Этапы становления архитектуры счётных и интегрирующих АЦП.
• Дельта модуляция 1950
• Дифференциальная ИКМ 1950
• Одно и многоразрядные отсчёты с избыточной частотой с форматированием шума 1954
• Первое упоминание о Δ-Σ «дельта-сигма» 1962
• Введение децимации и цифрового фильтра в АЦП, удовлетворяющего критерию Найквиста 1969
• Полосовая сигма-дельта 1988
Даты относятся к времени первых публикаций или выдачи патентов.
Рисунок 1.27 Этапы становления архитектуры сигма-дельта АЦП.
К концу 1960-х, уже существовали основные архитектуры и строительные блоки для модульных и гибридных преобразователей, и большая часть работы на пути к созданию монолитного преобразователя, появившегося в начале 1970-х, была проделана.
Часть 1.3: Развитие преобразователей в 1970-е.
В 1970 началось одно из наиболее значимых десятилетий в истории преобразователей. Движущей силой рынка АЦП/ЦАП был ряд сфер их применения, например, таких как: цифровые вольтметры с высокой разрешающей способностью, процесс управления промышленным производством, военные фазированные радары, медицинское оборудование, индикаторы с векторной разверткой, индикаторы с растровой разверткой. Большинство из этих систем раньше использовали обычную аналоговуютехнику обработки сигналов, но возросшая доступность дешевых вычислительных технологий вызвала желание использовать преимущество улучшенной производительности и гибкости, предлагаемое цифровой обработкой сигналов и их анализа - и конечно, с применением совместимых преобразователей.
В результате большое количество компаний начали заниматься разработкой преобразователей данных, к их числу можно отнести Analog Devices, Analogic Corporation (первоначально Epsco, а позже Gordon Engineering), Burr Brown, Computer Labs, Datel, Hybrid System, ILC/Data Device Corporation, Micronetworks, National Semiconductor, Teledyne Philbrick и Zeltex.
Интегральные схемы блоков, также как и полные ИС преобразователей в 1970-е годы выпускались следующими фирмами: Analog Devices, Advanced Micro Devices, Fairchild, Signetics, Intersil, Micro Power Systems, Motorola, National Semiconductor, TRW (LSI Division) и Precision Monolitics.
Преобразователи 70-х годов использовали все доступные в то время технологии: монолитную, модульную, гибридную. Модульные и гибридные компоненты имели большую разрешающую способность и скорость по сравнению с существующими монолитными аналогами.
Непреложный факт: для того, чтобы получить максимальную выгоду от использования новой технологии не нужно забывать об обучении покупателей и высококвалифицированной технической поддержке, это актуально и для преобразования данных. Изначально Analog Devices осознавала важность хорошего материала по применению и начала использовать ряд обучающих статей по ОУ, написанных их разработчиком Рей Стата1. Эти статьи были опубликованы в год основания Analog Devices, 1965, и до сих пор являются классическими по обучению основам теории ОУ и их применению.
ADI продолжала оказывать информационную поддержку покупателям через инструкции по применению, которая усилилась с появлением журнала Analog Devices в 1967 году2. Первоначально устав журнала звучал так: « Журнал для обмена информацией по технологии ОУ», после он изменился на «Журнал для обмена информацией по аналоговой технике».
Распространение техники аналоговых схем – это то, чем занимался журнал Analog Devices в начале своего существования и это получалось достаточно успешно.
Первый выпуск содержал статью Рея Статы об ОУ и она все еще доступна в качестве инструкции по применению3. Похожее замечание можно сделать и о последующей статье Рея Статы4.
Вехой в жизни молодого журнала в 1969 году стало появление Дэна Шайнголда в качестве редактора5. Являясь опытным и высококвалифицированным экспертом по ОУ и редактирующим писателем начиная с времен вакуумно-электронной технологии и раннего периода развития полупроводников он работал на George A. Philbrick Researches (GAP/R), Дэн Шайнголд принес уникальный ряд навыков, направляющих редактирование Analog Devices в нужное русло. И по сей день Дэн продолжает оставаться главным редактором журнала. На протяжении более 35 лет его высокие технические стандарты в области коммуникаций продолжают оставаться промышленным эталоном.
Осознавая необходимость в создании универсальной книги о новой появившейся сфере: преобразование данных, Analog Devices в1972 году публикует первое издание руководства по аналого-цифровому преобразованию (Analog-Digital Conversion Handbook) под редакцией Дэна Шайнголда6. Исправленная версия руководства по аналого-цифровому преобразованию (Analog-Digital Conversion Notes) была опубликована в 1977. В 1986 году совместно с Prentice-Hall, Шайнголд выпустил третью версию этой книги под первоначальным названием Analog-Digital Conversion Handbook8. Все эти книги детально описывали архитектуру преобразователей, их технические характеристики, конструкции и их использование, и помогали также в принятии универсальной терминологии и производственных метрик в процессе производства.
Монолитные преобразователи 70-х.
ЦАП с биполярной технологией ИС.
Ранние монолитные ЦАП изготавливались с использованием биполярной технологии. Они содержали основное ядро полного ЦАП - массу ключей и резисторов для взвешивания каждого бита. Примером является 1408 и позже более высокоскоростной производный от него, DAC08, выпущенный в 1975 году, представлен на рис.1.28.
Рисунок 1.28 ИС DAC08, 8-разрядный 85 нс ЦАП, 1975.
Эти преобразователи выпускались различными производителями и были доступны по низкой цене. Но, требовалось большое количество дополнительных внешних компонентов для реализации их работы. К числу таких компонентов можно отнести несколько резисторов, источник опорного напряжения, защелку, выходной ОУ, возможно, корректирующий конденсатор, и один или два подстроечных потенциометра.
Преобразователи, подобные 1408 и DAC08 имели ограниченную 8-разрядную точность, достигаемую путем согласования и отслеживания ограничений диффузионных резисторов. Когда требуется более высокая точность, используются резисторы с более низким температурным коэффициентом, что предполагает послепроизводственную настройку.
Пленочные резисторы имеют низкий температурный коэффициент и могут быть подрезаны с помощью лазера - они очень хорошо подходят для преобразователей. К середине 1970-х Analog Devices достигла значительного опыта не только в осаждении тонкопленочных резисторов, но и в их подгонке на пластине.
AD562, разработанный Бобом Крейвеном и произведенный Analog Devices, был представлен в 1974 году и представлял собой монолитный элемент (“compound monolithic”), из 2-х ИС чипов, смонтированных в одном корпусе, без традиционных гибридных подложек, применявшихся для монтирования и соединений. Вместо этого, 2 чипа были спроектированы таким образом, что имелся только один соединяющий пучок проводов между чипами (в дополнение к обычным, соединяющим с выводами корпуса), и больше ничего не требовалось для монтажа 12-разрядного DAC к ИС корпусу. В прототипе AD562 один чип содержал тонкопленочную резисторную схему (включая резисторы установки двоичного взвешивания и резисторы установки выходного усиления), другой чип содержал усилитель управления опорным напряжением) и токовые ключи для 12 разрядов. При достижении зрелости процесса, стало более практичным производство больших по размерам чипов. Два чипа первоначального AD562 позже слились в однокристальную версию. Это был первый 12-разрядный ЦАП квалифицированный по стандарту министерства обороны США MIL-M-38510.
Хотя AD562 был первым интегральным 12-разрядным ЦАП и представлял собой решение достаточно трудных конструкторских проблем, но он продолжал оставаться только строительным элементом, так как у него не было буферной защелки, источника опорного напряжения и выходного усилителя. Вскоре, после появления двукристалльного AD5629,10 появилась версия с третьим кристаллом. Третий чип имел 2.5-В источник опорного напряжения bandgap-типа (спроектированный Полом Brokow и детально описанный в11,12). Это позволило сделать функционирование ЦАП более полным. Продукт, появившийся в результате и известный как AD563, также завоевал достаточную популярность и в конечном счете совершил переход к полностью монолитному однокристалльновому устройству.
Другая проблема AD562 заключалась в том, что ему не хватало быстродействия для многих приложений - его время установления составляло примерно 1μs. Дальнейшие успехи в разработке ключей и производстве диодов Зенера привели к производству высокоскоростных ЦАП: AD565, выпущенный в 1978 (и последовавший за ним в 1981 году AD565А). Упрощенная схема AD565 показана на рис.1.29.
Битовые ключи, используемые в этой конструкции, значительно меньше тех, что применялись в AD562. Это позволило значительно сократить площадь кристалла и увеличить выход годных кристаллов с полупроводниковой пластины. Новые ключи привели к изменению установочного времени, которое составляло теперь 200ns до уровня ½ LSB. В AD565 использовался встроенный источник опорного напряжения Зенера, имевший меньший шум по сравнению с источником bandgap-типа, применявшимся в AD563.
AD565 сохранил ту же цоколевку, что и предшествующий AD563, наряду c улучшенной производительностью и низкой ценой.
Необходимо отметить, что AD561 был первым монолитным одночиповым 10-разрядным ЦАП с тонкоплёночными резисторами, подгоняемыми лазером на пластине (LWT), и внутренним источником напряжения. Он был спроектирован Петером Холовэйем и представлен фирмой Analog Devices в 1976 году13. Этот ЦАП использовал метод компенсации ошибок, появившихся в процессе работы транзисторов внутреннего источника тока при разных плотностях тока. Эта идея была запатентована Полом Brokaw и является одним из широко распространенных справочных патентов по процессу преобразования данных14.
Рисунок 1.29 AD565, 12-разрядный 200 нс ЦАП, 1978.
CMOS ИС ЦАП в 70-х
Как мы видели, ранние коммерчески доступные монолитные ЦАП были изготовлены с использованием обычной биполярной линейной технологии. До 1974 года, когда был представлен AD7520 CMOS ЦАП, было трудно достичь 10-разрядного преобразования с хорошим выходом годных (и при низкой цене), из-за конечности β переключателей и связанной с этим трудностью согласования с Vbe, трудностью выполнения необходимых диффузионных резисторных лесенок, и ограничений вызваных температурными градиентами, произведенными высокой внутренней рассеиваемой мощностью.
Большинство из этих проблем удалось решить или избежать при применении CMOS устройств. Транзисторы с технологией CMOS имели бесконечное усиление тока, что позволяло избегать β проблем. Не существует эквивалента в схеме CMOS, совпадающего с биполярным транзисторным напряжением Vbe, вместо этого CMOS ключ в состоянии ON почти идеальный резистор, с величиной сопротивления, управляемой геометрией устройства. Температурные проблемы диффузионных резисторов были устранены путем использования тонкопленочных резисторов. Упрощенная схема AD7520, 10-разрядного, 500-ns CMOS умножающего ЦАП, представленного в 1974 году, показана на рис 1.30
Архитектура AD7520 представляет собой стандартный токовый R-2R (также называемый «инвертированный R-2R»), он описан в главе 3 данной книги. Выход подаётся на инвертирующий вход внешнего ОУ, подключенного как I/V преобразователь. 10-kΩ резистор обратной связи для ОУ является внутренним у AD7520 и благодаря этому обеспечивает хорошее согласование. Главным в достижении линейности AD7520 является то, что геометрия ключей, соответствующих первым 6 разрядам изменяется таким образом, чтобы достичь необходимых ON сопротивлений, в бинарном соотношении.
Архитектура AD7520 была расширена до 12-разрядного разрешения в AD7541 путем добавления дополнительных ячеек ключей и резисторов. Однако, для достижения 12-разрядной линейности была необходима лазерная подгонка на пластине. AD7541, выпущенный в 1978, был первым 12-разрядным CMOS умножающим ЦАП. Время установления до ½ LSB составляло 1μs.
Рисунок 1.30 AD7520, первый монолитный умножающий CMOS 10-разрядный ЦАП.
AD7520 и AD7541 положили начало целой серии умножающих CMOS ЦАП общего назначения от Analog Devices. Некоторые из них будут рассмотрены далее (см. Развитие преобразователей в 80-е).
Другим важным элементом ЦАП стало добавление защелки на кристалле (обычно такие ЦАП называются буфферированными “buffered”). Наличие защелки позволило подключать ЦАП к шине данных микропроцессора. AD7524, изображенный на рис.1.31, представлял собой 8-разрядный умножающий CMOS ЦАП, имеющий защелку на кристалле. Данные загружаются в ЦАП, по команде CHIP SELECT, затем данные записываются на защелку командой WRITE. Путем возвращения WRITE в положение 0, мы отсоединяем защелку от шины данных, и при желании к шине можно присоединить другое устройство.
Рисунок 1.31 AD7524, 8-разрядный, буферированный, совместимый с микропрцессором ЦАП, 1978.
Последующие ЦАП имели вторую защелку и назывались ЦАП с двойным буфером (“double-buffered”). Входная защелка использовалась для загрузки данных (последовательных, параллельных или в байтах), и когда вторая параллельная защелка ЦАП стробировалась, тогда выходной сигнал с ЦАП обновлялся.
Вскоре разработчики преобразователей осознали значимость упрощений при связи с микропроцессорами и цифровыми сигнальными процессорами, вследствие этого расширилась функциональность устройств, улучшение которой продолжается и по сей день.
На рис. 1.32 представлены основные этапы развития монолитных ЦАП в 1970-е годы.
*Биполярные
• AD550 “μЦАП”- строительный блок счетверённого переключателя (building block quad switch), 1970
• AD562 12-разрядный, 1.5μs (2 кристалла, в монолитном корпусе) ЦАП, 1974
• 1408 8-разрядный, 250ns ЦАП, 1975
• DAC08 8-разрядный, 80ns, 1976
• AD561 10-разрядный, 250ns, с лазерной подгонкой (LWT) резисторов, с токовым выходом ЦАП с источником опорного напряжения, 1976
• AD565, 12-разрядный, 200ns, LWT, с токовым выходом ЦАП с источником опорного напряжения, 1978
* CMOS:
• AD7520, 10-разрядный, 500ns, умножающий ЦАП, 1974
• AD7541, 12-разрядный, 1μs, LWT, умножающий ЦАП, 1978
• AD7524, 8-разрядный, 150ns, LWT, умножающий ЦАП с буферной защелкой, μP интерфейс, 1978
Рисунок1.32 краткое изложение истории развития монолитных ЦАП в 1970-х
Большинство АЦП в начале 1970-х имели модульную или гибридную структуру, но были предприняты значительные усилия по разработке полностью монолитных АЦП со стороны производителей преобразователей. Самая ранняя попытка реализовалась в создании в 1975 году AD7570, 10-разрядного, 20-μs, CMOS SAR АЦП.
Однако, из-за трудностей проектирования хороших компараторов, усилителей, и источников опорного напряжения в раннем CMOS процессе, AD7570 нуждался во внешнем LM311 компараторе так же как и в источнике опорного напряжения.
Архитектура интегририрующих АЦП была подходящей для раннего CMOS процесса, поэтому в 1976 году Analog Devices представила 13-разрядный AD7550, в котором применялась универсальная архитектура под названием “quad slope”(учетверённый наклон). Эта архитектура была запатентована Айвером Уолдом15.
Первым полностью монолитным АЦП стал 10-разрядный , 25-μs AD571 последовательного приближения, изобретенный Полом Brokaw и представленный в 197816. AD571 был спроектирован на основе биполярного процесса с использованием LWT тонкопленочных резисторов. Для того, чтобы реализовать логические функции, необходимые АЦП последовательного приближения, к биполярному процессу добавили интегральную инжекционную логику (I²L). Процесс позволил использовать уплотнённую низковольтовую логику на том же кристалле, также как и прецизионные линейные высоковольтные схемы.
И2Л процесс был особенно полезен в производстве АЦП, так как была необходима только одна диффузионная операция в дополнение к используемым в стандартном линейном процессе. Кроме того, эта диффузия не влияла на другие операции процесса. Таким образом, аналоговая часть схемы относительно не изменялась из-за дополнительной логики.
10-разрядный AD571 (и 8-разрядный AD570) были полностью монолитными АЦП со встроенным тактовым генератором и источником опорного напряжения Зенера, с подгоняемым лазером ЦАП (на основе конструкции, описанной в14) и с выходным буфером с тремя состояниями. Упрощенная схема AD571 приведена на рис.1.33
Рисунок 1.33 AD571, полностью интегральный 10-разрядный, 25 мкс АЦП, 1978.
Возможно, что самым значительным из когда-либо представленных SAR АЦП был 12-разрядный, 35- μs AD574 1978 года выпуска. AD574 представлял собой решение всех проблем, включал встроенные источник опорного напряжения Зенера и схему тактового генератора, выходные буферы с тремя состояниями для прямого сопряжения с 8-,12-,16-разрядными микропроцессорными шинами. В своей изначальной форме AD574 был изготовлен на основе составной монолитной конструкции, с использованием 2 кристаллов - один AD565 12-разрядный ЦАП с токовым выходом, включающий источник опорного напряжения и тонкопленочные масштабные резисторы, другой содержал регистр последовательного приближения (SAR) и логические функции микропроцессорного интерфейса и прецизионный компоратор с защёлкой. AD574 вскоре стал выпускаться в промышленном стандарте (по температурному диапазону, примечание редактора) 12-разрядного АЦП начала 1980-х. Впервые в 1985 году он стал доступным в монолитной однокристальной форме, что позволило использовать дешевые коммерчески выгодные корпуса. Упрощенная блок-схема AD574 показана на рис 1.34.
Рисунок 1.34 AD574, 12-разрядный, 35 мкс, интегральный АЦП промышленного стандарта, 1978.
C наступлением 1970-х появились первые высокоскоростные видео Flash (параллельные) АЦП, начиная с TDC-1007J 8-разрядного, 30-MSPS от LSI отделения TRW в 197917. TRW также представила низкомощную 6-разрядную версиюTDC-1014J. Также в 1979 Advanced Micro Devices представила АМ6688 4-разрядный, 100-MSPS flash АЦП, разработанный Джимом Гайлсом, автором ранее спроектированных АМ685 и АМ687- быстрых ECL компараторов. Более подробно эволюция параллельных преобразователей приведена в части 1.4, История развития преобразователей в 1980-х.
Развитие монолитных АЦП в 1970-е годы кратко изложено на рис. 1.35
• AD7570, 10-разрядный, 20μs CMOS АЦП последовательного приближения, (нуждался в наличии внешнего компаратора и опорного напряжения), 1975
• AD7550, 13-разрядный интегрирующий АЦП на основе техники “quad slope”, 1976
• AD571, составной 10-разрядный, 25μs монолитный SAR АЦП, с источником опорного напряжения использующий И2Л схему и LWT тонкопленочные резисторы, разработанный Полом Brokaw, 1978
• AD574, 12-разрядный, 35μs 2 кристалльный, монолитный АЦП последовательного приближения, 1978; однокристальная версия 1985
• Flash (параллельные) АЦП:
*TRW TDC-1007J/TDC-1016J, 8-разрядный/6-разрядный 30 MSPS АЦП, 1979
• АМ6688 4-разрядный, 100MSPS АЦП, 1979
Рисунок 1.35 Краткое изложение: монолитные АЦП в 1970-х.
Гибридные преобразователи в 1970-е.
Несмотря на то, что в начале 1970-х было разработано несколько инструментальных стоечных преобразователей (таких как VHS-серии и 7000-серии от Computer Labs Inc), возросшие требования к более дешевым компактным и высокопроизводительным преобразователям, вынудили производителей заняться дополнительной разработкой гибридных и модульных устройств - монолитная технология того времени была еще не в состоянии поддерживать высокопроизводительные функции преобразователей, используя лишь один кристалл.
В 1970 разработчики гибридных и модульных преобразователей имели массу компонентов из которых можно было выбирать, включая ИС ОУ, ИС ЦАП, компараторы, дискретные транзисторы, различные логические кристаллы и т.п. На рис. 1.36 приведены некоторые наиболее популярные в 1970-е годы гибридные и модульные строительные блоки.
• “Quad switches” (AD550 μDAC)
• прецизионные тонкопленочные резисторные схемы (AD850)
• ИС ЦАП: AD562, AD563, AD565, 1408, DAC08
• ИС компараторы: μА710, μА711, NE521, LM311, LM361, MC1650, AM685, AM687
• Регистры последовательного приближения (SARs): 2502, 2503, 2504
• ИС и гибридные ОУ
• ИС источников опорного напряжения и напряжения Зенера
• Быстрые PNP и быстрые NPN дискретные транзисторы
• Монолитные согласованные пары FETs.
• Монолитные транзисторные матрицы (RCA CA-series)
• Диоды Шотки
• CMOS и DMOS ключи
• Логика TTL, CMOS, ECL
• 4,6,8-разрядные монолитные параллельные АЦП (начиная с 1979)
Рисунок 1.36 Компоненты для гибридных и модульных преобразователей 1970-х.
В гибридах обычно использовались керамические подложки с тонкопленочными или толстопленочными проводниками. Индивидуальные кристаллы закреплены на подложке (обычно с помощью эпоксидного клея). Провода соединяют контактные площадки кристаллов и проводники подложки. Гибриды обычно герметично упакованы в керамические или металлические корпуса. Точность была достигнута подгонкой тонкопленочных или толстопленочных резисторов после их установки или при отсоединении, но перед герметизацией. Производители использовали тонкопленочные схемы, дискретные тонкопленочные резисторы, осажденные толсто-или тонкопленочные резисторы или комбинации вышеперечисленных.
Хотя производство кристалло-проводникового гибрида было значительно дороже, чем производство ИС, но это позволяло достигнуть таких уровней параметров, которые были недостижимы при использовании существующей монолитной технологии того периода. Доступные гибридные схемы в процессе своей эволюции привели к созданию монолитных форм. Для разных устройств этот период составлял от 5 до 10 лет. Самым популярным 12-разрядным ЦАП 70-х был DAC80. Представленный в середине 1970-х, он состоял из 11 кристаллов: 3 quad switch-матрицы, 2 ОУ, 2 резисторных схемы, диод Зенера, 2 диода- стабилитрона, бескорпусной конденсатор (см рис. 1.37А). В 1978 году, когда монолитная технология достигла того уровня, при котором создалась возможность сочетать ключи и резисторные схемы на одном кристалле, был создан трехкристалльный DAC80 (рис. 1.37Б). Эти три кристалла содержали источник опорного напряжения, выходной ОУ и схему с ключами, резисторами и управлением усилителями.
Рисунок 1.37 DAC80 – эволюция 12-разрядного ЦАП.
Новая конструкция предлагала параметры, идентичные первоначальному DAC80, но при значительном улучшении надежности и уменьшении стоимости. В 1983 году появился однокристальный DAC80 (рис.1.37С). Это повлекло за собой дальнейшее уменьшение цены и повышение надежности по сравнению с 3х и 11-ти кристальными версиями. В конечном итоге, в 1984 году это популярное устройство было предложено в недорогом пластиковом DIP корпусе. Таким образом, в течении 10 лет, DAC80 развился из достаточно дорогого гибрида в большеобъемную удобную ИС.
Другим прекрасным примером гибридной технологии можно назвать AD572, 12-разрядный, 25-µs SAR АЦП, выпущенный в 1977. AD572 включал в себя внутренний тактовый генератор, опорное напряжение, компаратор, входной буферный усилитель. В качестве регистра последовательного приближения использовался популярный 2504. Внутренний ЦАП состоял из 12-разрядного кристалла ключей и тонкоплёночной схемы с подгонкой, который корпусировался в виде двух-кристалльного AD562 ЦАП). AD572 был первым одобренным военными структурами 12-разрядным АЦП, удовлетворяющим стандарту MIL-STD883B для использования в полном рабочем температурном диапазоне от -55°С до +125°С. Фотография AD572 приведена на рис 1.38.
Рисунок 1.38 AD572, 12-разрядный, 25 мкс., гибридный АЦП для MIL-применений, 1977.
В 1970-е годы было разработано много гибридных схем, самые основные приведены на рис. 1.39. К концу 1970-х Computer Labs Inc представила несколько очень быстрых гибридных преобразователей, основанных на технологии подгонки толстоплёночных резисторов (в 1978 году Computer Labs вошла в состав Analog Devices). Технология толстопленочных резисторов, разработанная в Computer Labs в 70-е годы, давала возможность использовать 12-разрядную точность. Это было значительным достижением, так как большинство производителей гибридов использовали более дорогие тонкопленочные резисторы для 12-разрядных устройств.
• DAC80, 12-разрядный ЦАП, 1975
• АDC80, 12-разрядный, 25µs SAR АЦП, 1975
• AD572, 12-разрядный, 25µs, для военного применения АЦП, 1977
• HDS -1250, 12-разрядный, 35ns ЦАП (также 8-,10-разрядные версии), 1979
• HAS-1202, 12-разрядный, 2.2 µs SAR АЦП (также 8-,10-разрядные версии),1979
• HTC-0300, 300ns SHA; HTS-0025, 25ns SHA, 1979
Рисунок 1.39 Вехи в гибридной технике АЦП и ЦАП в 1970-е.
ЦАП HDS-серии и ЦАП HAS-серии использовали толстоплёночные резисторы с активной подгонкой и ключи на дискретных PNP транзисторах для внутренних ЦАП.
Необходимо отметить, что на данном этапе ни один из монолитных или гибридных АЦП 70-х не являлся АЦП с отсчётами, имеющий внутреннюю систему выборки и хранения (SHAs).
Для того, чтобы обрабатывать сигналы переменного тока, с АЦП должна быть соединена отдельная система выборки и хранения (при помощи подходящего интерфейса и схемы синхронизации). Это породило необходимость использования гибридных SHAs, таких как HTC-0300 и более быстрых HTS-0025.
Модульные преобразователи 70-х годов.
Разработчики модульных преобразователей 70-х годов имели большие возможности, чем разработчики гибридных систем. Фактически, модульная технология зародилась в конце 60-х, до того момента, когда гибридные технологии стали столь популярными. Модульные технологии и по сей день применяются в некоторых элементах. На рис. 1.40 показаны 2 ранних наиболее популярных модульных АЦП: ADC-12QZ и MAS-1202. Модульная технология являлась хорошо отработанной - компоненты монтировались на печатной плате, капсулированные в герметизированный модуль после подгонки (обычно с помощью резисторов, выбранных вручную).
Заливочный компаунд использовался для распределения тепла по модулю, обеспечивая тепловое согласование наиболее важных компонентов, и затруднял конкурентам доступ к схемам.
Рисунок 1.40 Ранние модули АЦП 1970-х.
ADC-12QZ и MAS-1202 потребляли примерно 2 Вт и продавались за 130 и 270 долларов соответственно.
Первый из полностью модульных стробируемых АЦП 70-х годов использовал open-card конструкцию с комбинацией гибридных, ИС и дискретных строительных блоков на печатной плате. MOD-815 8-разрядный, 15-MSPS АЦП был изготовлен в 1976 году Computer Labs. В конструкции использовались два 4-разрядных параллельных преобразователя в субдиапазонной архитектуре (subranging architecture, см. главу 3). Каждый из 4-х разрядных параллельных преобразователей состоял из 8 двойных AM687 ECL компараторов. MOD-815 был одним из первых коммерческих АЦП, использованных в быстроразвивающейся сфере цифрового телевидения.
Другие популярные модули, собранные на печатной плате, MOD-1205 12-разрядный, 5-MSPS АЦП и MOD-1020 10-разрядный, 20-MSPS АЦП, были представлены Analog Devices / Computer Labs в 1979. Эта технология сделала возможным появление на рынке первых параллельных преобразователей: Advanced Micro Devices AM6688 4-разрядный, 100MSPS flash, TRW TDC-1007J (8-разрядный) и TDC-1014J (6-разрядный). На рис.1.41 показана фотография MOD-1020 c указанием названия основных элементов. В данном преобразователе использовалась субдиапазонная архитектура, с двумя АМ6688, осуществляющими первое 5-разрядное преобразование, и 6-разрядный TDC-1014J, осуществляющий второе шестиразрядное преобразование. Дополнительный разряд использовался для корректировки ошибок. MOD-1020 использовал немного ECL логики и рассеивал 21 Вт. Из-за высокого уровня производительности и большого количества дорогих гибридных и ИС строительных блоков, MOD-1020 стоил 3,500.00 долларов.
Рисунок 1.41 MOD-1020, 10-разрядный, 20 MSPS стробируемый АЦП, 1979.
Начиная с середины 1970-х большинство модульных дискретных преобразователей были протестированы с использованием FFT техники (быстрое преобразование Фурье - БПФ) для измерения отношения сигнал-шум (SNR), эффективной разрядности (ENOB) и искажения (см. главу 5, Тестирование преобразователей)
Обобщенные данные по популярным модульным АЦП и ЦАП 70-х годов приведены на рис. 1.42.
• DAC-12QZ, 12-разрядный ЦАП, 1970
• ADC-12QZ, 12-разрядный 40µs SAR АЦП, 1972
• MAS-1202, 12-разрядный 2µs SAR АЦП (а также 8- и 10-разрядные версии), 1975
• ADC1130, 12-разрядный 12µs SAR АЦП, 1975
• MDS-1250, 12-разрядный 50ns ЦАП (а также 8- и 10-разрядные версии), 1975
• THS-0300, 300ns SHA; THS-0025, 25ns SHA, 1975
• MOD-815, 8-разрядный 15MSPS видео, стробируемый АЦП, 1976
• SDC1700, синхро - цифровой преобразователь, 1977
• DAC1138, 18-разрядный ЦАП (самый точный на протяжении 10 лет), 1977
• MOD-1205, 12-разрядный 5MSPS, стробируемый АЦП, 1979
• MOD-1020, 10-разрядный 20 MPSP, стробируемый АЦП,1979
Рисунок 1.42 Достижения модульной технологии АЦП и ЦАП в 1970-х.
Часть 1.4: Преобразователи данных в 80-е годы.
Уолт Кестер
Введение
1980-е годы являются высокопродуктивными годами развития ИС, гибридных и модульных преобразователей. Движущей силой рынка были развитие инструментов, сбор данных, медицинское оборудование, профессиональная и бытовая аудио / видео техника, компьютерная графика и масса других. Возросшая доступность дешевых микропроцессоров, высокоскоростной памяти, цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и появление IBM совместимых PC увеличило интерес ко всем сферам обработки сигналов. Усилия разработчиков АЦП были сосредоточены на резком улучшении параметров по переменному току, расширении динамического диапазона, т.е. на создании стробируемых АЦП для всех частот. Технические характеристики, такие как отношение сигнал-шум (SNR), отношение сигнал-шум + искажение (SINAD), эффективная разрядность (ENOB), отношение мощности шума (NPR), истинный-spurious free динамический диапазон ( SFDR), временное дрожание апертуры и т.д. стали появляться в большинстве спецификаций АЦП, а в спецификациях ЦАП – glitch площадь выброса, SFDR и др. В 1980-е годы достигли значительного распространения высокоскоростные биполярные и CMOS flash (параллельные) АЦП, 4-,6-,8-,9-,10-разрядные со скоростью дискретизации от 20MSPS до 100MSPS. Цифровое видео являлось движущей силой для развития 8-,9-,10-разрядных устройств. В области графического изображения появились ЦАП с РАМ (с оперативной памятью). CMOS представляла идеальный процесс для этих интенсивно оснащаемых памятью приборов.
Обработка голосового канала с аудио сигналами привела к созданию 16- и 18-разрядных АЦП и ЦАП, а появление CD проигрывателей вызвало необходимость создания дешевых аудио ЦАП.
В 1980-е основной целью АЦП и ЦАП стало предоставление большего разрешения, функциональности и более полное решение проблем в отношении сбора данных и распределения, включая многоканальные АЦП и ЦАП. Развитие аналогово-совместимых CMOS процессов (таких как Analog Devices LC²MOS и BiCMOS II, представленных в середине 1980-х) позволило разработчикам преобразователей предоставить больше функциональных возможностей, например, путем добавления таких функций, как опорное напряжение, буферное усиление на одном кристалле.
Другим важным достижением в середине 1980-х было представление биполярной комплиментарной технологии первого поколения от Analog Devices, которая предлагала высокоскоростные, высокопроизводительные сопряженные PNP и NPN транзисторы. Высокоскоростные ОУ произведенные на основе КБ технологии являлись отличными драйверами для многих новых АЦП. КБ технология, в конечном счете, позволила получить достаточно высоко производительные ВЧ (IF) стробируемые АЦП в 1990-х. Более детально данные технологии можно изучить в 4 главе данной книги: Технологический процесс создания преобразователей.
Монолитные ЦАП в 1980-е.
На рис. 1.43 приведен список основных ИС ЦАП предложенных в 1980-е. Вместо того, чтобы изучать каждый из продуктов индивидуально, мы рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих основные направления этой серии изделий.
• AD558, 8-разрядный, 1µs, µP- совместимый, с выходным напряжением, биполярный/ И²Л ЦАП, 1980
• D7528, сдвоенный, 8-разрядный, с буферизацией, CMOS MDAC, 1981
• AD7546, 16-разрядный, сегментный, CMOS ЦАП с режимом напряжения (требуются дополнительные внешние усилители), 1982
• AD7545, с буферизацией, 12-разрядный CMOS MDAC, 1982
• AD390, счетверённый, 12-разрядный с выходным напряжением ЦАП (полностью монолитный), 1982
• AD7240, 12-разрядный, с режимом напряжения, CMOS ЦАП, 1983
• AD7226, счетверённый, 8-разрядный, с двойной буферизацией, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, 1986
• AD9700 125MSPS, 8-разрядный видео ECL ЦАП, 1984
• AD7535, 14-разрядный с двойной буферизацией, LC²MOS MDAC, 1985
• AD569, 16-разрядный, сегментный, с выходным напряжением, с двойной буферизацией, BiCMOS ЦАП, 1986
• AD7245, 12-разрядный, с двойной буферизацией, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, с внутренним опорным напряжением, 1987
• AD1856/AD1860, 16-/18-разрядный аудио BiCMOS ЦАП для CD проигрывателей, 1988
• ADV453/ADV471/ADV476/ADV478 CMOS Video RAM-ЦАП-ы, 1988
• AD7840, 14-разрядный, с двойной буферизацией, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, с внутренним опорным напряжением, 1989
• AD7846, 16-разрядный, сегментный, с выходным напряжением, LC²MOS ЦАП, 1989
Рисунок1.43 Монолитные ЦАП 80-х
AD558, 8-разрядный, 1µs CMOS ЦАП, представленный в 1980 году иллюстрирует тенденцию развития интерфейсов, совместимых с микропроцессорами, которые в настоящее время являются универсальными для АЦП и ЦАП общего назначения. Последующие продукты использовали цифровые входы с двойной буферизацией, когда входной регистр принимал параллельную, последовательную, широкобайтную информацию, а вторая параллельная защелка использовалась для фактической корректировки переключателей ЦАП.
AD7546, хотя и требовал наличия двух внешних ОУ для полного выполнения всех функций 16-разрядного ЦАП, являлся примером успешного увеличения разрешения. Сегментная архитектура, использовавшаяся в AD7546, позже была применена в 16-разрядном AD569, у которого все функции интегрировались на одном кристалле.
Появление сложноструктурного ЦАП в одном корпусе представлено двойным AD7528, счетверённым AD390 (полностью монолитный), счетверённым AD7226 (однокристальный).
Первоначальные CMOS ЦАП имели выходной ток (current-output), нуждались во внешних ОУ для реализации процесса преобразования ток-напряжение, но с изобретением технологий LC²MOS и BiCMOS, появились ЦАП, имеющие на выходе напряжение. Эти же технологии позволили интегрировать опорное напряжение на кристалле и тем самым обеспечили более полное решение.
В середине 1980-х начали появляться аудио и видео монолитные ЦАП. Создание AD1856/AD1860 16-/18-разрядных аудио ЦАП было вызвано появлением на рынке CD проигрывателей. AD9700 ЦАП, представленный в 1984 году, был первым монолитным ЦАП на ИС, разработанный для приложений с графической растровой разверткой, который обеспечивал синхронизацию, бланки, 10% белого, опорные уровни белого при установке специальных внутренних переключателей. Это позволяет использовать полный 8-разрядный диапазон предназначенный для активной видео области. AD9700 был из HDG-серии гибридных ЦАП, появившихся в 1980 году. Позднее AD9700 был заменен на серию ADV CMOS видео RAM ЦАП, который содержал на кристалле память цветовой палитры и имел все основные функции ЦАП.
Монолитные АЦП 80-х.
Двукристальный AD574, изготовленный в 1978, мог бы служить стандартом для промышленных преобразователей ко времени появления (1985год) однокристального SAR АЦП AD574, 12-разрядного, 35-μs. С того момента этот преобразователь соответствует промышленному стандарту и продолжает использоваться и в наши дни.
На рис. 1.44 приведен список наиболее значимых монолитных АЦП, созданных в 1980-е годы. Следует отметить, что появление монолитных стробируемых АЦП началось в середине 80-х. Использование дополнительных устройств выборки и хранения, опорного напряжения, буферных усилителей стало намного проще при добавлении биполярных возможностей к технологии CMOS (LC²MOS и BiCMOS ). Еще одним нововведением стало использование входных (front-end) мультиплексоров в дополнение к основным АЦП, как в 4-канальном AD7582 1984 года, таким образом позволяя использовать более полные решения при сборе данных.
Несмотря на то, что архитектура Σ-Δ была известна в 1950-1960-е годы, первое коммерческое предложение монолитного Σ-Δ АЦП было сделано в 1988 фирмой Crystal Semiconductor (CSZ5316). Это устройство имело 16-разрядную разрешающую способность и 20kSPS эффективную пропускную способность, что делало его приемлемым для оцифровки голосового спектра. Голосовой аудио рынок (как профессиональный, так и потребительский) вызвал создание Σ-Δ АЦП с более высоким темпом отсчётов и большим разрешением; рынок прецизионных измерений требовал 20+ разрешения при более низких пропускных способностях. Оба этих требования были исследованы в 1990-е годы при анализе Σ-Δ архитектур АЦП и ЦАП.
• AD574, 12-разрядный, 35µs, промышленного стандарта, однокристальный АЦП, 1985
• AD673, 8-разрядный, complete АЦП, 1983
• AD7582, 4-х канальный с входным мультиплексором, 12-разрядный CMOS АЦП, 1984
• AD670, 8-разрядный, 10µs ADCPORT, 1984
• AD7820, 8-разрядный, 1.36µs, half flash, стробируемый АЦП, 1985
• AD7572, 12-разрядный, 5µs, SAR LC²MOS АЦП с опорным напряжением, 1986
• AD7575, 8-разрядный, 5µs, SAR LC²MOS стробируемый АЦП, 1986
• AD7579, 10-разрядный, 50kSPS, LC²MOS SAR стробируемый АЦП с AC specs, 1987
• AD7821, 8-разрядный, 1MSPS half-flash стробируемый АЦП с AC specs, 1988
• AD674, 12-разрядный, 15µs АЦП, 1988
• AD7870,12-разрядный, 100kSPS LC²MOS SAR стробируемый АЦП с AC specs, 1989
• AD7871, 14-разрядный, 83kSPS LC²MOS SAR стробируемый АЦП с AC specs, 1989
• Первый коммерческий 16-разрядный сигма-дельта АЦП, Crystal Semiconductor, 1988.
Рисунок 1.44 Монолитные АЦП в 1980-е.
Монолитные параллельные АЦП в 1980-е.
Как было отмечено ранее, быстрое развитие цифрового видео рынка, совпавшее с появлением в 1979 году TRW TDC-1007J 8-разрядного, 30- MSPS параллельного АЦП, спровоцировало других производителей ИС начать разработки подобных параллельных АЦП, но имеющих более низкую потребляемую мощность, разрешение в диапазоне от 4 до 10-разрядов, частоту дискретизации равную 500 MSPS. Большинство из этих АЦП, но, конечно, не все перечислены на рис. 1.45, который охватывает период пика развития параллельных преобразователей - 1979-1990.
• TDC1007J, 8-разрядный, 30MSPS, (TRW LSI), 1979
• TDC1016J, 6-разрядный, 30MSPS, (TRW LSI), 1979
• AM6688, 4-разрядный, 100MSPS, (AMD), 1979
• SDA6020, 6-разрядный, 50MSPS, (Siemens), 1980
• TLM1070, 7-разрядный, 20MSPS, CMOS (Telmos), 1982
• MP7684, 8-разрядный, 20MSPS, CMOS (Micro Power), 1983
• TDC1048, 8-разрядный, 30MSPS, (TRW LSI), 1983
• AD9000, 6-разрядный, 75MSPS, 1984
• AD9002, 8-разрядный, 150MSPS, 1987
• AD770, 8-разрядный, 200MSPS, 1988
• AD9048, 8-разрядный, 35MSPS, 1988
• AD9006/AD9016, 6-разрядный, 500MSPS, 1989
• AD9012, 8-разрядный, 100MSPS, TTL, 1988
• AD9028/AD9038, 8-разрядный, 300MSPS, 1989
• AD9020, 10-разрядный, 60MSPS, 1990
• AD9058, dual, 8-разрядный, 50MSPS, 1990
• AD9060, 10-разрядный, 75MSPS, 1990
Рисунок 1.45 Монолитные параллельные АЦП в 1980-х.
Биполярная технология и технология CMOS использовались для производства таких устройств. Преобразователи на основе CMOS технологии обладали меньшей мощностью, но имели худшие характеристики (особенно это было характерно для ранних версий). Главными проблемами, возникшими у ранних CMOS параллельных преобразователей были ошибочные коды, известные как «всплески» “sparkle codes”, вызванные метастабильностью компаратора (более детально с этой темой можно ознакомиться в главе 3: Архитектуры преобразователей). Конструкции компараторов на основе биполярной технологии были более стабильны, так как обычно они имели более высокое регенеративное усиление. На сегодняшний день проблему метастабильности в устройствах, на основе CMOS удалось преодолеть при использовании субмикронного процесса, хотя, эти проблемы могут снова возникнуть в случае неверного проектирования.
Несмотря на то, что конструкции параллельных преобразователей на основе биполярной и CMOS технологий широко использовались в 1980-е в большинстве 6- и 10-разрядных видео АЦП, в 1990-х больше начали доминировать маломощные АЦП с субдиапазонной и конвейерной архитектурой, т.к. разработчики получили доступ к более быстрым CMOS и BiCMOS технологиям. Сегодня архитектуры параллельных преобразователей используются в качестве строительных блоков внутри конвейерных АЦП. Однако, существует несколько параллельных преобразователей на GaAs для 6- или 8-разрядного разрешения, которые заняли ту нишу на рынке, где требовалась скорость дискретизации в 1GSPS или больше.
Гибридные и модульные ЦАП и АЦП в 1980-е годы.
Потребность в гибридных и модульных АЦП и ЦАП достигла своего пика в 1980-е годы. В основном из-за задержек в процессе создания однокристальных преобразователей, обладающих теми же характеристиками, растягивавшемся на 3-5 лет. Кроме того, большое количество параллельных преобразователей использовалось в качестве строительных блоков для субдиапазонных АЦП с более высокой разрешающей способностью.
Несколько значимых гибридных и модульных преобразователей 80-х указано на рис. 1.46.
Гибридные:
• HDS-1240E, 12-разрядный, 40ns ECL ЦАП, 1980
• HDG-серия, 4-,6-,8-разрядный, 5ns ECL видео ЦАП, 1980
• HAS-1409, 14-разрядный, 1.25MSPS стробируемый АЦП, 1983
• HAS-1201, 12-разрядный, 1MSPS стробируемый АЦП, 1984
• AD376, 16-разрядный, 20µs SAR АЦП, 1985
• AD1332, 12-разрядный, 125кSPS стробируемый АЦП с 32word FIFO, 1988
• AD9003, 12-разрядный, 1MSPS стробируемый АЦП, 1988
• AD1377, 16-разрядный, 10µs SAR АЦП, 1989 Модульные:
• ADC1140, 16-разрядный, 35µs SAR АЦП, 1982
• CAV-1220, 12-разрядный, 20MSPS стробируемый АЦП, 1986
• CAV-1040, 10-разрядный, 40MSPS стробируемый АЦП, 1986
• AD1175, 22-разрядный интегрирующий АЦП, 1987
Рисунок 1.46 Гибридные и модульные АЦП и ЦАП с высокими характеристиками 1980-х.
В 1980 году Analog Devices выпустила семейство толстопленочных гибридов, представленных HDG- серией 4-,6-, 8-.разрядных видео ECL ЦАП. Разработанные для растровой сканирующей RGB графики, эти ЦАП имели время установления приблизительно 5ns. В дополнение к быстрой установке, они обладали еще другими характеристиками, - они обеспечивали синхронизацию, бланки, 10% белого, опорные уровни белого при установке специальных внутренних переключателей. Это позволяет использовать полный 8-разрядный диапазон, предназначенный для активной видео области. HDG –серия была предшественницей полностью монолитных CMOS видео ЦАП и RAM-ЦАП, которые были представлены позже (ADV-серия, 1980, рис. 1.43)
В 1980-е годы появились высокопроизводительные гибридные субдиапазонные АЦП, большинство из которых использовали в качестве строительных блоков высокоскоростные параллельные преобразователи. Большинство представляло собой дискретные устройства, дополненные ас техническими характеристиками, всё это реализовалось в 1988 году при выпуске 12-разрядного 10-MSPS AD9005.
Гибридные АЦП в 1980-е годы достигли такой разрешающей способности (как например, AD1377, 16-разрядный, 10-µs SAR АЦП, 1989), которая была еще недостижима при монолитной технологии.
Также необходимо отметить, что в 80-е годы было выпущено несколько модулей, которые также вызвали улучшение скорости и разрешающей способности. CAV-1220, 12-разрядный, 20-MSPS АЦП и CAV-1040 10-разрядный, 40-MSPS АЦП, представленные в 1986 году, установили новые стандарты по динамическому диапазону и быстродействию, в то время как AD1175 22-разрядный интегрирующий АЦП (1987) установил стандарты высокой разрешающей способности.
Часть 1.5: Преобразователи в 1990-е годы
Уолт Кестер
Введение
По сравнению с 1980-ми годами рынок 90-х, влияющий на распространение преобразователей, был более обширный и требовательный. Основными сферами использования являлись управление промышленными технологическими процессами, выполнение измерений, совершенствование инструментов, медицинское оборудование, аудио, видео техника и компьютерная графика. Кроме того, системы связи были самой большой движущей силой на пути создания дешевых, низкомощных, высокопроизводительных преобразователей для модемов, мобильных телефонов и беспроводной инфраструктуры (basestations).
Другими направлениями было акцентирование на низкой мощности и однополярном напряжении, необходимых при переносном батарейном применении. Низковольтовое питание совмещалось с высокоскоростными, низковольтовыми технологиями с сокращенным сигнальным диапазоном при уменьшенных габаритах, однако делало конструкции преобразователей более чувствительными к помехам. В 1990-е годы конструкция корпуса также подверглась изменению. Традиционные DIP были заменены на меньшие по размерам корпуса с поверхностным монтажом, которые подходили для автоматического высокообъемного монтажа. Они включали в себя как конструкции с выводами, так и безвыводные типы, такие как big grid array (BGA) и корпуса с размерами кристалла chip scale package (CSP).
Даже на рынке преобразователей общего назначения существовала потребность в дополнительных аналоговых и цифровых функциональных характеристиках. Например, установка на одном кристалле полной системы сбора данных, включая входной мультиплексор, программируемый усилитель, устройство выборки-хранения и АЦП. Многие приложения нуждались как в функциях АЦП, так и в функциях ЦАП, что привело к интеграции этих двух элементов на одном кристалле, получившем название кодер-декодер, или CODEC. Специально разработанные оконечные устройства: аналоговое analog front ends (AFEs) и для смешанных сигналов mixed-signal front ends (MxFE™) были добавлены к основным функциям АЦП в CCD процессорах изображений и IF цифровых приемниках.
В семействе TxDAC® , цифровые функции такие как интерполирующие фильтры и цифровые модуляторы были скомбинированы с высокоскоростным, с малой дисторцией CMOS ЦАП ядром. Разработчики преобразователей попытались использовать большие преимущества «ядерных» конструкций для создания нескольких продуктов с различными опциями, например, такими как последовательные или параллельные выходные порты и т.д. TxDAC-серии являются хорошей иллюстрацией этой концепции, где разные разрешающие способности, скорости обновления, внутренняя дискретизация сочетаются с большим количеством отдельных элементов, но все они используют одно и тоже ядро ЦАП.
Из-за увеличения потребности в обработке сигналов на высоких частотах, больший акцент делался на динамическом диапазоне и ас производительности практически всех преобразователей. Было выпущено большое количество монолитных стробирущих АЦП, удовлетворяющих эту потребность. Конвейерная субдиапазонная архитектура виртуально заменяла высокомощные параллельные АЦП 80-х годов и наиболее важными ас характеристиками были SNR, SINAD, ENOB и
SFDR.
В 1990-е годы, CMOS технология стала избранной технологией для преобразователей общего назначения, в то время как BiCMOS осталась для высокопроизводительных устройств. В некоторых случаях, высокоскоростные комплементарные биполярные технологии использовались для ультра высокопроизводительных преобразователей. Технология СMOS является идеальной для Σ-Δ архитектуры, которая стала основной для АЦП и ЦАП, использующихся в голосовых и аудио приложениях, также как и в низкочастотных измеряющих преобразователях с более высоким разрешением.
Значительный сдвиг в технологическом процессе произошел в 90-е годы, когда паразитные параметры стали являться фактором, ограничивающим производительность у высокоскоростных, состоящих только из кристаллов и соединитедьных проводов chip-and-wire, гибридных преобразователей. Новые ИС, с их малыми размерами элементов и уменьшенными паразитными параметрами, позволяли достигать более высоких уровней производительности по сравнению с гибридными chip-and-wire или модульными преобразователями. Мы видим контпример ситуации, существовавшей в 70-80-е годы.
В последующих частях мы изучим основные направления
развития преобразователей в 1990-2000-х годах, используя несколько представителей в качестве примеров. Будет достаточно сложно рассмотреть подробно каждый из продуктов, как это было сделано для 70-80х годов, из-за огромного количества преобразователей, выпущенных в 1990-е годы. Большинство из них рассмотрено в главе 8 данной книги, Применение преобразователей.
Монолитные ЦАП в 1990х
Наиболее значимым направлением развития ЦАП общего назначения в 90-е годы было расширение функциональных возможностей для всех сфер применения, особенно в отношении структуры входа. ЦАП были специально спроектированы для параллельной, последовательной, широкобайтной загрузки и обычно имели входы с двойной буферизацией. Последовательный интерфейс стал популярным для сопряжения с микропроцессорами и ЦСП. Во многих случаях одна и та же схема ядра ЦАП использовалась для реализации различных опций в виде отдельных изделий в подходящих корпусах. Очевидно, что это требовало представления большого количества ЦАП для удовлетворения необходимых задач.
Существовали также и опции, связанные со структурой выхода. Аудио и видео ЦАП использовали токовые выходы, в то время как некоторые ЦАП более общего направления могли иметь выходной ток или выходное напряжение.
Тенденция в направлении умножающих ЦАП проиллюстрирована примером раннего увосьмирённого ЦАП, AD7568, 12-разрядного LC²MOS ЦАП-а, 1991, представленного на рисунке 1.47. Этот ЦАП использовал популярную умножающую архитектуру и обеспечивал выходной ток, т.е. был спроектированный для работы с ОУ, подсоединяемого в качестве I/V преобразователя.
Отметим, что ЦАП имеет двойную буферизацию - входной регистр сдвига принимает последовательные данные и загружает их в соответствующую входную защелку, которая позволяет LDAC одновременно отсылать информацию в восемь параллельных отдельных ЦАП- защелок.
Потребительские аудио СD проигрыватели вызвали появление в конце 1980-х на рынке 16+разрядных ЦАП, обладающих незначительной дисторцией. Первые аудио ЦАПы представляли собой линейные ЦАПы, имеющие увеличенную скорость избыточной дискретизации в 8 или 16 раз по сравнению с базовой скоростью обновления CD (44.1kSPS). Диапазон разрешающей способности соответствовал 16-разрядам для ранних аудио ЦАП и увеличивался до 18-20-разрядов у более поздних версий. Например, AD1865, сдвоенный 18-разрядный стерео ЦАП был представлен в 1991 году и имел увеличение избыточной дискретизации в 16-раз.
К середине 1990-х годов Σ-Δ архитектура стала вытеснять параллельные ЦАП из аудио приложений. Сигма-дельта ЦАП могли предложить более высокие уровни избыточной дискретизации, тем самым снижая требования к выходному фильтру, и предоставляя более высокий динамический диапазон с низкой дисторцией. В 1996 году были созданы следующие первые ЦАП: AD1857, AD1858 и AD1859. Эти ЦАП имели разрешение в пределах от 16 до 20-разрядов, использовали несколько интерфейсов и однополярный источник питания.
Рисунок 1.47 AD7568, увосьмерённый 12-разрядный LC²MOS умножающий ЦАП, 1991
Также в начале 90-х было представлено несколько высокоскоростных ECL ЦАП, созданных на основе биполярной технологии: AD9712 12-разрядный, 100-MSPS ЦАП и AD9720, 10-разрядный, 400-MSPS ЦАП. Большинство видео и связных ЦАП были созданы на основе технологии CMOS и являлись низкомощными, имели незначительную дисторцию и всплески (low-glitch). ADV-серии видео CMOS RAM-ЦАП продолжали свое развитие и в 90-х. В 1996 году появилось семейство 8-, 10-, 12-, 14- и 16-разрядных передающих ЦАП (TxDAC®) предназначенных для системы связи, которое продолжает свое развитие и сегодня (AD976х, AD977х и AD978х-серии).
Система прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesis) на одном кристалле появилась в 90-е годы, в большей степени из-за того, что существовала определенная простота с которой цифровая логика добавлялась к высокопроизводительному ядру CMOS ЦАП. Первым из ЦАП такого вида был AD7008, 10-разрядный, 50-MSPS DDS 1993 года выпуска, (см. рис.1.48). Вскоре после его появления были предложены и другие версии, например, 10-разрядный, 125-MSPS AD9850 (1996). Позже к системе прямого цифрового синтеза добавили возможность фазовой и частотной модуляции, умножители тактовой частоты на кристалле, имеющие большую разрешающую способность и обеспечивающие скорость обновления до 1GHz.
Рисунок 1.48 AD7008, 10-разрядный, 50-MSPS, целиком CMOS DDS, 1993
Цифровой потенциометр, являющийся высокопопулярным компонентом в настоящее время, зародился в 1989 году с выпуском первого в серии AD8800 TrimDAC®. Подстроечные ЦАП (TrimDACs) в основном были 8-разрядными ЦАП с выходным напряжением и были разработаны для замены механических потенциометров. Семейство TrimDAC стало популярным и в 1995 году был представлен первый DigiPOTs®. Основная концепция, стоящая за созданием цифрового потенциометра, было применение CMOS “string DAC” в качестве переменного резистора. AD8402 2-канальный ( 8-разрядный), AD8403 4-канальный (8-разрядный) - были первыми в 1995. С того времени серия была расширена и включала много других изделий с долговременной памятью (AD51хх, AD52хх серии).
На рис. 1.49 обобщены ключевые этапы развития ЦАП в 90-е годы.
• Умножающий ДАК: AD7568, 12-разрядный увосьмирённый, с однополярным +5 В питанием CMOS MDAC, 1991
• Аудио ЦАП
* параллельные с 8х,16х избыточной дискретизацией, начало 1990-х годов
*сигма-дельта, начиная с AD1857, AD1858, AD1859, 1996
• Видео RAM ЦАП –расширение номенклатуры изделий
• Передающие ЦАП (TxDACs) для систем связи, 1996
• Система прямого цифрового синтеза (DDS), AD9008, 1993
• Подстроечные ЦАП (TrimDACs), 1989
• Цифровые потенциометры, 1995
Рисунок 1.49. Краткий обзор: Монолитные ЦАП в 90-е годы.
Монолитные АЦП в 90-е годы.
Во время декады 90-х годов производство монолитных АЦП превалировало над модульными и гибридными преобразователями, по большему счету из-за того, что удалось значительно сократить паразитные влияния в новых ИС технологиях. AD1674 12-разрядный, 100-kSPS стробирующий SAR АЦП, представленный в 1990 году был совместим по выводам с промышленно стандартизированным AD574, созданным за 10 лет до этого. Упрощенная блок-схема AD1674 приведена на рисунке 1.50. Этот преобразователь представлял собой новое направление стробирующих АЦП, разработка которого продолжалась в течении 90-х годов, чему также способствовал возросший интерес к цифровой обработке ас сигналов.
Рисунок 1.50 AD1674, 12-разрядный, 100-kSPS стробирующий SAR АЦП, (совместим по выводам с промышленно стандартизированным AD574), 1990
Прогресс, достигнутый в разработке стробирующих АЦП, проиллюстрирован выпуском AD7880 12-разрядного 66-kSPS АЦП, 1990. Несмотря на то, что AD7880 требовал внешний источник опорного напряжения, он и в наши дни является актуальным из-за своей низкой мощности (25мВт) и +5В однополярным питанием.
Рисунок 1.51 AD7880, 12-разрядный 66-kSPS стробирующий SAR АЦП с одним +5В источником питания, LC²MOS, 1990
В 1992 году был представлен 12-разрядный 1.25 MSPS AD1671 BiCMOS стробирующий АЦП. Основная субдиапазонная конвейерная архитектура, применяемая в AD1671, была основана на предыдущей не стробирующей версии – AD671, 2-MSPS, 1990. Упрощенная блок-схема AD1671 показана на рис. 1.52.
Рисунок 1.52 AD1671, BiCMOS, 12-разрядный 1.25-MSPS стробирующий АЦП, 1992
С выпуском AD872 12-разрядного, 10-MSPS BiCMOS в 1992 году, был сделан значительный прорыв в улучшении скорости и производительности (рис.1.53). АЦП использовал конвейерную архитектуру с коррекцией ошибок.
Рисунок 1.53 AD872, 12-разрядный, 10-MSPS, BiCMOS, стробирующий АЦП, 1992
В 1996 году было выпущено 3 CMOS АЦП с однополярным питанием (+5В) на основе архитектуры, близкой к 12-разрядному AD872: AD9220 (10 MSPS), AD9221 (1MSPS) и AD9223 (3MSPS). Все три изделия использовали одинаковую конструкцию, со шкалой рабочих токов, необходимой трем опциям скорости дискретизации. Рассеивание мощности было следующим: 250 мВт (AD9220),60 мВт (AD9221),100 мВт (AD9223).
Настоящим открытием в 1995 году стало появление IF-стробирующего АЦП с широким динамическим диапазоном:
AD9042, 12 –разрядный, 41 MSPS. Функциональная схема AD9042 приведена на рис.1.54. Этот был первый преобразователь, который смог достичь больше чем 80-dВ SFDR для сигналов с большей частотой, чем 20-MHz полоса пропускания Найквиста. Он был изготовлен на основе высокоскоростной XFCB комплиментарной биполярной технологии от Analog Devices.
Рисунок 1.54 AD9042, 12- разрядный, 41MSPS, XFCB, стробирующий АЦП, 1995
Концепция полной системы сбора данных на одном кристалле осуществилась при появлении в 1993 году AD789x серии LC²MOS SAR АЦП с однополярным (+5В) питанием. Они имели до 8-каналов мультиплексированных входов и скорость дискретизации в пределах 100kSPS-600kSPS. Для предоставления более традиционных промышленно стандартизированных биполярных входов ±10В и ± 5В, серия предлагала тонкопленочные резисторные аттенюаторы / схемы сдвига уровня для сопряжения с входным диапазоном внутреннего SAR АЦП.
Значительное изменение технологии, достигнутое в 1990-е годы, позволило высокомощные 8-,9-,10-разрядные параллельные преобразователи 80-х годов заменить на низкомощные с конвейерной и складывающей (Folding - Из-за формы передаточной характеристики. Примечание редактора) архитектурой Типичным представителем был AD9054, 8-разрядный, 200-MSPS АЦП (1997). В AD9054 использована уникальная архитектура, состоящая из 5 складывающих ступеней с последующим 3-разрядным параллельным каскадом.
CMOS Σ-Δ АЦП стала избранной архитектурой для измерений, голосового канала и аудио АЦП начала 90-х. В 1990 году был выпущен первый GSM преобразователь - AD7001. Сигма-дельта также использовались во многих других голосовых и аудио преобразователях, так же как и в измеряющих АЦП с высоким разрешением. В 1992 году были выпущены 24-разрядные измерительные преобразователи семейства AD771х.
Эти преобразователи включают в себя мультиплексоры и PGA и разработаны для прямого сопряжения со многими датчиками такими как, термопары, мосты, RTD, etc. В 1997 году был выпущен AD7730 - достаточно значимый продукт этого семейства, который позволял оцифровывать сигналы на выходах ячеек с 10-мВ полношкальным напряжением свыше 80000-ми кодами, свободными от помех (16.5 разрядов). Упрощенная блок-схема AD7730 приведена на рис. 1.55.
Рисунок 1.55 AD7730, 24-разрядный Σ-Δ АЦП малых сигналов, 1997.
Другое применение Σ-Δ технологии реализовалось в конце 90-х с выпуском ADE775x серии энерго-измеряющих ИС. Эти АЦП мгновенно измеряют ток и напряжение в силовых линиях и вычисляют потребление мощности, тем самым заменяя механические устройства.
Краткое изложение основных этапов развития монолитных АЦП в 1990-е годы указано на рис. 1.56.
• AD1674, 12-разрядный, 100kSPS, стробирующий АЦП, совместимый с AD574А по выводам, 1990
• AD7880, 12-разрядный, 66kSPS LC²MOS стробирующий АЦП, 1990
• AD7001, CMOS GSM преобразователь группового сигнала, 1990
• AD771х-серия 24-разрядных Σ-Δ измерительных АЦП, 1992
• AD1671, 12-разрядный, 1.25MSPS BiCMOS стробирующий АЦП, 1992
• AD872, 12-разрядный, 10MSPS BiCMOS стробирующий АЦП, 1992
• AD9220/ AD9221/AD9223, 12-разрядные, 10/1/3MSPS CMOS стробирующие АЦП, 1996
• AD9042, 12-разрядный, 41MSPS стробирующий АЦП, 80 dВ SFDR, 1995
• AD7730, 24-разрядный, для мостовых измерений АЦП, 1997
• AD9054, 8-разрядный, 200MSPS стробирующий АЦП, 1997
• ADuC812 MicroConverter® (прецизионные АЦП, ЦАП, 8051-ядро, flash memory, 1999).
Рисунок 1.56. Итог 1990-х. Монолитные АЦП.
Из-за простоты с которой цифровые функции могут добавляться в ЦАП и АЦП, созданных на основе BiCMOS и CMOS технологий, в 1990-х возникло большое количество высоко интегрированных приложений-специфичных интегральных схем, которые продолжают развиваться и сегодня. На рис. 1.57 приведены наиболее важные области применения этих чипов. Большинство из них уже упоминались в этой главе и будут встречаться в остальных главах книги, особенно в главе 8.
В 1999 году фирма Analog Devices выпустила первый прецизионный аналоговый микроконтроллер, ADuC812 MicroConverter®. Микроконвертер включал не только прецизионную схему формирования сигналов (АЦП, ЦАП, мультиплексоры и т.п.), но также и flash память и 8051 микропроцессорное ядро. Последующие микроконтроллеры стали включать в себя Σ-Δ АЦП с более высокой разрешающей способностью (см главу 8 данной книги). Такой уровень интеграции представляет собой оптимальное решение для многих приложений общего назначения с использованием сенсоров и устройств обработки сигналов.
• Кодеры/декодеры голосового канала (вокодеры)
• Аудио кодеры/декодеры
• Компьютерные аудио кодеры/декодеры AC’97 SoundMAX®
• Порты Вход/Выход
• Терминалы смешанных ситналов: модемы, связь, CCD формирователи изображений, дисплеи с плоским экраном
• Передающие и принимающие сигнальные процессоры
• Чипсеты для прямого преобразования (Othello® radio)
• Прямой цифровой синтез
• TxDACs® с интерполяцией, фильтрами, цифровой квадратурной модуляцией и т.д.
• Чипсеты для мобильных телефонов.
• Измерители энергии
• Видео RAM ЦАП
• Видео кодеры/декодеры, кодеки, дискретизаторы сенсорной панели (touchscreen digitizers)
• Элементы микроконвертеров (высокопроизводительные АЦП, ЦАП + 8051µР ядро и flash память)
Гибридные и модульные ЦАП и АЦП в 1990-е годы.
Хотя монолитные преобразователи в значительной мере вытеснили гибриды и модули, состоящие из кристаллов и проводников, в период 1970- 1980-х годов, в начале 90-х на этом направлении было сделано несколько значительных открытий. AD9014 14-разрядный, 10-MSPS модульный АЦП, выпущенный в 1990 году представляет значительный прорыв в сфере динамического диапазона. Этот элемент достигал 90-dВ SFDR в полосе пропускания Найквиста и использовал собственные монолитные строительные блоки, которые позже были применены при проектировании полностью интегрированной конструкции в AD9042, 12-разрядном, 41MSPS АЦП, 1995.
AD1382 и AD1385, гибридные 16-разрядные, 500kSPS, стробирующие АЦП, 1992, представляли уровень того времени, а AD1385 был одним из первых АЦП, применивший автокалибровку для поддержания своей линейности.
Позднее в 90-е годы технология многокристального модуля (МСМ) стала прекрасной альтернативой дорогих модулей и кристально-проводных гибридов. Технологии дешевых корпусов позволяли высокопроизводительным монолитным АЦП, таким как AD9042, размещаться наряду с оконечными схемами. К примеру, AD10242, представленный в 1996 году (сдвоенный 12-разрядный, 41-MSPS AD9042) предлагал привлекательное по цене решение в приложениях требующих высоких характеристик от сдвоенного 12-разрядного АЦП и большей функциональности в их аналоговом front end.
Часть 1.6: Преобразователи в 2000-х
Уолт Кестер
Направления развития преобразователей, начавшиеся в 1990-х и перечисленные на рис. 1.56 и 1.57, продолжали свое совершенствование и в 2000-х годах.
Понизилось рассеивание энергии и напряжение питания. Схемы с питанием равным 5В, 3.3В, 2.5В и 1.8В следовали за уменьшением субмикронных размеров в КМОП: 0.6µm, 0.25µm и 0.18µm. Меньшие корпуса с поверхностным монтажом и chip-scale корпуса появились на замену почти устаревших DIP корпусов 70-80-х годов.
Несмотря на то, что введение высокоинтегрированных функций продолжалось, производители преобразователей осознавали, что «разумное разделение» (“smart partitioning”) может предложить более высокую производительность и более эффективное ценовое решение, чем принятие концепции “система-на-кристалле”. Эта тема более детально раскрыта в главе 4 данной книги : Технологический процесс преобоазователей.
Количество 16-разрядных и 18-разрядных стробирующих АЦП последовательного приближения, выпущенных Analog Devices, достигло 30 моделей, включая последние предложения с высоким разрешением серии Pulsar®. Например, AD7664, 16-разрядный, 570-kSPS АЦП 2000 года; AD7677, 16-разрядный, 1-MSPS АЦП 2001 года; AD7674, 18-разрядный, 800-kSPS АЦП 2003 года и AD7621, 18-разрядный, 3-MSPS АЦП 2003 года.
В 2000-х годах умножающие ЦАП общего назначения начали расширяться до 16-канальных (AD5390, AD5391), 32-канальных (AD5382, AD5383) и 40-канальных (AD5380, AD5381) ЦАП. Высокоскоростные ЦАП достигали скорости обновления равной 1-GSPS, например, у AD9858, 10-разрядного с системой прямого цифрового синтеза.
Возвратимся к IF стробирующим преобразователям, AD6645, 14-разрядный, 80-/105-MSPS АЦП, 2000 года, AD9032 12-разрядный, 210-MSPS АЦП, 2002 года. Оба преобразователя представляют собой достижение в сферах касающихся, скорости дискретизации и динамического диапазона.
Важными представителями многокристальных модулей являются AD10678, 16-разрядный, 65-/80-/105-MSPS АЦП, 2003 года; и AD12400, 12-разрядный, 400-MSPS ЦАП, 2003 года. Оба устройства использовали высоко производительные стробирующие АЦП с ИС в качестве строительных блоков для последующей цифровой обработки. В 2002 и 2003 годах серия ADuC микроконвертеров (MicroConverter® products) стала включать 16- и 24-разрядные однокристалльные Σ-Δ АЦП. Кроме того, была расширена микроконвертерная линия изделий последовательного приближения. Некоторые последующие микроконвертерные изделия 2004 года будут использовать широко популярное АRM-7-микроконтроллерное ядро.
На рис. 1.58 представлено краткое изложение основных этапов развития преобразователей в 2000-х годах.
Можно, конечно, привести массу другой информации, отражающей историю развития преобразователей. Большинство других примеров современных ЦАП и АЦП дается по ходу повествования в других главах данной книги. Заглядывая в будущее, мы можем ожидать множество новых открытий и не только в производительности, но и в уровнях интеграции.
• Продолжают расширяться Analog Front Ends (AFEs) и Multiplexed Front Ends (MxFEs®)
• 16-,18-разрядные стробирующие SAR АЦП с коммутируемыми конденсаторами серии Pulsar®
•AD7674, 18-разрядный 800kSPS АЦП, 2003
•AD7621, 16-разрядный 3MSPS АЦП, 2003
• Умножающие ЦАП: 16-канальный (AD5390, AD5391), 32-канальный (AD5382/AD5383), 40-канальный (AD5380/AD5381)
• IF- стробирующий АЦП
•AD6645 14-разрядный, 105MSPS АЦП, 2000
•AD9032 12-разрядный, 210MSPS АЦП, 2002
• Многокристальные модули (MCMs):
•AD12400, 12-разрядный, 400MSPS АЦП, 2003
•AD10678, 16-разрядный, 65/80/105 MSPS АЦП, 2003
• AD9858 10-разрядный, 1GSPS, с системой прямого цифрового синтеза (DDS), 2003
• 16-/24-разрядные Σ-Δ микроконвертеры, 2002, 2003
• Микроконвертеры на основе ARM-7, 2004
Рисунок 1.58. Этапы развития преобразователей в 2000-х годах.