RU2523960C1 - Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input - Google Patents
Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input Download PDFInfo
- Publication number
- RU2523960C1 RU2523960C1 RU2013120247/08A RU2013120247A RU2523960C1 RU 2523960 C1 RU2523960 C1 RU 2523960C1 RU 2013120247/08 A RU2013120247/08 A RU 2013120247/08A RU 2013120247 A RU2013120247 A RU 2013120247A RU 2523960 C1 RU2523960 C1 RU 2523960C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- voltage comparator
- voltage
- source
- bus
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных устройств обработки аналоговой информации, измерительных приборах, системах телекоммуникаций и т.п.The present invention relates to the field of measuring and computing, radio engineering, communications and can be used in the structure of various devices for processing analog information, measuring instruments, telecommunication systems, etc.
В современной технике широкое применение находят параллельные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие наибольшую скорость преобразования аналоговых сигналов (uвх) в цифровые сигналы [1-27]. С повышением частоты входного напряжения uвх в таких микроэлектронных АЦП возникают существенные погрешности преобразования, обусловленные влиянием паразитных конденсаторов, образуемых емкостями на подложку активных и пассивных компонентов [28-29]. Дальнейшее повышение быстродействия параллельных АЦП - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, решение которой позволит осуществить практическую реализацию новых систем связи и телекоммуникаций с более высокими качественными показателями.In modern technology, widespread use are parallel analog-to-digital converters (ADCs), which provide the highest conversion speed of analog signals (u in ) to digital signals [1-27]. With an increase in the frequency of the input voltage u I in such microelectronic ADCs, significant conversion errors arise due to the influence of stray capacitors formed by capacitors on the substrate of active and passive components [28-29]. A further increase in the performance of parallel ADCs is one of the problems of modern information-measuring equipment, the solution of which will allow the practical implementation of new communication systems and telecommunications with higher quality indicators.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является параллельный АЦП, описанный в патенте US 7.394.420, fig.3, fig.4. Анализу его предельного частотного диапазона (fв.max), а также попыткам увеличения fв.max за счет оптимизации абсолютных значений R эталонных резисторов, посвящены статьи [28-29], в том числе соавтора настоящей заявки [29].The closest in technical essence to the claimed device is a parallel ADC, described in patent US 7.394.420, fig.3, fig.4. An analysis of its limiting frequency range (f in.max ), as well as attempts to increase f in.max by optimizing the absolute values of R reference resistors, are discussed in [28–29], including a co-author of this application [29].
АЦП-прототип, фиг.1 содержит N идентичных по архитектуре секций (фиг.2, фиг.3). Каждая из секций включает компаратор напряжения 1, первый 2 вход которого соединен с первым 3 источником входного напряжения через первый 4 эталонный резистор, а второй 5 вход компаратора напряжения 1 подключен ко второму 6 источнику входного противофазного напряжения через второй 7 эталонный резистор, причем первый 2 вход компаратора напряжения 1 связан с первым 8 источником опорного тока и первым 9 паразитным конденсатором, второй 5 вход компаратора напряжения 1 связан со вторым 10 источником опорного тока и вторым 11 паразитным конденсатором.The ADC prototype, figure 1 contains N identical in architecture sections (figure 2, figure 3). Each section includes a
Существенный недостаток АЦП-прототипа (фиг.1), одна из аналоговых секций которого показана также на чертежах фиг.2 и фиг.3, состоит в том, что его предельный частотный диапазон преобразования входных аналоговых сигналов в цифру (даже при реализации на сверхвысокочастотных транзисторах с fmax=200 ГГц техпроцесса SGB25H1, IHP, Германия [28, 29]) ограничен из-за уменьшения на высоких частотах коэффициента передачи от источников входных напряжений 3 и 6 до входов компараторов напряжения 1.A significant drawback of the ADC prototype (Fig. 1), one of the analog sections of which is also shown in the drawings of Fig. 2 and Fig. 3, is that its limiting frequency range is the conversion of input analog signals to digital (even when implemented on microwave transistors with f max = 200 GHz, the technical process SGB25H1, IHP, Germany [28, 29]) is limited due to the reduction at high frequencies of the transmission coefficient from
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении в несколько раз предельного частотного диапазона обрабатываемых сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных напряжений (источники 3, 6) ко входам компараторов напряжения 1.The main objective of the invention is to expand several times the limit frequency range of the processed ADC signals by reducing the error of transmission of input differential voltages (
Поставленная задача достигается тем, что в параллельном аналого-цифровом преобразователе с дифференциальным входом (фиг.1, фиг.2, фиг.3), каждая из N-секций которого (фиг.3) содержит компаратор напряжения 1, первый 2 вход которого соединен с первым 3 источником входного напряжения через первый 4 эталонный резистор, а второй 5 вход компаратора напряжения 1 подключен ко второму 6 источнику входного противофазного напряжения через второй 7 эталонный резистор, причем первый 2 вход компаратора напряжения 1 связан с первым 8 источником опорного тока и первым 9 паразитным конденсатором, второй 5 вход компаратора напряжения 1 связан со вторым 10 источником опорного тока и вторым 11 паразитным конденсатором, предусмотрены новые элементы и связи - первый 3 источник входного напряжения подключен к базе первого 12 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с шиной первого 13 источника питания, а эмиттер подключен к шине второго 14 источника питания через первый 15 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 16 корректирующий конденсатор связан с первым 2 входом компаратора напряжения 1.The problem is achieved in that in a parallel analog-to-digital Converter with a differential input (figure 1, figure 2, figure 3), each of the N-sections of which (figure 3) contains a
На чертеже фиг.1 приведена схема АЦП-прототипа, который содержит N-параллельно включенных секций с одинаковой архитектурой, но разными абсолютными значениями сопротивлений эталонных резисторов 4 (7) и токов I8 (I10) источников опорных токов 8 (10).The drawing of figure 1 shows the circuit of the ADC prototype, which contains N-parallel connected sections with the same architecture, but with different absolute values of the resistances of the reference resistors 4 (7) and currents I 8 (I 10 ) of the sources of the reference currents 8 (10).
На чертеже фиг.2 представлена схема фиг.1, в которой в каждой из N идентичных по архитектуре секций показаны выходные транзисторы источников опорного тока 8 и 10, имеющие емкость на подложку (Сп) и емкость коллектор-база (Ск). Таким образом, паразитные емкости 9 и 11 в схемах фиг.2 и фиг.3 определяются выходной емкостью транзисторов источников опорного тока 8 и 10 и входными емкостями компаратора напряжения 1.The drawing of FIG. 2 is a diagram of FIG. 1, in which, in each of the N architecture-identical sections, the output transistors of the reference
На чертеже фиг.3 приведена эквивалентная схема одной из аналоговых секции АЦП-прототипа фиг.2.The drawing of figure 3 shows the equivalent circuit of one of the analog sections of the ADC prototype of figure 2.
На чертеже фиг.4 показана схема аналоговой секции предлагаемого АЦП, соответствующая пп.1, 2 формулы изобретения.The drawing of figure 4 shows a diagram of the analog section of the proposed ADC, corresponding to
На чертеже фиг.5 представлена схема заявляемого АЦП в среде Cadence на моделях интегральных транзисторов (транзисторы SiGe: npn 200-п; техпроцесса SG25H1, IHP, Iк.max=4 мА, A high-performance 0.25 µm technology with npn-HBTs up to fT/fmax=180/220 GHz). При этом в схеме фиг.5 учитываются:The drawing of figure 5 presents the diagram of the inventive ADC in the Cadence environment on models of integrated transistors (transistors SiGe: npn 200-p; process technology SG25H1, IHP, Iк.max = 4 mA, A high-performance 0.25 μm technology with npn-HBTs up to f T / f max = 180/220 GHz). Moreover, in the diagram of figure 5 are taken into account:
- емкость на подложку эталонных резисторов 4 и 7, а также паразитные емкости транзисторов 12, 17;- the capacitance on the substrate of the
- паразитные входные емкости компараторов напряжения 1 (реальных дифференциальных каскадов с учетом паразитных емкостей их транзисторов).- spurious input capacitance of voltage comparators 1 (real differential stages, taking into account spurious capacitances of their transistors).
Паразитные емкости токостабилизирующих двухполюсников 15, 8, 10, 18 в данном эксперименте со схемой фиг.5 не учитываются.Spurious capacitances of the current-stabilizing two-
На чертеже фиг.6 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи по напряжению от источников напряжения 3 и 6 АЦП фиг.5 к дифференциальному входу компаратора №2 (каналы: 32, 48) при разных значениях емкости первого 16 (С 16) и второго 19 (С 19) корректирующих конденсаторов (С16=С19=Ск=0÷100 фФ). Из данных графиков следует, что предельная частота (по уровню -1 дБ) предлагаемой аналоговой секции АЦП повышается с 13,8 ГГц до 84,8 ГГц.The drawing of Fig.6 shows a logarithmic amplitude-frequency characteristic of the voltage transfer coefficient from
На чертеже фиг.7 приведена схема заявляемого АЦП в среде Cadence на моделях интегральных транзисторов (Транзисторы SiGe: npn 200-n; техпроцесса SG25H1, IHP, Iк.max=4 мА (A high-performance 0.25 µm technology with npn-HBTs up to fT/fmax=180/220 GHz.). При этом в данном эксперименте со схемой фиг.7 учитываются:The drawing of Fig.7 shows a diagram of the inventive ADC in the Cadence environment on models of integrated transistors (Transistors SiGe: npn 200-n; process technology SG25H1, IHP, Iк.max = 4 mA (A high-performance 0.25 µm technology with npn-HBTs up to f T / f max = 180/220 GHz.). In this case, in this experiment with the circuit of Fig. 7, the following are taken into account:
- емкости на подложку эталонных резисторов 4 и 7, а также паразитные емкости транзисторов 12, 17;- capacitance on the substrate of the
- паразитные входные емкости компараторов 1 (реальных дифференциальных каскадов с учетом паразитных емкостей их транзисторов).- spurious input capacitance of comparators 1 (real differential stages, taking into account spurious capacitances of their transistors).
Кроме этого токостабилизирующие двухполюсники 15, 18 в схеме фиг.7 реализованы на основе резисторов, обеспечивающих ток 1 мА, с учетом паразитных емкостей на подложку. Реальные паразитные емкости токостабилизирующих двухполюсников 8 и 10 в схеме фиг.7 моделировались подключением параллельно этим идеальным двухполюсником специальных закрытых n-p-n транзисторов с учетом их паразитных емкостей коллектор-база и емкостей на подложку.In addition, the current-stabilizing two-
На чертеже фиг.8 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи по напряжению со входов АЦП 3 и 6 (фиг.4, фиг.7) к дифференциальному входу компаратора №2 (каналы: 32, 48) при разных значениях емкости первого 16 (С 16) и второго 19 (С 19) корректирующих конденсаторов С16=С19=Ск=0÷300 фФ. Из данных графиков следует, что предельная частота аналоговой секции предлагаемого АЦП повышается с 10,4 ГГц до 51,7 ГГц.The drawing of Fig. 8 shows the logarithmic amplitude-frequency characteristic of the voltage transfer coefficient from the inputs of the
Сверхбыстродействующий параллельный аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом содержит N идентичных по архитектуре секций (фиг.4). Каждая из секций включает компаратор напряжения 1, первый 2 вход которого соединен с первым 3 источником входного напряжения через первый 4 эталонный резистор, а второй 5 вход компаратора напряжения 1 подключен ко второму 6 источнику входного противофазного напряжения через второй 7 эталонный резистор, причем первый 2 вход компаратора напряжения 1 связан с первым 8 источником опорного тока и первым 9 паразитным конденсатором, второй 5 вход компаратора напряжения 1 связан со вторым 10 источником опорного тока и вторым 11 паразитным конденсатором. Первый 3 источник входного напряжения подключен к базе первого 12 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с шиной первого 13 источника питания, а эмиттер подключен к шине второго 14 источника питания через первый 15 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 16 корректирующий конденсатор связан с первым 2 входом компаратора напряжения 1.An ultra-fast parallel analog-to-digital converter with a differential input contains N sections identical in architecture (Fig. 4). Each section includes a
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, второй 6 источник входного противофазного напряжения подключен к базе второго 17 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с шиной первого 13 источника питания, а эмиттер подключен к шине второго 14 источника питания через второй 18 токостабилизирующий двухполюсник и через второй 19 корректирующий конденсатор связан со вторым 5 входом компаратора напряжения 1.In the drawing of FIG. 4, in accordance with
Рассмотрим работу одной из аналоговых секций заявляемого АЦП (фиг.4), включающей эталонные резисторы 4, 7 и источники опорного тока 8, 10.Consider the operation of one of the analog sections of the inventive ADC (figure 4), including
В АЦП-прототипе фиг.1-фиг.3 быстродействие аналоговой части (ее предельный частотный диапазон fв.max) определяется емкостями паразитных конденсаторов 9 и 11. Практически предельная верхняя граничная частота (по уровню -1 дБ) аналоговой секции АЦП-прототипа не превышает 13-14 ГГц (фиг.6, C16=C19=Cк=0), в то время как быстродействие компаратора 1, реализованного на СВЧ SiGe транзисторах [28, 29] с fт=200 ГГц, позволяет работать в более широком частотном диапазоне (20÷50 ГГц).In the ADC prototype of FIG. 1, FIG. 3, the speed of the analog part (its maximum frequency range f in.max ) is determined by the capacitance of
В заявляемом устройстве за счет введения корректирующих конденсаторов 16 и 19 диапазон рабочих частот аналоговой секции АЦП расширяется в 5-6 раз (фиг.7, фиг.8). Это позволяет обеспечить аналого-цифровое преобразование более высокочастотных сигналов.In the inventive device due to the introduction of
Введение последовательно с корректирующими конденсаторами 16 и 19 корректирующих резисторов (фиг.5, фиг.7) позволяет оптимизировать неравномерность амплитудно-частотной характеристики аналоговой секции заявляемого АЦП, что создает условия для дальнейшего расширения предельного частотного диапазона.The introduction of corrective resistors in series with the
Таким образом, заявляемое устройство характеризуется существенными преимуществами в сравнении с прототипом по предельному частотному диапазону обрабатываемых сигналов.Thus, the claimed device is characterized by significant advantages in comparison with the prototype in the limiting frequency range of the processed signals.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Патент US 6.437.724 fig.41. Patent US 6.437.724 fig. 4
2. Патент US 6.882.2942. Patent US 6.882.294
3. Патент US 4.229.729 fig.13. US patent 4,229,729 fig. 1
4. Патент US 4.058.806 fig.2a4. Patent US 4.058.806 fig. 2a
5. Патент US 4.831.379 fig.85. Patent US 4.831.379 fig. 8
6. Патент US 5.598.161 fig.96. Patent US 5.598.161 fig. 9
7. Патентная заявка US 2010/0231430 fig.117. Patent application US 2010/0231430 fig.11
8. Патент US 4.912.469 fig.5, fig.68. US patent 4.912.469 fig. 5, fig. 6
9. Патент US 6.437.724 fig.49. US Pat. No. 6,437,724 fig. 4
10. Патент US 5.175.550 fig.210. US Pat. No. 5,175,550 fig. 2
11. Патент US 6.847.320 fig.211. US patent 6.847.320 fig.2
12. Патент US 6.882.294 fig.312. US Patent 6,882,294 fig. 3
13. Патент DE 2009/002062 fig.313. Patent DE 2009/002062 fig. 3
14. Патент US 5.307.067 fig.114. US patent 5.307.067 fig. 1
15. Патент US 4.745.393 fig.115. Patent US 4.745.393 fig. 1
16. Патент US 5.204.679 fig.116. US Patent 5.204.679 fig. 1
17. Патент US 4.719.447 fig.117. Patent US 4.719.447 fig. 1
18. Патент US 4.774.498 fig.1318. Patent US 4.774.498 fig.13
19. Патент US 4.768.016 fig.119. Patent US 4.768.016 fig. 1
20. Патент US 7.196.649 fig.120. Patent US 7.196.649 fig. 1
21. Патент US 4.752.766 fig.521. Patent US 4.752.766 fig. 5
22. Патент DE 2009/002062 fig.122. Patent DE 2009/002062 fig. 1
23. Патент US 5.231.399 fig.223. Patent US 5.231.399 fig. 2
24. Патент US 4.578.715 fig.424. Patent US 4,578.715 fig. 4
25. Патент US 4.831.379 fig.425. US patent 4.831.379 fig.4
26. Патентная заявка US 2008/03653626. Patent application US 2008/036536
27. Патент US 4.763.106 fig.127. Patent US 4.763.106 fig. 1
28. Y. Borokhovych. 4-bit, 16 GS/s ADC with new Parallel Reference Network / Y. Borokhovych, H. Gustat, C. Scheytt // COMCAS 2009 - 2009 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems28. Y. Borokhovych. 4-bit, 16 GS / s ADC with new Parallel Reference Network / Y. Borokhovych, H. Gustat, C. Scheytt // COMCAS 2009 - 2009 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems
29. Серебряков А.И. Метод повышения быстродействия параллельных АЦП / А.И. Серебряков, Е.Б. Борохович // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: Материалы научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2012. - С.150-155.29. Serebryakov A.I. Method for increasing the performance of parallel ADCs / A.I. Serebryakov, E.B. Borokhovich // Solid-state electronics. Complex functional blocks of REA: Materials of a scientific and technical conference. - M.: MNTORES them. A.S. Popova, 2012 .-- S.150-155.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013120247/08A RU2523960C1 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013120247/08A RU2523960C1 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2523960C1 true RU2523960C1 (en) | 2014-07-27 |
Family
ID=51265189
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013120247/08A RU2523960C1 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2523960C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050030216A1 (en) * | 2003-08-06 | 2005-02-10 | Linder Lloyd F. | Resistive ladder, summing node circuit, and trimming method for a subranging analog to digital converter |
US7394420B2 (en) * | 2005-09-12 | 2008-07-01 | Rohde & Schwarz Gmbh & Co., Kg | High-speed analog/digital converter |
RU2352061C1 (en) * | 2008-02-11 | 2009-04-10 | Юрий Владимирович Агрич | Differential comparator with sample of input signal |
US20100231430A1 (en) * | 2009-03-11 | 2010-09-16 | Nec Electronics Corporation | Amplifier and analog/digital converter |
-
2013
- 2013-04-30 RU RU2013120247/08A patent/RU2523960C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050030216A1 (en) * | 2003-08-06 | 2005-02-10 | Linder Lloyd F. | Resistive ladder, summing node circuit, and trimming method for a subranging analog to digital converter |
US7394420B2 (en) * | 2005-09-12 | 2008-07-01 | Rohde & Schwarz Gmbh & Co., Kg | High-speed analog/digital converter |
RU2352061C1 (en) * | 2008-02-11 | 2009-04-10 | Юрий Владимирович Агрич | Differential comparator with sample of input signal |
US20100231430A1 (en) * | 2009-03-11 | 2010-09-16 | Nec Electronics Corporation | Amplifier and analog/digital converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wei et al. | An 8 bit 4 gs/s 120 mw cmos adc | |
Harpe | A compact 10-b SAR ADC with unit-length capacitors and a passive FIR filter | |
Elsayed et al. | A low THD, low power, high output-swing time-mode-based tunable oscillator via digital harmonic-cancellation technique | |
Tretter et al. | Design and characterization of a 3-bit 24-GS/s flash ADC in 28-nm low-power digital CMOS | |
US10171102B1 (en) | Oversampled continuous-time pipeline ADC with voltage-mode summation | |
US11962318B2 (en) | Calibration scheme for a non-linear ADC | |
CN104702289A (en) | Successive approximation analog-digital converter and capacitance compensation circuit of comparator input tube thereof | |
Weiss et al. | DC-62 GHz 4-phase 25% duty cycle quadrature clock generator | |
Tretter et al. | A 24 GS/s single-core flash ADC with 3 bit resolution in 28 nm low-power digital CMOS | |
Zhai et al. | High-speed and time-interleaved ADCs using additive-neural-network-based calibration for nonlinear amplitude and phase distortion | |
US9866236B1 (en) | Appapatus and method for fast conversion, compact, ultra low power, wide supply range auxiliary digital to analog converters | |
Zhu et al. | A 10.4-ENOB 120MS/s SAR ADC with DAC linearity calibration in 90nm CMOS | |
Liu et al. | A convolutional neural network based calibration scheme for pipelined ADC | |
RU2523960C1 (en) | Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input | |
KR101960180B1 (en) | Discrete-time integrator circuit with operational amplifier gain compensation function | |
RU2518997C1 (en) | Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input | |
RU2536377C1 (en) | Ultra-high-speed parallel analogue-to-digital converter with differential input | |
RU2513716C1 (en) | High-speed analogue-to-digital converter with differential input | |
RU2535458C1 (en) | Ultra-high-speed parallel differential analogue-to-digital converter | |
RU2384936C1 (en) | Controlled two-stage differential amplifier with inphase negative feedback | |
Buck et al. | A 6-GS/s 9.5-b Single-Core Pipelined Folding-Interpolating ADC With 7.3 ENOB and 52.7-dBc SFDR in the Second Nyquist Band in 0.25-$\mu $ m SiGe-BiCMOS | |
RU2321156C1 (en) | Broadband amplifier | |
US11581895B2 (en) | Analog-to-digital converter circuit | |
Denisenko et al. | New and perspective directions for the development of active RC-and RLC-filter architectures of the Sallen-Key family | |
RU2479109C1 (en) | Selective amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150501 |