Renesas e Hitachi sviluppano un circuito di conversione A/D automobilistico ad alta velocità e precisione

Presentato a ISSCC, lo sviluppo di nuovi circuiti consente la calibrazione digitale in real time del convertitore A/D Delta-Sigma con il primo algoritmo LMS multi-rate al mondo.

Renesas Electronics Corporation e Hitachi Ltd. hanno annunciato oggi una collaborazione tecnologica per consentire la calibrazione digitale in tempo reale di un modulatore delta-sigma (ΔΣ ) e un circuito convertitore da analogico a digitale (A/D).

Progettata per aumentare le prestazioni dei convertitori A/D ΔΣ per prestazioni stabili nelle difficili condizioni cui sono sottoposti i  semiconduttore automobilistici, la nuova tecnologia offre una maggiore precisione utilizzando un algoritmo least mean square (LMS) per misurare e calibrare la funzione di trasferimento di un modulatore ΔΣ in tempo reale e il primo algoritmo di ricerca LMS multi-rate al mondo, che riduce l’ordine e la frequenza operativa del circuito di ricerca dei coefficienti e del filtro digitale FIR per ridurre il consumo di energia. Il processo a 28 nm è stato utilizzato per implementare un convertitore ΔΣ A/D multi-stadio che impiega integratori sequenziali che funzionano ad alta velocità.

In precedenza, i circuiti di calibrazione digitale dovevano funzionare ad una frequenza di sovracampionamento dei convertitori A/D, ma il nuovo circuito riduce la frequenza operativa a un quarto della frequenza precedente. Di conseguenza, quando si opera a una frequenza di sovracampionamento di 480 MHz, si ottiene un funzionamento ad alta velocità e precisione con una larghezza di banda del segnale di 15 MHz e una gamma dinamica di 74,3 dB. Riducendo la frequenza operativa del circuito di calibrazione digitale a 120 MHz, si ottiene anche un funzionamento a bassa potenza, con un consumo di energia di 37 mW (analogico: 19 mW, digitale: 18 mW). Inoltre, la nuova tecnologia è stata testata per fornire prestazioni stabili in un ampio intervallo di temperature, dimostrando che è molto robusta e in grado di funzionare in condizioni critiche.

I risultati di questo sforzo congiunto con Hitachi sono stati presentati da Renesas il 18 febbraio alla Conferenza internazionale sui circuiti a stato solido (ISSCC) 2020.

Negli ultimi anni, man mano che i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e i veicoli a guida autonoma prendevano vita, è cresciuta per le automobili la necessità di incorporare una varietà di sensori, come il radar a onde millimetriche, LiDAR e sensori ad ultrasuoni, al fine di rilevare oggetti e persone e fornire consapevolezza dell’ambiente circostante il veicolo. I convertitori A/D utilizzati per convertire segnali analogici da tali sensori in segnali digitali devono funzionare ad alta velocità e con alta precisione. Inoltre, nonostante le difficili condizioni dei veicoli, è importante ottenere prestazioni stabili in tutte le condizioni operative. A tale fine Renesas e Hitachi hanno sviluppato la nuova tecnologia di calibrazione digitale in tempo reale per trasformare i convertitori A/D ΔΣ ad alta velocità e alta precisione in grado di resistere alle condizioni operative più impegnative.

Di seguito viene descritta la nuova tecnologia del circuito convertitore A/D sviluppata congiuntamente da Renesas e Hitachi. 

• Tecnologia che utilizza l’algoritmo LMS per misurare e calibrare la funzione di trasferimento di un modulatore ΔΣ in real time

Generalmente, gli integratori RC che non richiedono un condensatore di campionamento in ingresso e sono adatti per una larghezza di banda elevata, sono impiegati per aumentare la velocità di conversione del convertitore A/D ΔΣ. Questi integratori sono collegati in cascata per ottenere filtri di ordine elevato. Tuttavia, quando l’ingresso è molto grande, la precisione viene persa a causa dell’oscillazione dei modulatori ΔΣ. D’altra parte, un modulatore ΔΣ multistadio costituito da modulatori ΔΣ di ordine inferiore collegati in più stadi può essere utilizzato per ottenere un modulatore ΔΣ di ordine superiore mantenendo la stabilità del convertitore A/D ΔΣ. Tuttavia, in una configurazione a più stadi, la precisione soffre se le funzioni di trasferimento analogico e di trasferimento digitale non coincidono perfettamente, e per questo motivo tali configurazioni sono sensibili alle variazioni ambientali come i cambiamenti di temperatura.

Per risolvere la difficoltà di raggiungere una maggiore precisione, tipica dei modulatori ΔΣ multistadio, estremamente stabili, Renesas e Hitachi hanno sviluppato congiuntamente una tecnologia che calibra digitalmente la funzione di trasferimento del modulatore ΔΣ. Questa tecnologia introduce un segnale numerico pseudo-casuale all’ingresso quantizzatore del modulatore ΔΣ del primo stadio come segnale di riferimento, il che rende possibile la ricerca in background usando un algoritmo LMS della funzione di trasferimento del rumore del modulatore del primo stadio nonché, allo stesso tempo, della funzione di trasferimento del rumore del modulatore del secondo stadio.

I coefficienti cercati dall’algoritmo LMS vengono immessi nei filtri digitali FIR e il risultato del modulatore del secondo stadio viene utilizzato per annullare completamente l’errore di quantizzazione del modulatore del primo stadio, consentendo di ottenere risultati di conversione A/D ad alta precisione. Questa nuova tecnologia consente la calibrazione all’interno dei circuiti digitali che operano in background anche se le caratteristiche degli integratori analogici sono influenzate da variazioni ambientali come le variazioni di temperatura. Di conseguenza, Renesas e Hitachi sono riusciti a raggiungere sia un’elevata precisione che una robustezza in un modulatore ΔΣ multistadio altamente stabile, cosa precedentemente considerata difficile se non impossibile.

• Il primo algoritmo di ricerca LMS multi-rate al mondo che consente una riduzione della scala del circuito piccola e un basso consumo energetico

Durante la ricerca delle funzioni di trasferimento del modulatore ΔΣ utilizzando l’algoritmo di ricerca dei coefficienti basato su LMS sopra descritto, il numero di coefficienti taps richiesti dal filtro digitale FIR era molto elevato (più di 100) quando il prodotto della larghezza di banda del guadagno del circuito dell’amplificatore dell’integratore era insufficiente, il che significava che la scala dei circuiti logici sarebbe stata impraticabilmente grande. Tuttavia, è stato scoperto che l’estrazione solo delle caratteristiche della funzione di trasferimento vicino alla larghezza di banda del segnale era sufficiente per la calibrazione della funzione di trasferimento. Riducendo le informazioni di frequenza non necessarie per mezzo di un post-condizionatore, è diventato possibile ridurre sostanzialmente il numero di coefficienti di tap, anche quando il prodotto della larghezza di banda del guadagno del circuito dell’amplificatore era piccolo. Inoltre, utilizzando i registri a scorrimento, per memorizzare i dati del segnale di riferimento, Renesas e Hitachi hanno sviluppato un nuovo circuito di calibrazione utilizzando un algoritmo LMS che non è stato influenzato dal sottocampionamento. Ciò ha permesso di ridurre le frequenze operative della ricerca dei coefficienti e del filtro FIR a un quarto di quello che erano in precedenza. La prima tecnologia del circuito di calibrazione digitale al mondo ha ridotto con successo la scala del circuito riducendo al contempo il consumo di energia.

Renesas continuerà a sviluppare applicazioni pratiche per questa tecnologia per consentire la conversione A/D ad alta velocità, alta precisione e alta affidabilità dei segnali dei sensori automobilistici al fine di accelerare l’adozione diffusa della tecnologia di guida autonoma e la realizzazione di un sistema di guida più sicuro.

Considerazioni finali:

1. Le caratteristiche del convertitore A/D sul chip di prova confermano che, entro un intervallo di temperatura da −20 a 125 °C, la ricerca del coefficiente della funzione di trasferimento raggiunge l’operazione di fondo con una variazione SNR non superiore a ± 1 dB .
2. Nel nuovo convertitore A/D, il numero di coefficienti di tap del filtro FIR richiesti – quando il prodotto della larghezza di banda del guadagno del circuito dell’amplificatore dell’integratore è insufficiente – è ridotto a 10 rispetto a oltre 100 utilizzando il metodo convenzionale.