High-Accuracy Digital to Analog Converter Dedicated to Sine-Waveform Generator for Avionic Applications

De nos jours, malgré les avancées remarquables de la microélectronique, les systèmes avioniques emploient essentiellement des technologies vieillissantes afin de répondre aux normes de sécurité exigeantes des systèmes avioniques. La nouvelle génération d'avionique modulaire intégrée (AMI) des More Electric Aircrafts (MEA), nécessite des architectures de réseaux stables et fiables, employant des modules électroniques intégrables modernes qui restent à être conçus et développés. Suivant cette tendance, une interface générique intelligente pour capteurs (Smart Sensor Interface - SSI), dédiée aux capteurs de position avionique est proposée dans ce mémoire. Le circuit intégré SSI fera partie d'un réseau de capteurs AFDX amélioré et est composé de signaux d'excitation et de modules d'acquisition de données. Les efforts de conception sont concentrés sur l'unité de génération de signaux d'excitation (Excitation Signal Generation - ESG) de la SSI. En tant que lien entre le réseau AFDX et les capteurs de déplacement, l'unité ESG doit générer des signaux sinusoïdaux précis, d'une fréquence allant de 1.5 kHz à 10 kHz. En respectant la programmation de l'interface, nous démontrerons qu'une architecture de générateur de signaux basée sur la mémoire est la seule option qui réponde aux objectifs du design. Le design d'un convertisseur numérique-analogique (CNA) basé sur le principe du sur-échantillonnage et faisant partie du chemin ESG est également présenté dans ce travail. Ce CNA est le noyau d'un générateur de signaux sinusoïdaux versatile conçu pour le système SSI proposé. Un taux d'échantillonnage élevé est utilisé dans ce CNA, de façon à obtenir un rapport signal sur bruit (Signal to Noise Ratio - SNR) élevé. Une analyse de l'impact d'une implémentation carrée et non-carrée de la matrice de sources de courant (Current Source Array - CSA) sur la performance de la séquence de commutation est présentée. Il sera démontré que la considération de tels impacts conduit à la conception de CNA plus précis. Une séquence de commutation optimale pour la taille du CSA conçu, sera introduite. Afin de réduire la taille des plots d'entrées et de sorties de la puce, un convertisseur de données série à parallèle haute-vitesse est inclu dans le CNA. Ainsi, les données d'entrée peuvent être envoyées de façon sérielle à un registre à décalage et appliquées de façon interne au noyau du CNA.

Abstract

Today, despite the astonishing advances in the field of Microelectronics, avionics systems are mostly employing older technologies to guarantee the level of reliability required by stringent safety standards of avionic systems. Toward the new generation of Integrated Modular Avionics (IMA) in More Electric Aircrafts (MEA), reliable and stable network architecture which employs modern integrated electronic modules must be designed and developed. In this trend, a generic Smart Sensor Interface (SSI) for avionics displacement sensors will be proposed in this Master thesis. The integrated SSI circuit will be part of an improved AFDX sensor network and consists of signal excitation and data acquisition paths. The design efforts of this Master thesis will focus on the Excitation Signal Generation (ESG) unit of the SSI. As a link between AFDX network and displacement sensors, the ESG unit should generate pure and accurate sine-waveform with variable frequency between 1.5 kHz and 10 kHz. Respecting the programmability of the interface, it will be shown that a memory-based signal generator architecture is the only choice which supports the design objectives. As part of the ESG path, the detailed design of a 10-bit interpolating digital to analog converter (DAC) will also be presented in this work. The DAC is the core of a versatile sine-waveform generator unit designed for avionics SSI. High-speed sample rate will be used in this segmented current steering DAC in order to achieve a high Signal to Noise Ratio (SNR). In the module level design of the DAC, the impact of square and non-square implementation of the current source array (CSA) on the performance of the switching sequence is introduced. It will be shown that considering such impacts will lead to the design of more accurate DACs. An optimum switching sequence for the designed CSA size will be designed and introduced. In order to reduce the I/O pads of the chip, high-speed serial to parallel converter will be included in the DAC. Thus the input data can be serially sent to the input shift register and internally applied to the DAC core. The DAC was fabricated on 1.2 × 1.2 mm2 chip fabricated using IBM 0.13µm CMOS technology, operating with a supply voltage of 1.2 V. Sourcing a sine wave current with a peak of 1023 µA, the proposed DAC is able to achieve a SNR better than 84 dB in the Nyquist bandwidth of DC to 20 kHz.