Georgi Radulov studeerde in 2001 als elektrotechnicus af aan de Technische Universiteit van Sofia. In 2004 sloot hij een post-masterstudie aan het Stan Ackermans Instituut. Op een gegeven moment bood zich de mogelijkheid aan om een STW-promotieproject te beginnen dat op zijn lijf geschreven was: ‘het ontwikkelen van een betere digitaal-analoogomzetter oftewel DA-converter — kortweg DAC’. De grote uitdaging van het project was een onderwerp waar alleen iemand met veel kennis op het gebied van chipdesign mee verder komt.
Het gaat om het complexe samenspel tussen elektrische stromen, temperatuur, verwerkingssnelheid, meetnauwkeurigheid en het ijken van halfgeleidertransistoren. Radulov: “We wilden een DAC maken die flexibel zou kunnen reageren op veranderende systeemfactoren. Het zou een systeem moeten worden dat zichzelf automatisch kan kalibreren (afstellen), zodat je heel precieze omzetting van een digitale waarde naar een analoge krijgt.”
Twee typen fouten
Het onderzoek begon met het classificeren van alle soorten storingsbronnen. De belangrijkste indeling van dit soort storingen is in systeemfouten en randomfouten. De eerste soort fouten ontstaat door bepaalde fabricageprocessen of ontwerpbeperkingen bij een chip. Als bijvoorbeeld twee transistoren op een chip naast elkaar liggen, dan kunnen ze elkaar beïnvloeden.
Ook kunnen de fysieke eigenschappen van transistoren onderling licht van elkaar verschillen, waardoor kleine afwijkingen in stroom of spanning van het uitgangssignaal ontstaan. En dan zijn er nog de vele elektrische verbindingen op een chip, die putjes in de spanningscurve kunnen veroorzaken. Volgens Radulov zijn voor de meeste van dit soort systeemfouten al een heleboel elektronische trucs beschikbaar. “Bij de randomfouten ligt dat anders. Daar kun je met de elektronische trukendoos niet veel doen.”
De stoorsignalen in een DAC zijn goed met formules te beschrijven. Het probleem is vooral het willekeurig gedrag van elektronen in een halfgeleider. “Een van de dingen die je uit de natuurkundige vergelijkingen daarvoor kunt afleiden, is dat als je de transistoren fysiek groter maakt, er minder fouten in het digitaal naar analoog traject zullen zijn. Er ontstaat dan een soort natuurlijk gemiddelde van de storingen die elektronen veroorzaken.” Wat ook helpt om de mismatch tegen te gaan, is het aanleggen van een paar volt hogere spanning. Maar beide maatregelen hebben nadelen: grote transistoren kunnen niet meer zo snel schakelen, en een hogere spanning voert tot meer energieverbruik.
“We zochten intelligente elektronische systemen, die zelf voor fouten kunnen compenseren.”
Niet groter, maar slimmer
“De natuurlijke grenzen zorgen ervoor dat je niet veel nauwkeuriger een digitale waarde in een nauwkeurige analoge stroom kunt omzetten dan waarden met ongeveer elf bits. Wil je één enkele bit meer nauwkeurigheid, dan moet je vier keer zo grote transistoren maken. En zulke grote transistoren zijn erg onpraktisch. Dus wat we zoeken, zijn intelligente elektronische systemen, die zelf voor de randomfouten kunnen compenseren.”
Op dit punt begon voor Radulov een lange zoektocht. “De meeste ervaring had ik op het gebied van digitale schakelingen. In dat gebied los je problemen op door modellen te maken, en dan een algoritme te programmeren in een processor (een zogeheten finite state machine). Maar voor dit probleem moest ik diep in de analoge elektronica duiken. Dan krijg je te maken met thema’s als niet-lineariteit, signaal-ruisverhouding, versterkingsfactoren, et cetera. Ik pakte de boel zo aan dat ik mijn kennis uit het digitale terrein kon gebruiken voor het oplossen van deze analoge problematiek.”
Linksom én rechtsom
Radulov ging de uitdagingen met twee verschillende strategieën te lijf. Allereerst bouwde hij een systeem waarin een op de DAC-chip aangebrachte extra digitale processor ‘het brein’ achter de digitaalanaloogschakelingen wordt. De processor vergelijkt daarbij duizenden keren per seconde de stroom van de uitgangsschakelaars met die van een heel nauwkeurige referentiestroom, en berekent dan de beste instellingen voor de transistoren. Deze zogeheten DAC self-calibration method publiceerde Radulov in 2005 op een van de belangrijkste conferenties van het vakgebied, European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), met zeer veel positieve reacties. Het leverde hem ook twee US-patenten op.
De tweede strategie die Radulov volgde, was die van redundantie (‘dubbeling’). Het idee is vergelijkbaar met de strategie van digitale processoren: als de rekenprocessoren (de cores) niet sneller kunnen worden door het opvoeren van de kloksnelheid, dan laat je twee of meer chips parallel (naast elkaar) rekenen om de rekensnelheid toch op te voeren. Dit idee van multi-cores beschrijft ook het nieuwe principe voor het nauwkeuriger maken van digitaal-analoogomzetters: neem meerdere digitaal-analoogomzetters, schakel deze parallel aan elkaar en gebruik de extra omzetcapaciteit om de nauwkeurigheid te verhogen.
“We maakten daarvoor de kleinste DAC ooit gebouwd. Daarvan plaatsen we zestien stuks parallel aan elkaar. Elke omzetter op zichzelf is relatief onnauwkeurig. Maar door ze slim parallel aan elkaar te laten werken, en de uitgangsstroom te ijken, kun je een snelle, flexibele en uiterst nauwkeurige DAC maken” zegt Radulov.
Op naar meer
Het artikel waarin hij het principe voor het eerst beschreef, won in 2008 de prijs voor beste Student Paper op een internationale conferentie van het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) in Macau, China. Dit jaar verscheen van zijn hand een boek waarin het principe van dit soort intelligente en flexibele DAC’s beschreven wordt. Momenteel werkt Radulov verder op dezelfde manier als tijdens zijn promotieonderzoek; halftijds als adviseur voor het chipbedrijf Xilinx, en halftijds aan de TU Eindhoven.
“Het promotieonderzoek was maar een kleine stap in een veel groter onderzoeksprogramma, waarin we voortdurend snellere, nauwkeurigere en slimmere DAC’s willen maken. We werken momenteel aan state-of-the-art DAC’s, waarbij de transistoren nog kleiner worden, en waarbij we vooral kijken hoe de synchronisatie tussen de onderdelen daarvan zich laat optimaliseren. Eindhoven is dé stad voor dit soort onderzoek. Ik vind het geweldig dat ik daarbij als een soort brug tussen wetenschappelijk onderzoek en industrieel werk kan fungeren.”
Het promotieonderzoek van Georgi Radulov is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van de Technologiestichting STW.
Meer over elektrotechniek op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/elektrotechniek/digitaal/analoog/index.atom?m=of", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}
Lees de andere artikelen gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2011 :
- Linda van den Bedem – ‘Een gevoelige operatierobot’
- Marlies Kampschreur – ‘Minder luchtvervuiling bij het zuiveren van water’
- Robin Ohm – ’Hoe het waaiertje het licht ziet
- Dorinde Kleinegris – ‘Kun je algen melken?’
- Richard Lopata – ‘Geluid onderzoekt spier’
- Eduardo Margallo Balbás – ‘Weefsel lezen met laserlicht’
- Simon Mathijssen – ‘Een zichzelf assemblerende transistor’
- Alina Tarău – ‘Regeltechniek helpt koffers op weg’
- Yvonne Te Welcher – ‘De klein schimmeldoder’