Οι αναλογικοί με ψηφιακούς μετατροπείς Sigma-delta (ADCs) είναι η ραχοκοκαλιά των συστημάτων μέτρησης υψηλής ακρίβειας, από την ιατρική οργάνων ακριβείας μέχρι τον έλεγχο υψηλής ποιότητας ήχου και βιομηχανικής διαδικασίας. Η μοναδική αρχιτεκτονική τους επιτυγχάνει υψηλή ανάλυση μέσω της διαμόρφωσης υπερδειγματοληπτικής και θορύβου, αλλά η διατήρηση αυτής της ανάλυσης απαιτεί εξαιρετική γραμμικότητα. Η μη γραμμικότητα εισάγει αρμονική παραμόρφωση και υποβαθμίζει τον αποτελεσματικό αριθμό των bits (ENOB), άμεσα συμβιβαστική ακρίβεια μέτρησης. Το άρθρο αυτό εξετάζει τις πηγές της μη γραμμικότητας σε sighma-delta ADCs και παρουσιάζει αποδεδειγμένες στρατηγικές για την ενίσχυση της γραμμικότητας για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές υψηλής ακρίβειας.

Κατανόηση της Γραμμικότητας στη Sigma-Delta ADCs

Η γραμμικότητα σε ένα ADC περιγράφει πόσο πιστά ο ψηφιακός κωδικός εξόδου αντιστοιχεί στην αναλογική τάση εισόδου σε όλο το εύρος εισόδου. Δύο βασικές μετρήσεις ποσοτικοποιούν τη γραμμικότητα: την ολοκληρωμένη μη γραμμικότητα (IDL) και τη διαφορική μη γραμμικότητα (DNL). Το INL μετράει την απόκλιση της πραγματικής λειτουργίας μεταφοράς από μια ιδανική ευθεία γραμμή, ενώ το DNL αποτυπώνει την ομοιομορφία των βαθμιδωτών μεγεθών μεταξύ παρακείμενων κωδικών. Σε sighma-delta ADCs, η μη γραμμικότητα εκδηλώνεται ως ανεπιθύμητοι παραμορφωτικοί τόνοι και αρμονική παραμόρφωση, ειδικά όταν το σήμα εισόδου είναι κοντά σε πλήρη κλίμακα ή έχει περιοδική φύση. Επειδή οι sighma-delta modulators ωθούν τον θόρυβο ποσοτικοποίησης σε υψηλές συχνότητες, οποιοδήποτε ντετερμινιστικό μοτίβο στο σφάλμα μπορεί να διπλώσει πίσω στη βασική ζώνη, διαφθείροντας το σήμα.

Οι κύριες πηγές μη γραμμικότητας σε ADCs sigma-delta περιλαμβάνουν:

  • Εξάρτηση μοτίβου σφάλματος ποσοτικοποίησης[ ⁇ Σε διαμορφωτές χαμηλής τάξης, το σφάλμα ποσοτικοποίησης μπορεί να συσχετιστεί με την είσοδο, παράγοντας αργότονους τόνους.
  • Αναλογικές ατέλειες κυκλωμάτων ⁇ Μη γραμμικές ιδιότητες σε επιχειρησιακούς ενισχυτές, πυκνωτές, διακόπτες και ρυθμιστές αναφοράς εισάγουν παραμόρφωση.
  • Αδιακρίτως του καθετήρα ⁇ Σε ολοκληρωτές με μετατροπές, οι αναντιστοιχίες μεταξύ πυκνωτών μονάδων δημιουργούν σφάλματα εξαρτώμενα από το σήμα.
  • Κλοκ-τζίττερ ⁇ Τυχόν διακυμάνσεις στις στιγμές δειγματοληψίας μετατρέπουν σε θόρυβο και αρμονική παραμόρφωση, ιδιαίτερα σε υψηλές συχνότητες.

Η συστηματική αντιμετώπιση αυτών των πηγών είναι απαραίτητη για την επίτευξη των επιπέδων ακρίβειας 16 έως 24-bit που απαιτούνται για τη ζύγιση ακριβείας, την απόκτηση δεδομένων και τις διεπαφές αισθητήρων.

Βασικές πηγές μη-Linearity

Πυκνωτής Ασυμβατότητα και εγχύσεις φόρτισης

Οι ανοχές κατασκευής προκαλούν τυχαία αναντιστοιχία, οδηγώντας σε κέρδη λάθη και μη γραμμικότητα. Η έγχυση φόρτισης από τους διακόπτες MOS στρεβλώνει περαιτέρω τη μεταφορά φόρτισης, ειδικά καθώς αλλάζει η τάση εισόδου. Οι τεχνικές δυναμικής ταίριαξης στοιχείων (DEM) μπορούν να μετριάσει την αναντιστοιχία, αλλά εισάγουν πολυπλοκότητα στον ψηφιακό τομέα.

Επιχειρησιακός ενισχυτής μη-Linearity

Ο ενισχυτής λειτουργίας του εντευκτήρα (op-amp) πρέπει να έχει εξαιρετικά υψηλό κέρδος ανοικτής loop και επαρκές εύρος ζώνης για να εγκατασταθεί με ακρίβεια μέσα σε μια φάση ⁇ ολογιού. Το κέρδος αποφέρει κέρδος λάθος; μη γραμμική αντίσταση εξόδου παράγει αρμονική παραμόρφωση. Για σχέδια υψηλής γραμμικότητας, op-amps είναι συχνά σχεδιασμένα με την ενίσχυση κέρδους ή δομές κασκόδε, και οι τεχνικές διάταξης ελαχιστοποιούν παρασιτικές δυνατότητες.

Μη Ιδεότητες Quantizer

Σε πολυbit sigma-delta διαμορφωτές, το εσωτερικό quantizer του συγκριτή ή flash ADC στάδια υποφέρουν από όφσετ αναντιστοιχία και υστερήσεις. Αυτές οι ατέλειες δημιουργούν νεκρές ζώνες ή ανομοιόμορφες τάσεις κατωφλίου, εισάγοντας τόσο DNL και INL λάθη.

Αναφορά τάσης και θόρυβος εφοδιασμού

Οι εσωτερικές ⁇ γες αναφοράς και τροφοδοσίας του ADC πρέπει να είναι εξαιρετικά καθαρές. Η μετατόπιση ή η θερμική μετατόπιση στην αναφορά μεταφράζεται άμεσα σε κέρδη και παραμόρφωση.

Στρατηγικές για τη βελτίωση της Γραμμικότητας

1. Τεχνικές διαθλασμού

Το Dither περιλαμβάνει την προσθήκη ενός μικρού, μη συνδεδεμένου τυχαίου σήματος (συνήθως στο επίπεδο LSB) πριν από το quantizer. Διακοσμεί το σφάλμα ποσοτικοποίησης από την είσοδο, διαλύοντας τους τόνους αδράνειας και μειώνοντας την αρμονική παραμόρφωση. Το dither μπορεί να είναι αναλογικό — εγχέεται μέσω μιας ακριβούς τυχαίας πηγής ρεύματος — ή ψηφιακή, όπου μια ψευδο-τυχαιοποιημένη ακολουθία προστίθεται στην έξοδο του quantizer και αφαιρείται αργότερα. Η ανταλλαγή είναι μια μικρή αύξηση του δαπέδου θορύβου, αλλά η βελτίωση της γραμμικότητας είναι συχνά δραματική. Για τους διαμορφωτές υψηλής τάξης, προσεκτικά διαμορφωμένο dither μπορεί να ελαχιστοποιήσει την ποινή θορύβου, ενώ καταστέλλοντας τόνους.

2. Βαθμονόμηση και ψηφιακή διόρθωση

Η ψηφιακή βαθμονόμηση αντισταθμίζει τις αναλογικές μη-ιδανικότητες με την προσαρμογή συντελεστών ή διορθωτικών όρων σε πραγματικό χρόνο. Δύο κοινές προσεγγίσεις είναι:

  • Διακρίβωση εδάφους[ ⁇ Εκτελείται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας εκκίνησης ή της λειτουργίας βραδυπορίας, εφαρμόζεται γνωστό σήμα δοκιμής και η απόκλιση μετράται για τον υπολογισμό των παραμέτρων διόρθωσης.
  • Βαθμονόμηση υποβάθρου ⁇ Συνεχώς ρυθμίζει τις παραμέτρους κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας χρησιμοποιώντας συσχέτιση ή έγχυση ενός μικρού πιλοτικού τόνου. Η βαθμονόμηση υποβάθρου είναι απαραίτητη για εφαρμογές που απαιτούν αδιάλειπτη ακρίβεια πάνω από τη θερμοκρασία και τη γήρανση.

Οι αλγόριθμοι ψηφιακής διόρθωσης μπορούν επίσης να αντισταθμίσουν την αναντιστοιχία πυκνωτών με την αποθήκευση μετρημένων βαρών και την εφαρμογή μιας διόρθωσης παρόμοιας με FIR μετά το φίλτρο αποδεκατισμού. Για περαιτέρω ανάγνωση της ψηφιακής βαθμονόμησης σε ADCs sigma-delta, δείτε το Analog Devices τεχνικό άρθρο σχετικά με τις τεχνικές βαθμονόμησης.

3. Τοπολογικές βελτιώσεις Modulator

Αποτύπωση θορύβου υψηλής ποιότητας

Η αύξηση της τάξης του διαμορφωτή ωθεί περισσότερο τον θόρυβο ποσοτικοποίησης από τη ζώνη ενδιαφέροντος, μειώνοντας το σφάλμα στη ζώνη και την ανάγκη για εξαιρετικά γραμμικά αναλογικά συστατικά. Ωστόσο, η σταθερότητα γίνεται πιο προκλητική. Cascade (MASH) τοπολογίες διανέμουν το θόρυβο ποσοτικοποίησης σε πολλούς βρόχους και να τα ανασυνδυάσουν ψηφιακά, επιτυγχάνοντας εξαιρετική γραμμικότητα χωρίς ανησυχίες σταθερότητας.

Πολυbit Quantizers

Η αντικατάσταση ενός quantizer ενός bit με ένα πολυbit quantizer (π.χ., 3-bit ή 4-bit) μειώνει το μέγεθος του βήματος quantization και βελτιώνει εγγενώς τη γραμμικότητα μειώνοντας το εύρος σφάλματος quantization. Το trade-off είναι ότι το εσωτερικό DAC στη διαδρομή ανάδρασης πρέπει να είναι εξαιρετικά γραμμικό. Δυναμικό στοιχείο που ταιριάζει (DEM) ή οι αλγόριθμοι στάθμισης δεδομένων (DWA) χρησιμοποιούνται για να διαμορφώσουν το σφάλμα αναντιστοιχίας του DAC, καθιστώντας το να συμπεριφέρεται σαν ένα στοιχείο υψηλής γραμμικότητας.

Τοπολογίες Feedforward εναντίον Feedback

Οι αρχιτεκτονικές feedforward μειώνουν την ταλάντωση του σήματος στις εξόδους του integator, μειώνοντας τη στρέβλωση από op-amp μη γραμμικότητα. Οι τοπολογίες ανατροφοδότησης προσφέρουν καλύτερη εγγενή σταθερότητα αλλά απαιτούν μεγαλύτερες ταλαντώσεις σήματος. Επιλέγοντας τη σωστή τοπολογία για την απαιτούμενη γραμμικότητα και το SNR είναι μια κρίσιμη απόφαση σχεδιασμού.

4. Βελτιστοποιήσεις κυκλώματος-επίπεδο

Σε επίπεδο τρανζίστορ, αρκετές τεχνικές ενισχύουν τη γραμμικότητα:

  • Διακόπτες με ολίσθηση ⁇ Διατηρήστε σταθερή τάση πύλης-πηγής κατά τη δειγματοληψία, μειώνοντας την αντίσταση διακόπτη και την έγχυση φόρτισης.
  • Βοήθεια με Gain σε op-amps ⁇ Αυξάνει το κέρδος ανοικτής loop για τη μείωση του λάθους κέρδους και τη βελτίωση της γραμμικότητας καθίζησης.
  • Η κοινή ανατροφοδότηση (CMFB) σταθεροποίησης ⁇ Εξασφαλίζει την έξοδο της τάσης κοινής λειτουργίας του εντεταιστή παραμένει σταθερή, εμποδίζοντας τη στρέβλωση.
  • Συμμετρία Layout ⁇ Ταιριασμένες συστοιχίες πυκνωτών και διαφορικές διαδρομές σήματος ελαχιστοποιούν τις συστηματικές αντισταθμίσεις και αναντιστοιχία.

5. Προβληματισμοί επιπέδου συστήματος

Η γραμμικότητα δεν είναι καθαρά ένα αναλογικό πρόβλημα· ο σχεδιασμός του συστήματος παίζει σημαντικό ρόλο.

  • Απορρίψη του κοκ-κλικ ⁇ Χρήση PLL χαμηλής ταχύτητας ή εξωτερικών κρυστάλλων ταλαντωτών. Οι ρυθμιστές Sigma-delta είναι ευαίσθητοι στο κύλισμα ⁇ ολογιού επειδή εισάγει αβεβαιότητα δειγματοληψίας.
  • Απομόνωση τροφοδοσίας ισχύος ⁇ Χωριστές αναλογικές και ψηφιακές ⁇ γες τροφοδοσίας με χάντρες φερρίτη και ρυθμιστές χαμηλής πτώσης (LDOs).
  • Θερμική διαχείριση ⁇ Οι βαθμίδες θερμοκρασίας σε όλο το τσιπ προκαλούν αναντιστοιχία.
  • Layout βέλτιστες πρακτικές ⁇ Αποφύγετε τη δρομολόγηση ψηφιακών σημάτων κοντά σε ευαίσθητους αναλογικούς κόμβους. Χρησιμοποιήστε δακτύλιους φρουράς και βαθιά Ν-πηγή για να απομονώσετε το θόρυβο του υποστρώματος.

Προηγμένες Τεχνικές: Δυναμικό στοιχείο που ταιριάζει και δεδομένα μετρίου

Για τα πολυbit sigma-delta ADCs, η γραμμικότητα της DAC είναι συχνά το σημείο συμφόρησης. Το δυναμικό στοιχείο που ταιριάζει (DEM) περιστρέφεται τη χρήση των στοιχείων DAC μονάδας (τρέχουσες πηγές ή πυκνωτές) έτσι ώστε τα λάθη αναντιστοιχίας μετατρέπονται σε θόρυβο ευρείας ζώνης και όχι αρμονική παραμόρφωση. Η μετρητική μέτρηση δεδομένων (DWA) είναι ένας δημοφιλής αλγόριθμος DEM που χρησιμοποιεί την έξοδο του μετρητή για να επιλέξει στοιχεία τέτοια ώστε το σφάλμα αναντιστοιχίας να είναι σε σχήμα πρώτης τάξης, προωθώντας το μακριά από τη βασική ζώνη. Η DWA μπορεί να βελτιώσει δραματικά τη γραμμικότητα χωρίς να προσθέσει σημαντικούς ψηφιακούς πόρους. Αυτό το χαρτί IEE στο DWA παρέχει μια λεπτομερή θεωρητική ανάλυση και ανάλυση απόδοσης.

Συμπέρασμα

Η επίτευξη υψηλής γραμμικότητας σε ADC sigma-delta για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας απαιτεί μια πολυδιάστατη προσέγγιση. Η αύξηση της τάξης του διαμορφωτή, η χρησιμοποίηση πολλαπλών quantizers με αλγόριθμους DEM, η προσθήκη dither, η εφαρμογή ψηφιακής βαθμονόμησης και η βελτιστοποίηση αναλογικών κυκλωμάτων συμβάλλουν όλα στη μείωση της στρέβλωσης και στη βελτίωση της INL/DNL. Μέτρα επιπέδου συστήματος όπως τα ρολόγια χαμηλής ταχύτητας, οι καθαρές τροφοδοτικές δυνάμεις και η προσεκτική διάταξη είναι εξίσου απαραίτητες. Καθώς οι κόμβοι διαδικασιών συρρικνώνονται και τα ποσοστά δεδομένων αυξάνονται, η συνεχής καινοτομία στη βαθμονόμηση και η ψηφιακή διόρθωση θα ωθήσει ακόμη περισσότερο τη γραμμικότητα του sigma-delta. Για μια βαθύτερη κατάδυση σε πρακτική εφαρμογή, συμβουλευτείτε [FLT0] την εφαρμογή του FL-Time για την εφαρμογή του SD[Tigma][A4][Axdelt][Adec][Adecutility][F]][F]].