Sigma-delta analogia-digitaalimuuntimet (ADC) ovat terävän tarkkuuden mittausjärjestelmien selkäranka, tarkkuuslääketieteen instrumentoinnista korkean tason audio- ja teollisuusprosessien hallintaan. Niiden ainutlaatuinen arkkitehtuuri saavuttaa korkean resoluution yliampumisen ja melun muotoilun avulla, mutta sen säilyttäminen vaatii poikkeuksellista lineaarisuutta. Ei-lineaarisuus tuo mukanaan harmonisen vääristymän ja heikentää suoraan mittaustarkkuuden vaarantuvaa tehokasta määrää bittejä. Tässä artikkelissa tarkastellaan ei-lineaarisuuden lähteitä sigma-delta ADC:issä ja esitetään testattuja strategioita, joilla parannetaan lineaarisuutta vaativimmissa korkean tarkkuuden sovelluksissa.

Lineaarisuuden ymmärtäminen Sigma-Delta ADC:issä

Lineaarisuus ADC kuvaa, kuinka uskollisesti digitaalinen lähtökoodi vastaa analogista tulojännitettä koko tuloalueella. Kaksi avainmittaria, jotka mittaavat lineaarisuutta: integraali epälineaarisuus (INL) ja ero ei-lineaarisuus (DNL). INL mittaa todellisen siirtotoiminnon poikkeamaa ihanteellisesta suorasta linjasta, kun taas DNL kaappaa vierekkäisten koodien välisten askelkokojen yhdenmukaisuuden. Sigma-delta ADC:t, epälineaarisuus ilmenee ei-toivotuna kiihkeänä sävynä ja harmonisena vääristymänä, erityisesti kun syötesignaali on lähes täysimittainen tai on luonteeltaan ajoittainen. Koska sigma-delta modulaattorit työntävät kvantitaation melua korkeille taajuuksilla, mikä tahansa deterministinen kuvio virheessä voi taittua takaisin peruskaistaan, korruptoi signaalin.

Primaarilähteet epälineaarisuus sigma-delta ADC ovat:

  • Quantization error failure facilities dependence ... ..........................................................................................................................................................................................................................
  • Analoginen virtapiirin epätäydellisyydet[ ... ...................................................................................................................................................................................................................................
  • ]Kapentaattorin epäsuhta [ .
  • Kello jitter[ ... Satunnainen vaihtelu näytteenottohetkessä muuttuu meluksi ja harmoniseksi vääristymäksi, erityisesti korkeilla taajuuksilla.

Näiden lähteiden järjestelmällinen käsittely on olennaisen tärkeää, jotta saavutetaan tarkkuuspunnituksessa, tietojen hankinnassa ja anturin rajapinnoissa vaadittavat 16-24-bittiset tarkkuustasot.

Lineaarisuuden tärkeimmät lähteet

Kondensaattorin vika ja lataus

Switched-capconductor integrator integraattorit luottavat kondensaattoreiden tarkkoihin suhdelukuihin. Valmistustoleranssit aiheuttavat satunnaista eroavuutta, mikä johtaa virheisiin ja epälineaarisuuteen. MOS-kytkimet vääristävät edelleen latausta, varsinkin kun syöttöjännite muuttuu. Dynaaminen elementtien vastaavuus (DEM) tekniikoilla voidaan lieventää eroavuutta, mutta ne tuovat mukanaan monimutkaisuutta digitaalisessa verkkoalueella.

Toiminnallinen vahvistin, muu kuin Lineaarisuus

Integraattorin toimintavahvistimen (op-amp) on oltava erittäin suuri avoimen kierron voitto ja riittävä kaistanleveys asettua tarkasti kellon vaiheessa. Finiitti voitto aiheuttaa voittovirheen; epälineaarinen ulostulon vastus aiheuttaa harmonista vääristymää. Korkean lineaarisuuden malleja varten op-ampeissa on usein suunniteltu ennakonvahvistus- tai kaskokodeilla rakenteita, ja asettelutekniikat minimoivat loiskapasitanssit.

Quantizer ei-ihanteet

Monibittisissä sigma-deltamodulaattoreissa sisäiset quantizeri- tai flash-akkutason ADC-vertailut kärsivät offset-erosta ja hystereesistä. Nämä puutteet luovat kuolleita vyöhykkeitä tai epätasaisia kynnysjännitteitä, jotka tuovat mukanaan sekä DNL- että INL-virheitä. Offset-kalibrointi ja esiamplisointi auttavat vähentämään näitä vaikutuksia.

Jännitevertailu ja syöttömelu

ADC.Sinisen referenssijännitteen ja virransyöttökiskon on oltava poikkeuksellisen puhdas. Ripple tai lämpöliukumäki viitassa suoraan tarkoittaa saada virheitä ja vääristymiä. Omistetut matalaäänisäätimet, irrotusverkot ja suojarenkaat ovat standardikäytäntöjä.

Lineaarisuuden parantamista koskevat strategiat

1. Dither-tekniikat

Dither liittyy lisäämällä pieni, ilman Correlated satunnaista signaalia (tyypillisesti LSB tasolla) ennen quantizer. Se decorreloi kvantisaatiovirheen syötteen, hajota joutoäänet ja vähentää harmoninen vääristymä. Dither voi olla analoginen . . . injektoituna tarkan satunnaisen virtalähteen . tai digitaalisen, jossa pseudo-satunnainen sekvenssi lisätään quanizer lähtö ja vähennetään myöhemmin. Vaihto-off on hieman kasvua melulattia, mutta parannus lineaarisuus on usein dramaattinen. Korkeatila modulaattoreita, huolellisesti muotoiltu dither voi minimoida melun rangaistus samalla vaimentamalla sävyjä.

2. Kalibrointi ja digitaalinen korjaus

Digitaalinen kalibrointi kompensoi analogisia ei-idealiteettia säätämällä kertoimia tai korjaustermejä reaaliajassa.

  • Etupinnan kalibrointi[ .
  • Taustakalibrointi[ . ... ....................................................................................................................................................................................................................................

Digitaaliset korjausalgoritmit voivat myös kompensoida kondensaattorin epäsuhtaa tallentamalla mitatut painot ja soveltamalla FIR-tyyppistä korjausta desimaatiosuodattimen jälkeen. Lisätietoja digitaalisesta kalibroinnista sigma-delta-aDC:issä on Analogisten laitteiden teknisessä artikkelissa kalibrointitekniikoista[.

3. Modulator topologia Lisälaitteet

Korkeampi-tilausääni muokkaus

Muokkaavan järjestyksen lisääminen työntää enemmän kvantitalisaatiomelua pois kiinnostuksen kaistalta, vähentää kaistansisäistä virhettä ja tarvetta erittäin lineaariseen analogiseen komponenttiin. Vakautta tulee kuitenkin haastavammaksi. Cascade (MASH) pyytää anteeksi kvantalisaatiomelun jakamista useille silmukoille ja yhdistää ne digitaalisesti, saavuttaa erinomaisen lineaarisuuden ilman vakautta koskevia huolenaiheita.

Multibit Quantizers

Yhden bitin kvantizerin korvaaminen monibittisellä kvantizerilla (esim. 3-bittinen tai 4-bittinen) vähentää kvantitointivaiheen kokoa ja parantaa luontaisesti lineaarisuutta alentamalla kvantisaatiovirheen amplitudia. Vaihtoehdossa on kyse siitä, että palautteen DAC:n sisäisen DAC:n on oltava erittäin lineaarinen. Dynaaminen elementtien täsmäytys (DEM) tai datapainotettu keskiarvo (DWA) algoritmeja käytetään DAC.n epäsuhtavirheen muokkaamiseen, jolloin se käyttäytyy kuin korkea-lineaarisuuselementti.

Palaute ja palaute Pahoittelut

Syötearkkitehtuurit vähentävät signaalin swingiä integroijan lähtöihin, mikä vähentää op-amp-epälineaarisuuden aiheuttamaa vääristymää. Palautetopologiat tarjoavat paremman luontaisen vakauden, mutta vaativat suurempia signaalinvääristymiä. Oikean topologian valitseminen vaaditulle lineaarisuudelle ja SNR on kriittinen suunnittelupäätös.

4. Virtapiiritason optimointi

Transistoritasolla useat tekniikat lisäävät lineaarisuutta:

  • Bootstruped kytkimet[ .
  • Gain-building in op-amps ... Lisätään avoimen kierron voitto vähentää voittovirhe ja parantaa settlement lineaarisuus.
  • Common-mode takaisinkytkentä (CMFB) vakauttaminen . . Varmistaa, että integraattorin ulostulon yhteinen moodi jännite pysyy vakaana, mikä estää vääristymän.
  • Layout-symmetria[ . . Vastaavat kondensaattorijärjestelmät ja differentiaalisignaalireitit minimoivat systemaattiset offsetit ja epäsuhtaisuudet.

5. Järjestelmän tason tarkastelu

Lineaarisuus ei ole pelkästään analoginen ongelma; järjestelmäsuunnittelulla on tärkeä rooli.

  • Kello jitterin hylkiminen[ . Käytä matalan jäähdyttimen Oskillaattoria tai ulkoista kristallioskillaattoria. Sigma-delta muuntimet ovat herkkiä kellon jitterille, koska se tuo esiin näytteenoton epävarmuutta.
  • Voimalaitoksen eristäminen[ . . Erillinen analoginen ja digitaalinen syöttökisko, jossa on ferriittihelmiä ja matalan pudotuksen säätimiä.
  • Kohdehallinta[ . Lämpötilan kaltevuudet sirulla aiheuttavat eroavuuksia. Yhdenmukainen lämpötilan jakautuminen ja sirulla olevat lämpötila-anturit mahdollistavat kompensoinnin.
  • Layout parhaita käytäntöjä[ . ... .. .. .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Kehittyneet tekniikat: Dynaaminen elementtien vastaavuus ja datan painotettu tarkistus

Monibittisten sigma-delta-aDC:ien osalta palaute DAC.S-lineaarisuus on usein pullonkaula. Dynaaminen elementtien vastaavuus (DEM) pyörii yksikön DAC-elementtien (nykyisten lähteiden tai kondensaattoreiden) käytössä niin, että eroavuusvirheet muunnetaan laajakaistameluksi harmonisen vääristymän sijaan. Datapainotettu keskiarvo (DWA) on suosittu DEM-algoritmi, joka käyttää quantizer-lähtöä valitakseen elementtejä siten, että epäsuhta on ensimmäisen kertaluvun muotoinen, työntämällä sen pois basebandista. DWA voi dramaattisesti parantaa elementtien pyörimistä ilman, että siihen lisätään merkittäviä digitaalisia resursseja. Tämä IEEE-paperi DWA:lla] tarjoaa yksityiskohtaisen teoreettisen perustan ja suorituskykyanalyysin. Toinen kehittynyt tekniikka on alkuainekiertoa satunnaisella käynnistyksellä tai puustrukturoidulla DEM:lla, joka vähentää elementtien välisen epäsuhtaisuuden vaikutusta vieläkin.

Päätelmä

Sigma-delta ADC:ien korkean lineaarisuuden saavuttaminen korkean tarkkuuden sovelluksiin edellyttää moniulotteista lähestymistapaa. Muokattavien sovellusten lisääminen, monibittisten quantizerien käyttäminen DEM-algoritmeilla, ditherin lisääminen, digitaalikalibroinnin toteuttaminen ja analogisten piirien optimointi kaikki auttavat vähentämään vääristymiä ja parantamaan INL/DNL:ää. Järjestelmätason toimenpiteet, kuten matalajännitteisten kellojen, puhtaiden teholähteiden ja huolellisen layout-järjestelmän käyttö, ovat yhtä välttämättömiä. Yksittäinen tekniikka ei riitä yksinään; parhaat tulokset saadaan yhdistämällä nämä strategiat tasapainoiseen suunnitteluun. Insinöörien 16-bittisten+-tarkkuus on vaativassa ympäristössä, ja näiden lineaarisuutta edistävien menetelmien hallinta on edellytys. Prosessisolmukohtien kutistuessa ja datanopeudessa, jatkuvassa kalibroinnissa ja digitaalisessa korjaamisessa tulee lisäämään sigma-delta-lineaarisuutta entisestään.