ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs) משמשים כקישור קריטי בין תופעות פיזיות מתמשך לבין ייצוגים דיגיטליים דיסקרטיים במערכות מדידה גבוהה. יישומים החל מ-spectroscopy גרעיני ו-spectrometry המונית ל-LIDAR ו-Digital הדמיה רפואית דורש ADCs המספקים גמישות יוצאת דופן וטווח דינמי רחב.

Core Metrics: Linearity and Dynamic Range Defined

לפני הסתמכות על אסטרטגיות אופטימיזציה, חיוני לבסס הגדרות מדויקות עבור ליניאריות וטווח דינמי כפי שהם חלים על ADCs מדעי. פרמטרים אלה אינם רק מפרטים מופשטים אלא גם לקבוע ישירות את נאמנותם וזמינות של נתונים שנרכשו.

המונחים: Integral and differential non ליניאריות

קוארסיטי מגדירה כמה מדויק קוד הפלט הדיגיטלי של ADC מייצג את המתח הקלט האנלוגי מעבר לטווח המלא של הממיר ± 2 דמויות עיקריות של ערך לתאר לינאריות: אי-ליניות אינטגרלית (INL) ואי-לא-לינאריות שונה (DNL) מודד את הסטייה המקסימלית של תפקוד ההעברה בפועל משורה אידיאלית, בדרך כלל ביטים פחות משמעותיים (BLS) מבטיח התפלגות חמורה של 0.

ליניאריות גבוהה היא קריטית במיוחד בניתוח ספקטרלי ומטרופולין דיוק, שבו עיוות הרמוני וטונים מעוררים יכולים להסוות אותות חלשים או להציג קריאה כוזבת.לא לינאריות מתגלה כהרמוניה של התדר הבסיסי בתחום התדר, ישירות degrading דינמית ללא עוררין (SFDR).

טווח דינמי: SFDR, SINAD, ומספר יעיל של ביטס

טווח דינמי ב ADCs הוא היחס של האות הגדול ביותר הממיר יכול להתמודד (בדרך כלל קלט בקנה מידה מלא) לאות הקטן ביותר, המוגדר לעתים קרובות כאשר יחס האות-ל-אין-ו-ואפליה (SINAD) הוא ברמה מינימלית מקובלת (in-Sin-SDN) עבור עיוותים (DN) הוא גם מספר 1B) אבל הוא נמוך (DN) עבור עיוותים (DN) הוא גם מספר 1DN) עבור עיוותים (N) (N) יעיל של מספר 1DN) ו-Rin-Rina) הוא גם כן, אך הוא גם כן, אך הוא מספר 1DN) עבור עיוותים (DN) עבור עיוותים (DN) עבור עיוותים (DN) עבור עיוותים (DN) הוא גם כן, אך הוא נמוך (DN) עבור מספר 1DNINE) עבור עיוותים (DN) עבור עיוותים (DN) עבור עיוותים (DN) עבור SF (DN) הוא לעתים קרובות (DNINE) עבור עיוותים (NINEDN) עבור עיוותים (N) הוא לעתים קרובות) עבור עיוותים (N) הוא לעתים קרובות) עבור עיוותים (DNINE

טווח דינמי חשוב במיוחד כאשר מדידת אותות עם וריאציות גדולות של אמפולציה, כגון ניטור סיסמי או אסטרונומיה רדיו. טווח דינמי רחב מאפשר ללכוד במקביל של רכיבים חלשים וחזקים ללא משיכה או רעש קוונטי מופרז.

אפשרויות ל-Architectural Choices for Scientific ADCs

האדריכלות של ADC מטילה מגבלות בסיסיות על לינאריות בלתי אפשרית וטווח דינמי.בחירת הטופולוגיה המתאימה של הממיר היא ההחלטה הראשונה וההשפעה ביותר של העיצוב.

נספח-Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs הם העדיפו נרחב כלי מדעי יעילות כוח מעולה שלהם ואת לינאריות טבועה כאשר מעוצב היטב. SAR ממירים SAR מודרני להעסיק capacitive דיגיטלית-to-analogers (CDACs) עם פיזור-capacitor וטכניקות מדרגות כדי להשיג 16-18 סיביות בקצב של דגימות עד כמה מגה-מדגם לשנייה.

המונחים: ADCs

ADCs מפוספס מציע סחר טוב בין החלטה ומהירות, בדרך כלל להשיג 12-16 ביט במאות מגה-מפרסים לשנייה.כל שלב פותר כמה ביטים ועובר את שאריות לשלב הבא. המקורות העיקריים של אי-לינימיות במרמרים צינורות הם שגיאות רווח בין-שלב, capacitor לא מתאים ב DACs, ו- comparator Offs offs de lasliations, כלומר, ל-Crexitialide-Crelimates, יש צורך בשגיאות של ביצועים גבוהים.

Sigma-Delta ( ⁇ ) Modulators

Sigma-delta ADCs אינם מתאימים להשגת רזולוציה גבוהה מאוד (עד 32 ביטים) בפס רוחב פס נמוך עד בינוני.הם מעסיקים oversampling ורעש עיצוב לדחוף את הרעש של קבוצת האות, אשר יכול אז להיות מסונן דיוק דיוקים אלה, היתרון הדינמי של sigma-delers רציף להמיר עם יחס oversampling.

אסטרטגיות עיצוב מעגליות למקסימה קוויאריות

ברגע שהאדריכלות נבחרת, עיצוב מעגלים מפורט קובע האם הפוטנציאל התיאורטי הוא הבין. הן אנלוגיות והן תחומים דיגיטליים תורמים לאופטימיזציה ליניארית.

טכניקות הסתגלות ו-Leleout

ב SAR וממירים מרופפים, הליניאריות נשלטת על ידי capacitor תואם.ב- CDAC בעל משקל בינארי טיפוסי, היחס של הקפיטור הגדול ביותר לקטן ביותר עשוי להיות 2N:1. עבור דיוק 16 סיביות, התאמה טובה יותר מ 0.0015% נדרש גישות מעשיות:

  • (FLT:0) פרוזה ריכוזית: FIRLT:1 (או התנגדות) מסודרים בדפוס סימטרי אשר מבטל ⁇ ליניארי עובי תחמוצת או doping. לדוגמה, את ה- capacitor הגדול ביותר עשוי להיות מחולק לתאי יחידות מרובים המופץ על פני המוות.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ,DACs:Figal 1: , פיסות המשמעותיות ביותר יושמו עם מערך בקנה מידה בינארי, בעוד שפיסות קטנות פחות משמעותיות משתמשות באלמנטים של יחידות בגודל שווה כדי לשפר DNL במעברים העיקריים.
  • (FLT:0) ,Lbration ידידותיות ל אדמוניות: אנדרל 1) הציג כמה תאים נוספים יחידה שניתן להחליף או לצאת במהלך מחזור קליברציה מאפשר תיקון דיגיטלי של אי התאמה חיצונית.

עבור צינורות ADCs, רשתות התנגדות מדויקות עבור דור מתח הפניה גם דורש טרייגה זהירה או אלמנט דינמי תואם (DEM) DEM מסדיר את השימוש של אלמנטים יחידה, מה שממיר חוסר התאמה שיטתי לתוך רעש בצורת השוכן מחוץ ללהקה האות.

עיצוב מגברי עבור דיסטורציה נמוכה

ב-Sigma-delta Modulators ו- Liveue amplifier, ה- transconductance התפעולי (טא) הוא המקור העיקרי של אי-לינאריות. Finite DC מרוויח מוביל ליישב שגיאות ועיוות הרמוני. כדי להשיג לינאריות העולה על 100 dB, OTAs חייב להיות רווח DC מעל 100B ומוצר מצטבר מספיק כדי ליישב דיוק 16 סיביות בתוך מחזור:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) , תפוקה של ק"מ: אספקת מחירים גדולים כדי להתמודד עם טרנסים מהירים ללא עיוות.
  • (FLT:0) Integrator איפוס ו- Auto-zeroing:03FLT) 1 הסרת ההתחלה ורעש flicker נמוך כי יכול לשנות את הרווח לייצר עיוות.

במהירויות גבוהות צינורות ADCs, המגבר שאריות לעתים קרובות מעסיק ארכיטקטורה מחלף עם דגימה כפולה מתואם כדי להפחית את ההתחלה ואת 1 / F רעש, ובכך לשפר את הלינימיות בתדרים קלט נמוך.

אות שונה ואפילו - ביטול הוראות

כמעט כל ADCs מדעי להשתמש באופן שונה לחלוטין להתנצלות. אותות שונים דוחה באופן מהותי רעש משותף ו- אפילו סדר הרמוניות.הביטול מתרחש כי רכיבי עיוות אפילו סדר הסידור נמצאים בשלב בשני הפלטים, כך שהם מופיעים כאותות של קוד משותף אשר מדוכאים על ידי שינוי שונה של חד-פעמי, כי הפריסה בין קווי תגובה שלילי והרמוניה שלילי, לבין שני סימני חיובים לא-מיים קריטיים, מעכבים.

טכניקות להורדת קוארנטיות

גם עם אדריכלות אופטימלית ופריסה, וריאציות תהליכים וסחף טמפרטורה לגרום לאי-לינאריות שיטתיות.קלבריון - הן רקע והן רקע - יש צורך להשיג את הביצועים הגבוהים ביותר.

Foreground Calibration

ציפוי Foreground מתרחש במהלך ההפעלה או במצב קלקולציה ייעודי. אותות מבחן אנלוגי ידוע (למשל, רמפה ליניארית או קבוצה של מתח DC מדויק) מוחלים, ואת קודי הפלט ADC הם prescribed.הסטיות מן הפלט האידיאלי מאוחסנות כשולחן מבט (LUT) מתבטל או מקבל תיקון קוד.שיט זה לתקן סטטי ו DN, אבל לא פועל מספיק כדי לתקן שגיאות טמפרטורה יעילה.

רקע: Calibration

קירבה רקע פועל ברציפות בעוד ADC ממיר אותות בפועל.זה בדרך כלל משתמש בשיטות סטטיסטיות או מבוססות קורלציה.גישה אחת משותפת מוסיפה רצף רעש פספונטאני קטן לקלט האנלוגי, מדגימה אותו, ולאחר מכן משנה את הדיר הידוע בתחום הדיגיטלי.על ידי ניתוח הנתונים האוטומטיים של הפלט המתוקן, שגיאות לא תואמים ב DAC או ADC עצמו יכול להיות מזוהה ללא הפרעה של אלמנטים אחרים של בדיקות קירור (Dicial) שבו שימוש בטכניקה נוספת של נוגדנים סטנדרטיים).

תגמול עצמי דיגיטלי עבור ADCs

ADCs מפוספס לעתים קרובות משלבת קלקולציה דיגיטלית אשר מתקן שגיאות בין-שלביות ולא ליניאריות ב DAC המתרבים.האפקטים הקליברציה ניתן למצוא על ידי הזרקת אות ידוע בשלב ביניים והשוואה בין הפלטים הדיגיטליים לפני ואחרי. רבים צינורות מסחריים ADCs כוללים על שבבים דיגיטליים לרוץ כוח ולספק פיצוי על פני חיישנים טמפרטורה.

אופטימיזציה של טווח דינמי באמצעות Noise Reduction

טווח דינמי מוגבל ביסודו על ידי רעש.כדי להרחיב את הטווח, ה- ADC חייב להפחית את הרעש הקוונטי ואת רעש המעגל (רמי, flicker, ורעש ירי).

oversampling and Decimation filter

Oversampling להפיץ את עוצמת הרעש הקוונטי מעל רוחב פס רחב יותר מאשר רוחב פס אות. subsequent decimation סינון intenuates את הרעש מחוץ לפס, להגדיל את ה-SNR. עבור יחס oversampling (OSR) של M, SNR משתפר על ידי 3DB להכפלת מערכת ההפעלה (כלומר, 0.5 סיביות לרווח) של ulme (D) בעוד ש-DR) מוסיף שיפור נוסף של 2DR) של צמצם (DR) של 2DR) ב-DR) של 2DR) של מערכת ההפעלה (DR) גבוה יותר של מערכת ההפעלה (IDR) ב-DR) ב-DR) של 2DR) ב-DR) של 2DR) של 2DR) של מערכת ההפעלה (כלומר, לעומת זאת, לעומת 3DR) של מערכת ההפעלה (כלומר, לעומת זאת, לעומת 3DR) של מערכת ההפעלה (כלומר, לעומת 3DR) של מערכת ההפעלה (כלומר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, תוספת של 4B-DR) של 4B-DR) של 4B

אספקת חשמל ואספקה נמוכה

מתח ההתייחסות הוא מקור הרעש הקריטי ביותר ברזולוציה גבוהה ADCs. A ההתייחסות עם פינה 1 / f רעש מתחת 1 הרץ נדרש לעתים קרובות.בנגפ הפניות עם חיתוך או אפס אוטומטי להפחית רעש נמוך ⁇ . bu הפניה ההתייחסות חייב להיות תפוקה נמוכה מספיק אימפולסיבית ורוחב רחב להתיישב במהלך מחזורי המרה ללא הזרקת רעש דומה, את אספקת הכוח ל-ADC אנלוגי צריך להיות מוסדר עם דיוק נמוך מאוד (RLC-קומטר סטנדרטי) ו-קומטר סטנדרטי מאוד (RLC) ct סטנדרטית סטנדרטית סטנדרטית סטנדרטית סטנדרטית סטנדרטית סטנדרטית ct סטנדרטית ct סטנדרטית (R.

המונחים: Input Signal Conditioning and Antialiasing

הטווח הדינמי של המערכת מחוספס על ידי החזית האנלוגית, לא רק ADC. a low-noise דיוק מגבר או מכשיר מגבר עם רעש מתחת רצפת הרעש הקוונטי של ADC חייב להדוף את הממיר.בנוסף, מסנן נגדי עם חיתוך חד מונע החוצה מרעש והרמוניה מתקפלים לתוך ההתעניינות של מערכות עבור ערוצים, והימנעות ממגן חוצה ממגרש.

טכניקות מתקדמות ל-Simultaneous Linearity ו- Dynamic Range

כמה טכניקות מתקדמות יכולות לדחוף ביצועים מעבר למה שאדריכלות בסיסית ו- calibration מספקים.

מת על קוארמיות ו- Noise Shaping

הוספת אות קטן (כמה LSB) לקלט לפני המרה שובר את הקורלציה בין טעות קוונטית לאות, צמצום רכיבי עיוות הרמוניים. ב SAR ADCs, זה דיפר ניתן להוסיף דיגיטלית במהלך calibration או באמצעות עזר DAC. הדייר הוא מאוחר יותר מחלף בתחום הדיגיטלי.

שוויון דיגיטלי ופוסט-Processing

בפרספקטיבה של מערכת, עיבוד אותות דיגיטליים יכול להרחיב טווח דינמי.לדוגמה, תיקון לא ליניאריות LUT נגזר במהלך calibration לפצות על שגיאות INL. יותר סדרת וולטרה מתקדמת או מודלים פולינומיים זיכרון יכול לתקן עבור לא ליניאריות דינמיות שגורם עיוות בין-מתון. גישה זו נפוצה בפרסומות מוגדרות תוכנה וספקטרום, שבו ADCions מאופיין וקבועים בזמן אמת.

המקרר ההיברידי להתנצלות

חלק מה- ADCs בעל ביצועים גבוהים משלבים ארכיטקטורות מרובות.לדוגמה, a tubed-sigma-delta (Pipelined-SD) היברידית משתמשת במודולטור של sigma-delta בשלב הראשון כדי להשיג לינאריות גבוהה ועיצוב רעש, ואחריו מתווך צינורות עבור ה bits הנותרים. גישה אחרת היא SAR, אשר משתמש SAR כדי להשיג יותר ויותר יעילות דיגיטלית.

שיקולים מעשיים לשילוב מערכת

אפילו ה- ADC המעוצב ביותר יכול להיכשל כדי לענות על המפרטים שלו אם המערכת הסובבת אינה ממושמעת בקפידה.

ניהול וטמפרטורות יציבות

קוארנטיות וטווח דינמי הן מתפוגגות עם טמפרטורה. Capacitor תואם סחף, OTA רווח ושינוי רוחב פס, ואת הפניה מתח משמרות. עבור ADCs, תאים מבוקרים טמפרטורה או על תנורי חום עם לולאות משוב יכול לייצב את הטמפרטורה למות בתוך ± ° C. עבור יישומים רבים, מבחר זהיר של רכיבים עם טמפרטורות נמוכות (למשל COG, התחממות בינונית) ו- capirc.

המונחים: Low Noise and High Linearity

עקבות דיגיטליות במהירות גבוהה ליד קלט אנלוגי יכול זוג הרמוניות בחזרה לתוך ADC. בנפרד אנלוגי ודיגיטלי מטוסים, עם נקודה אחת של חיבור (לעתים קרובות קרקע כוכבים במערך הקרקע ADC), למזער לולאות קרקעיות. קווי אותות אינפוט צריך להיות מסובב כמו זוגות שונים עם אימפולס מבוקר נשמרים קצרים ככל האפשר.

בחירה והפקה

(הופנה מהדף ADC רכיבים, סקירה זהירה של מפרט נתונים היא חיונית.חפש את ערכי INL ו DNL על טווח הטמפרטורה המלא, לא רק ב 25 מעלות צלזיוס, עבור ADCs מדעיים, ספקים רבים מספקים לוחות הערכה והערות יישום המפרטים את התצורה האופטימלית של CLTS: 0Analog התקנים דיוק ADCFLT1 מציע עם 32 סיביות ו-Cliation פנימי (D2EEFEER)

מסקנה

השגת לינאריות גבוהה וטווח דינמי רחב ב- ADCs דורש גישה הוליסטית פורשת מבחר אדריכלות, עיצוב מעגלים, קיטור ושילוב ברמת המערכת.אין טכניקה אחת מספיק; התוצאות הטובות ביותר מגיעות משלב אסטרטגיות מרובות באופן קוהרנטי. מודרני SAR ו-Sigma-delta-tadelers, כאשר משופר עם דיברציה, קירבה, פריסה מתקדמת, יכול להמשיך את הביצועים הדיגיטליים עם סטנדרטים גבוהים יותר, כולל מהירויות סטנדרטיים יותר של עיצוב.