מכשירים ספקטרוסקופיה של אלקטרוניקה הפכו לכלים חיוניים בתעשיות רבות, המאפשר ניתוח מהיר באתר שהיה פעם מוגבל להגדרות מעבדה.מזיהוי contaminants במקורות מים כדי לאבחן מצבים רפואיים במרפאות מרוחקות, מכשירים אלה מסתמכים על המרה מדויקת של אותות אופטיים לנתונים דיגיטליים. בלב המרה זו הוא האנליסט-to-Digitaler (ADC), רכיב חיוני למינימום של יעילות שדהית אחת, אך ורק פתרון הנדסית, הוא פתרון אחד.

הביקוש הגדל ל-Virtual Spectroscopy

המעבר לעבר מכשירים אנליטיים ניידים מונע על ידי הצורך בזמן אמת, ברכישת החלטות. סוכנויות ניטור סביבתיות דורשות מכשירים מוחזקים יד כדי לזהות מזהמים ברמות של כמה מיליארדים. פוינט-של טיפול אבחון דורש ספקטרוםים שעלולים לנתח דם או רקמות עם דיוק מעבדה, אך לפעול על סוללה של שעות.

ישירות לצוואר בקבוק זה דורש הבנה של ה-ADC בעיצוב.החלטה, בדרך כלל ביטים, מגדירה את השינוי הקטן ביותר ADC יכול לזהות. A 16 סיביות ADC, לדוגמה, יכול לפתור חלק אחד ב- 65,536; המרה 18 סיביות פותרת חלק אחד ב- 262,144.

ADC אדריכלות: Spectroscopy

לא כל ארכיטקטורות ADC מתאימים במידה שווה לשילוב של רזולוציה גבוהה וכוח נמוך הנדרש ב-spectroscopy נייד. הסוגים הנפוצים ביותר הם ccupitive-approximation רישום (SAR) ADCs ו-sigma-delta ( ⁇ ) מודולים.

נספח-Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs מציעים פשרה חזקה בין מהירות, רזולוציה וכוח. הם פועלים על ידי השוואת אות קלט נגד מתח הפניה באמצעות אלגוריתם חיפוש בינארי, בדרך כלל להשיג החלטות עד 18 סיביות בשיעורים דגימה של מגההרץ. צריכת החשמל שלהם בקנה מידה בערך עם קצב דגימה של 10DC, תוך כדי שמירה על SARS בטווח נמוך יותר של SARS, תוך כדי טיפול תרופתי פחות מ-ACM ל- CDC התקנים בטווח נמוך יותר מאשר לעתים קרובות יכול לספק מעבדים של SARS.

Sigma-Delta ( ⁇ ) ADCs

Sigma-delta ADCs ידוע ביכולת שלהם לספק החלטה גבוהה מאוד (20 ביטים או יותר) באמצעות oversampling ורעש עיצוב. על ידי דגימה של קלט מהר יותר מאשר קצב Nyquist ולאחר מכן סינון רעש קוונטי, הם להשיג החלטות יעילות כי על אלה של SAR ADCs עבור אותות נמוכים מחונפים, במיוחד באמצעות ספירת חשמל בינוניים, אבל ניתן להזין רק את רמות של microde-CDC עבור אותות נמוך יותר.

אתגרים בעלי עוצמה בפירוט

תכנון ADC בעל כוח נמוך ללא להקריב את ההחלטה כרוך במספר מכשולים הקשורים:

המונחים: kT / C Limitations

(ב) בטכנולוגיית CMOS, רצפת הרעש הבסיסית נקבעת על ידי רעש תרמי, אשר בקנה מידה עם קיבולים עם קיבולים (capacitors) כדי להפחית רעש ולהשיג רזולוציה גבוהה, sampling capacitors חייב להיות גדול, אבל גדול יותר capacitors להגדיל את העומס על מגברי חשמל דינמיים ולהגדיל את צריכת החשמל דינמי (PFLT:0דינמיתFLT:1 = CFLT:2, 000: LT:2, 000 LT3 × 3 × × 3 × 5 LT).

משווים ומעצמות מוגברת

הן SAR והן ארכיטקטורות של sigma-delta מסתמכות על קומפוטורים ומגברים תפעוליים השולטים בשימוש בכוח. Achieving גבוה ופס רוחב פס עם צריכת זרם נמוך הוא אתגר עיצוב אנלוגי קלאסי.טכניקות כגון משווים דינמיים (שלא צורכים זרם סטטי) ומגברים המבוססים על ידי מופנם משמשים בדרך כלל כדי להפחית את הכוח.

אספקת ה-Voltage Supply Supply Supply

הפעלה במתחי אספקה נמוכים (למשל, 1.2 V במקום 3.3 V) מפחיתה באופן דרמטי את כוח ההחלפה הדיגיטלי, אך מסבך את תנוחת האות ואת חדר הראש.במכשיר נייד, ה- ADC חייב לעתים קרובות להתמודד עם אותות קלט החל ממיקרו וולט לתנווטים, הדורש עלייה קפדנית של עלייה בדרגה כדי להימנע משקע.

כוח וממשק דיגיטלי Overhead

ככל שהחלטות ADC עולות, ה-Backend הדיגיטלי – כולל מסננים דיגיטליים עבור מערכי sigma-delta, פורמט נתונים וממשקים סידוריים – הוא כולל מחסנים לא רצויים. ממשקים סידוריים מהירים כמו SPI יכולים לצייר מ"מאמפים" אם לא תוכנן בקפידה.

אסטרטגיות עיצוב לרזולוציה גבוהה, נמוך כוח ADCs

מהנדסים פיתחו ערכת כלים עשירה של טכניקות מעגליות ורמות מערכת כדי להתמודד עם האתגרים לעיל.אסטרטגיות הבאות רלוונטיות במיוחד לעיצוב ספקטרום נייד ADC:

Oversampling ו- Noise Shaping

ממודולים של Sigma-delta משתמשים באופן מהותי oversampling כדי להפיץ רעש קוונטי על רוחב פס רחב יותר ולאחר מכן לעצב את הרעש הרחק מהלהקה האות.זה מאפשר שימוש של מודולרים מסדר נמוך עם מעגלים אנלוגיים פשוטים יותר, צמצום כוח.עבור אותות ספקטרוסקופיים כי הם פס צר מטבעם, oversampling יחס של 64 או 128 יכול להיות יעיל.

עיצוב נמוך-Voltage

הפעלת כל שרשרת ADC ב 1.0-1.2 V היא עכשיו נפוצה באולמות מתקדמים של CMOS. כדי לשמור על יחס אות-לכאורה (SNR) במתחים כה נמוכים, מעצבים לעתים קרובות משתמשים באדריכלות שונה לחלוטין כי להכפיל את התננדה ללא מתח גובר.מתחים הפניה נוצרים על שבב באמצעות רגולטורים נמוכים (LDOs) שדוחים רעש.

מגבר יעיל להתנצל

מעגלים מסובכים שאינם דורשים מגבר זמן מתמשך יכול להפחית באופן דרסטי את הכוח סטטי.לדוגמה, ב SAR ADC, המשווה יכול להיות מדבק דינמי ואחריו מצמד, צריכת חשמל רק בשלב ההשוואה. בדומה, במתקני sigma-delta, integrators ניתן ליישם עם מעבורת-capacitor כי הם רק בשלב התפוקה ספציפית של שני ממריצים.

ניהול כוח משולב

רבים מודרניים ADCs משלבים מצבי כוח מרובים: מצב ביצועים מלאים במהלך סריקה פעילה, מצב שינה עם דליפה רק, ועמודי מצב עם התעוררות מהירה.בספקטרום נייד, ADC יכול להיות ממוחזר: זה יכול להיות מחוזק רק כאשר ספקטרום נאסף (למשל, כל כמה שניות), נשאר בשינה של שאר הזמן.

אדריכלות: Time-Interleaved Architectures

עבור ספקטרוםים הדורשים רכישת נתונים במהירות גבוהה (למשל, סריקה טווח גל רחב טווח במהירות), זמן-טווח של מספר רב של כוח ADCs יכול להגדיל את דרך לוח מבלי להעלות את הכוח של ממיר יחיד מעבר לגבולות.כל תת-ADC פועל בשבריר של שיעור הדגימה הכולל, מרגיע דרישות מהירות אישית.

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

מספר טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות לדחוף עוד את הגבולות של ביצועי ADC עבור ספקטרוסקופיה ניידת:

תהליך CMOS מתקדם Nodes

הגירה ל-28 nm, 22 nm, ו צמתים קטנים יותר משפרת את צפיפות דיגיטלית ומפחיתה את הכוח הדינמי.עם זאת, ביצועים אנלוגיים בצומת אלה סובלים מרווחים לא רצויים ודליפה מוגברת. מעצבים מסתמכים יותר ויותר על קלמנט דיגיטלי-מרוצה לתקן עבור פגמים אנלוגיים, כגון שילוב של הדבקה ועיוותים.

Machine Learning Calibration

אלגוריתמים של מכונות (ML) במיוחד רשתות עצביות, מועסקים כדי לעגל אי-ידיד ב- ADCs בזמן אמת.לדוגמה, רשת עצבית קטנה יכולה ללמוד את תפקוד ההעברה של מנטרול של sigma-delta ולספק תיקון שבב עבור אי-ליניאלנס ורעש.זה מאפשר שימוש בנספחים פשוטים יותר, תוך השגת פתרון יעיל יותר.

phonics ו- ADCs

על אינטגרציה פוטונית-אלקטרוניקה היא שדה מתפתח שבו photodetectors, amplifiers, ו- ADCs הם co-fabricated על תת-קרקעית סיליקון יחיד.זה מפחית קפיצות parasitic והפסדים חיבוריים, המאפשר רעש נמוך יותר ועוצמה. חוקרים הוכיחו ספקטרום עם מערך תמונות משולב 12 ו- ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

(הופנה מהדף ⁇ ) ,(VFearLT:0)GSFelo:2thearFLT 3) יכול להפחית את הכוח על ידי פקודות גודל, אם כי עלות המהירות והרעש.עבור נמוך מאוד ספקטרום נמוך מאוד של ספקטרום ספקטרום (למשל, שילוב תמונה עכשווית מעל פני מילימטרים), תת-קרקעית ADC יכול להשיג את ה-טווח הקטן של 16 ק"ג'ט.

מחקרים ב- Portable Spectroscopy ADCs

המונחים: Raman Spectrometer

מערכת מדידה טיפוסית של Raman משתמשת לייזר 532 nm או 785 nm, ספקטרום עם גלאי CCD או CMOS, ו ADC כדי לדיגיטליזציה של הספקטרום. מכשירים מסחריים כגון אלה מ Metrohm או ריגהku מעסיקים 16-bit ADCs כדי לפתור את ה- RDC של כוח SARD, לעתים קרובות מוגבל ל 50W או פחות כדי לאפשר מספר שעות של מעבדים של RM (ב-S) עם סורקים נוספים עם TRAD) עם TRAD 1 TRAD TRAD TRAD TRACKD , עם TRACKD TRACKER (ADC) עם TRAD TRACK) עם TRACKD TRACK) עם TRACKER (ADC) עם TRACKD 7.

ספקטרום NIR Spectrometer

ב- NIR spectrometers עבור בדיקות איכות חקלאיות, כגון אלה שפותחו על ידי Viavi Solutions, גל גלאי ליניארי הוא קורא על ידי מספרxer ו- ADC יחיד, ההחלטה הנדרשת היא בדרך כלל 16-18 ביטים כדי להבחין הבדלים קליטה עדין בדגנים לייצר. Sigma-delta ממירs לעתים קרובות מועדפים כי הם מספקים רזולוציה גבוהה ונמוך בשיעורי לקריאה איטי יחסית (tens) של 38 קילו-xer.

Point-of-Care Fluorescence Detector

חיישני שפעת ניידים לזיהוי ביומרקרים או פתוגנים דורשים רגישות גבוהה מאוד. גישה של תמונה באמצעות צינור פוטומרטי (PMT) ואחריו ADC מהיר (למשל, 12 סיביות ב 100 MSPS) יכול לכמת עיצובים של שפעת ו- ASPH) במקום זאת, מעבדי ACM חייבים להיות בעלי אזרחות נמוכה (DNL) כדי למנוע פריטים ב-LxL) במהירות של 1xiOS (פחות מ- 180 סיביות) לשימוש ב- ACMH) מ-ACMH) של 1x3, לעומת 1xiOS (D.

מסקנה

הפיתוח של פתרונות גבוהים, כוח נמוך ADCs הוא אבן הפינה של התקדמות בספקטרום נייד. על ידי בחירה בקפידה אדריכלות, הפעלת טכניקות מעגלים מתקדמות, ומינוף טכנולוגיות מתפתחות כגון Machine Learning calibration ו- sub-reshold תפעול, מהנדסים יכולים לעמוד בדרישות הכוח הניתיח והביצועים של כלי חיזוי שדה בין מהירות, וצריכה נמוכה כדי לקדם אבחון מעבדה גבוהה, כגון ניתוח קיסרי, בסופו של דבר, כדי למנוע CM, כדי למנוע אבחון מרחוק, בתנאי ניתוח בטיחותי, כדי למנוע אינטגרציה גבוהה.

עבור הקוראים המעוניינים להתעמק עמוק יותר, המשאבים הבאים מספקים עומק טכני מעולה:

  • (FLT:0) ADC ProductbagcioFLT:1
  • (FLT:0)Texas Instruments - ADC Design ResourcesveFLT:1
  • [01:0] מסמך: 16-b 100-kS / SAR ADC בעל כוח נמוך
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇