Giriş: Delta Modulation in Portatif Device Design

Akıllı cihazlar, akıllı telefonlar ve tıbbi monitörler, yüksek çözünürlüklü sistemler ve karmaşık anti-aliasing filtreler için, delta modulation, yalnızca başarı örnekleri ile ilgili farklar için tercih edilen bir teknik olarak ortaya çıktı.Bu mimari, yüksek çözünürlükte ve karmaşık bir şekilde kontrol edilebilir olan tüm zamanların en iyi şekilde kontrol edilmesi gereken senaryoları azaltmaktadır.

Delta Modulation

Delta modulation, giriş analog sinyali ve bir içsel yakınlaşma arasındaki farkı temsil eden bir dijital bitstream oluşturmakla çalışır.Ana bina blokları, bir relop (veya latch), bir 1-bit D / A dönüştürücü (belirli) ve bir bütünleme ile çalışır. döngü sürekli olarak çalışır: giriş sinyalinin geri bildirim sinyalini veya düşük düzeyden yararlanıp, girişin geri bildirim sinyalini aştığını ve bu seviyeyi güncellemek.

Bir delta modülatörü tarafından üretilen küçük akış, bu sürecin basitliği, küçük maliyetli, düşük enerji kontrolleri ve sensör arabirimleri ile sinyali yeniden yapılandırabilir. Ancak bu sürecin basitleştirilmesi, her bir bileşeninin statik ve dinamik katkıları gerektirir.

Statik vs. Delta Modulators'da Dinamik Güç

CMOS delta modulation devrelerinde, güç tüketimi iki ana kategoriye bölünmüştür:

  • [FONT:0]Statik güç:[Dönetici:[Dönetici:0) ] Subthreshold sızıntı ve kapı-k-kömürücü tünelleri de dahil olmak üzere transistörlerde sızıntı akımları tarafından önlenen, özellikle de boş dönemler sırasında sızıntılar tarafından hesaplanabilir.
  • [FONT=0]Dynamic güç: [Dynamic güç: Her saat kenarda enerji tarafından talep edilen ve deşarj parasitik kapasiteleri için gerekli olan ısıtılmış olan (DDD) DDDD[DDDD) ve geçiş frekansı (P ) geçiş faktörüne bağlıdır.

Bu iki bileşen arasındaki dengeyi anlamak, hem aktif hem de uyku modlarının optimize edilmesi gereken portatif cihazlar için tasarlandığında kritiktir.

Güç Tüketimini Etkileyen ayrıntılı Faktörler

Sampling Rate and Clock Frekans Frekans

Bir delta modülatörün saat frekansı doğrudan veri oranını ve aşırı uç oranı belirler. Yüksek örnekleme oranları hem analog ön ve dijital işleme göz önüne alındığında, mühendisler genellikle uygulamanın doğruluğunu artırırlar, ancak aynı zamanda doğrulama gerekliliklerini azaltırlar.

Bitstream Aktivite Faktörü

Bir delta modüllator'da, bitstream her saat döngüsünde göz ardı edilmez; etkinlik faktörü giriş sinyaline ve döngünün özelliklerini artırır. Yavaşça farklı bir giriş için, bitek uzun bir şekilde aynı miktarlar sergileyebilir, ortalama geçiş oranını azaltır ve böylece dinamik güç. Conversely, yüksek frekanslı bir giriş veya büyük bir adım değişikliği değiştirir. Devre tasarımı, ısı ve güç kısıtlamalarının karşılaştırılması için en kötü durumdaki aktiviteyi dikkate almalıdır.

Tedarik Gerilim ve Gerekleme

Tedarik geriliminin azaltılması (V)DDD) hem dinamik hem de statik gücü azaltmak için en etkili yollardan biridir, çünkü dinamik güç ölçeği V)DDD) ve sızıntı akımları da azaltılabilir kapı gerilimi azaltılır.

Devre Mimarisi ve Teknolojisi Node

Transistör teknolojisinin seçimi (örneğin, 180 nm vs. 28 nm) sürekli olarak bütünleştirici, hız ve kapasitede derin bir etkiye sahiptir. FinFET teknolojileri, transfer edilen mevcutların miktarını sunar, ancak yüksek parasitik kapasitansları sunar. ek olarak, yüksek frekanslarda güç tasarrufu sağlar - mevcut kapasitör entegrasyon veya mevcut modlu değişikliklerden kaçınırlar, ancak daha hassas bir şekilde değişebilirler.

Kompozisyon - Idealities

Gerçek dünya delta modülatörler, dengeleme gerilimlerinden muzdarip, son derece yüksek önyargılarla devre dışı bırakmakta ve DAC'de doğrusal olmayanlar, çöp kovalama teknikleri gibi - dengelemek için daha fazla yüklenmeli ve harmonik bozulmaya neden olabilir, mühendislerden daha yüksek önyargılarla devreleri tasarlamak için son derece büyük cihazlara kadar elde etmek için devreleri zorlayabilirler.Bu tür aşırı yükleme teknikleri kullanarak - dengeleme iptali, chopperizasyon veya arka plan dijital kalibrasyonu gibi - bu etkileri azaltabilirsiniz.

Delta Modulation Devreleri'nde Güç Tüketimi

Doğru güç analizi, taşınabilir cihazlar için delta modülatörleri optimize etmek için gereklidir. ölçüm stratejileri şunları içerir:

  • [FONT=0]Simulation-based tahmin:[Dönetici düzeyinde simülasyonlar (örneğin, BERA modelleri) hem de sabit ve dinamik gücü transistör seviyesinde yakalamak için.
  • [FONT:0]On-çik güç izleme:[Dönetici:[Döneticileri test çiplerine anında tedarik etmek için entegre etmek için test çiplerine entegre etmek.Bu, belirli giriş sinyal kalıpları ile güç zirvelerinin korelasyonuna izin verir.
  • [FONT:0)Power arıza analizi:[Dönetici bloklar tutarlı bir şekilde, kompatoryun gücünü, bütünleştirici ve dijital kontrol mantığını izole etmek için devre dışı bırakıyor.

Dış bağlantılar, karmaşık devrelerdeki güç ölçüm teknikleri üzerine kaynaklar içerir: 0 (Analog Cihazlarının düşük güç karma IC için güç ölçümlerine kılavuzluk) ve ).

Power Optimizasyonları için Stratejiler

Sampling Rate Through Adaptive Control

Giriş sinyali bant genişliği değişebilirken, uyarlanabilir bir delta modüllator, uçuşta saat frekansı değiştirebilir. Örneğin, bir işitme yardımı için ses kodunda, örnekleme oranı sessiz dönemlerde azaltılabilir ve konuşma sırasında artış gösterir, bu dinamik güç tasarrufu gerektirir.

Low-Power Karşılaştırmacı Tasarım

Kompatörü genellikle en güç-hungry analog blok. Geleneksel rejeneratif komplikeliler, dinamik kotatörler (örneğin, güçlüARM latch) sıfır statik gücü tüketmektedir - sadece giriş çiftliği sırasında mevcut çizimler ve latch geri bildirimleri ile sub-mikrowatt işlem elde edebilir.For deltatörler için, comparatorun histerileri için, komplikeli güçten kaçınmak için dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir.

Güç Gating ve Uyku Moduları

Portre cihazları, tam olarak dönüştürücüye ihtiyaç duyulmadığında statik sızıntıları ortadan kaldırabilir.Returning power gating for the integrationor and the feedback DAC, yüksek ücretli (Dönetici)[zamanın yeterince tepkisini etkilemez.[Dönetici) Uygulamada, çok yönlü bir "aktif" ile bir modülatör "idle" ve “shutdown” devletler, üst düzey / ayak izlerini kullanarak dikkatli bir şekilde tasarlanabilirler.[Dönder:0).

Bütünleştirici Topoloji Seçici

Bütünleştirmenin seçimi, güç, gürültü ve lineerliği önemli ölçüde etkiler.

  • [FONT:0) Güvenilir kapasiteli (SC) bütünleştiriciler: ), yüksek lineerlik ve iyi tanımlanmış kazançları için geniş ölçüde kullanılır, ancak yeterli bant genişliği ile birlikte şarj gerektirirler ve dinamik bir güç sabitlenebilir.
  • [FONT:0) Sürekli zamanlı (CT) bütünleştiriciler: ), Örnek cihazı bir dirençle değiştirin ve mevcutları doğrudan bir kapasiteye entegre edin. CT tasarımları SC aşamalardan kaçınır ve daha yüksek frekanslarda daha düşük güçle çalışabilirler, ancak dirençten daha hassastır ve dikkatli bir saat jitter analizi gerektirir.
  • [FONT:0)Current-modeors: Exploit translinear döngüler veya kaset akım aynaları çok düşük tedarik gerilimleri ile entegrasyon yapmak için (örneğin, 0,5 V).

Gerginlik ve Dinamik Gerg Frekans Scaling (DVFS)

DVFS, dijital işlemcilerde yaygın olarak, çoklu gerilim domainlerini tasarlayarak analog bloklar genişletilebilir. Kompatör ve dijital mantık, ayrı, ayarlanabilir bir analog tedarik oluşturmak için daha yüksek olabilir.Bu yöntem dikkatli bir şekilde [DFLT:1) gürültüyü ortaya koyarken, güç tasarrufu genellikle karmaşıklığı haklı çıkarır.

Analog Overhead'i Azaltmak için Dijital Kalibrasyon

Analog devreler yapmak yerine, hesaplamayı garanti etmek için büyük ve güç-hungry, tasarımcılar dijital bir hata hazırlamak, hataları kazanmak ve dönüşümleri kesmek için sürekli olarak düzeltme ihtiyacını azaltabilirler. Örneğin, en kötü yanlış eşleştirme yerine analog blokların boyutlandırılmasına izin verin.

Düşük güç delta modülatörleri üzerinde dış referans:0)EE Times'ın düşük güç ADCs için kalibrasyon teknikleri üzerine makalesi).

Vaka Çalışmaları: Portreatif Uygulamaların Delta Modulation

Giyilebilir Biosensors

Bilen sağlık monitörleri, kalp oranını ölçmek için delta modulation kullanır, cilt dürtüsü ve sıcaklık. Tipik bir tasarım, dinamik bir kotatör kullanarak ve 1 V. kapasiteli bir tedarik cihazı kullanarak, ADC bloğu toplam güç tüketimi 10 μW'nin altındadır, 100 mAh batarya üzerinde sürekli izleme sağlar.

Ses Aktivite Tespiti (VAD) İşitme Aids için

İşitme yardımları, 10 saatten fazla bir süre önce ultra düşük güç tüketimi gerektirir. Son yayınlanan bir tasarım, aktif konuşma sırasında 1.28 MHz'in saat frekansında çalışan ve 8 bit (daha az) analog bir dizi güç birleştirerek, ses grubu için yeterli olan bir anahtar.

Enerji-Kablosuz Sensör Nodes

Ortam enerjisine güvenen sensörler için, her nanojoule sayımları.Geçmiş bir kafa anahtarlarını kullanarak modülatör tamamen 10 nW'den daha az bir sıcaklık sensöründe gösterilmiştir.

Future Trends and Research

Transistör boyutları küçültül ve taşınabilir cihazlar daha fazla ubiquitous hale gelirken, birkaç ortaya çıkan trendler delta modulation devre tasarımını şekillendirecektir:

  • [FONT:0]Near-threshold and sub-threshold operation:[Dönetici: 1) Operasyon transistörleri 0.3-0.5 V dramatik olarak güç azaltır, ancak sınırlı kafa odası ile işlev gösteren yeni hesaplamalar gerektirir.
  • [FONT:0)Makine öğrenme odaklı adaptasyon:[Döneticileri) Öngörücü algoritmaları giriş sinyal dinamiklerini tahmin edebilir ve modülelatörün örnekleme oranını ayarlar, gerçek zamanlı olarak gerilim sağlayın, ortalama güçteki daha fazla azalmaya ulaşır.
  • [FONT:0) Dijital yoğun mimariler: Dijital mantıkla daha analog işlevselliği (örneğin, VCO tabanlı bir ölçümleyici kullanarak) işlem ölçeklendirmesini ve analog güç yükünü azaltır.
  • [FONT:0) Enerji hasatlarıyla ilgili olarak: ADC'yi güç yönetim ünitesi ile tasarlayın (PMU) pasiflerin ve düzenlemenin paylaşımına izin verir, genel sistem gücünü azaltır.

Araştırmacılar ayrıca zaman alan delta modulation, bilgi gerilim farklılıkları yerine nabız genişliğine kodlanmış, daha düşük tedarik gerilimlerini etkinleştirebilmek için. Bu tür tekniklere kapsamlı bir bakış sağlayan dış bir kağıt mevcuttur.0)Springer'ın Analog bütünleşik Devreleri ve Signal Processing gazetesi).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Delta modulation, düşük devre karmaşıklığı ve doğal güç verimliliği nedeniyle taşınabilir cihazlarda analog-enerji dönüşüm için zorlayıcı bir seçim olarak kalır. Ancak, en düşük olası güç tüketimine ulaşmak, birden fazla etkileşim faktörüne dikkat gerektirir - alt ölçeklendirme oranı, aktivite faktörü, tedarik gerilimi, devre topoloji ve non-idealiteler.Instematik bir deltaulation gibi teknikler daha küçük bir sonraki yaşam tarzı analiz için daha küçük bir araya gelir ve dijital kalibrasyonu için güç tüketimine yardımcı olur.