Hassasiyet ADC Performans Limitlerini Anlamak

Hassas analog dönüştürücüler, sistem doğruluğu ve güvenilirliği doğrudan doğruya doğrulayan sinyal dönüştürmeye hizmet eder. Bu sistemlerdeki en önemli performans ölçümleri ve bozulmalar.In applications such as medical diagnosis display, hassasiyet enstrümanasyon, endüstriyel süreç kontrolü, ve yüksek uç iletişim altyapısı, sinyal dönüştürmenin sadakati doğrudan sistem doğruluğu ve güvenilirliğini belirler. Bu sistemlerdeki en önemli ikilemsel ve bozulmadır. Nonlinearity, yozlaşmış ölçümlü ölçümlülüğü, kontrol edilebilir frekans bileşenlerine enjekte ederken, gerçek sinyal dönüştürmeye veya değiştirmeye çalışır.

Modern hassas ADCs rutin olarak 16-bit'i 24bit kararına alır, ancak pratikte teorik kararın her doğrusal olmayanlık ve bozulma kaynağının dikkatli bir şekilde yönetilmesini talep eder.Bu makale, ADC performansını temel sınırlara doğru itmek için kanıtlanmış stratejileri inceler, bileşen seviyesinden sistem seviyesindeki optimizasyona doğru.

Doğruluk ve Distortion in Perspective

Linearity, ADC'nin dijital çıktı kodu haritalarını tam giriş aralığındaki analog giriş gerilimine nasıl sadık bir şekilde tasarlar: Gerçek transfer fonksiyonunun ideal bir doğrusal dönüştürücüde, DNL, adım gerilimi adımını iki temel şekilde ele alırken, her iki doğrulu kod arasındaki farkı doğrudan doğrultamaz (INL) ve diferansiyel olmayanlık (DNL INL, doğrulu bir şekilde gerçek transfer fonksiyonunun maksimum sapmasını doğrudan doğrulamaktadır.

Distortion, aksine, ADC'deki devre dışılıkları ve yükselteçleri, referans sürücüleri ve giriş tamponları gibi destekleyici analog ön bileşenler olarak algılar.In communication alıcılar ve spektrum analiz ekipmanlarında, harmonik bozulmalar bu davranışı zayıf sinyaller veya bir şekilde çözebilir.

Lineerlik ve bozulma arasındaki ilişki tamamen bağımsız değildir. Transfer fonksiyonundaki doğrusal olmayanlar, giriş sinyalinin saf bir sine dalgası olduğu zaman harmonik bir bozulma yaratır. tersine, INL ve DNL genel olarak THD ve SFDR'yi azaltır. Ancak, mekanizmalar bir metrik için optimize etmek için tamamen gerekli değildir, dengeli bir yaklaşım oluşturmaz.

Sistem-Level Yaklaşımları Linearity Yükseltme

Hassas Kalibrasyon ve Açıklama Teknikleri

Kalibrasyon, hassas ADCs. Fabrika kalibrasyonlarında lineer olmayan hataların bir kısmını temsil eder, ancak işlem sırasında daha zorlu olmayan düzeltmeler genellikle dijital düzeltmeler için devam eder. Modern hassas ADCs, her bir çıkış kodunda sabit ve DNL'yi ölçen ve doğru bir şekilde düzeltebilir.

Dış kalibrasyon rutinleri de değerli kalır, özellikle ADC'nin geniş sıcaklık aralıkları veya yaşlanma etkileri üzerinde çalıştığının sistemlerindeki sistemlerde. Sistem seviyesi kalibrasyonu, dış referanstan bilinen hassas gerilimleri uygular ve ortaya çıkan dijital kodları düzeltme gözlüğü olarak kaydeder.Bu tablo, bir post-probleks adım olarak kullanılabilir.

Hibrit yaklaşımlar, yüksek dijital düzeltme ile eş zamanlı analogları birleştirir. Örneğin, ADC'nin iç kapasitesi DAC ağırlıklarını üretim testleri sırasında en büyük doğrusal olmayanları ortadan kaldırırken, dijital işlem sonrası iş işlem işlemleri geri kalan hataları azaltır.Bu denge yöntemi, dijital düzeltme motoruna sabit bir şekilde sabit bir şekilde ulaşırken, genellikle tam ölçeklerdeki birkaç parçaya ulaşırken, genellikle tam ölçeklerdeki en büyük sabit DAC ağırlıkları içinde sabit tutar.

Yüksek kaliteli kombi seçimi

Lineerliğin peşindeki her bileşenin sinyal zincirindeki seçimi ile başlar. Hassasiyet düşük sıcaklık katları ve sıkı toleransı düşük frekanslı kazanım ve referans gerilimleri için zorunludur. Metal folyo veya ince film dirençlileri genellikle en iyi stabilite ve düşük gürültü kombinasyonu sunar.[Döneticiler ve düşük gürültüler için tercih edilir).

Gerilme referansları özellikle dikkat gerektirir, çünkü gürültüleri ve doğrudan ulaşılabilir bir sistem lineerliği sınırlandırır.Buried Zener referansları, yüksek çözünürlüklü uygulamalar için mükemmel uzun vadeli stabilite ve düşük gürültü sunarken, grup-gap referansları ADC'nin kendisi için çok daha fazla performans ve maliyet sağlar.

Operasyonel yükselteçler ve enstrümantasyon yükselteçleri dahil olmak üzere giriş sinyali, doğrusallık özellikleri için sadece onların kazanç bant genişliği ürünü için seçilmelidir. Amplifier nonlinearity, özellikle de ADC girişlerinin kapasitive yükleri tipik olarak kullanırken, dönüştürücülerin yüksek açık-loop kazanımı ile ayırt edemeyeceği harmonikler, düşük bozulmalar ve sağlam kapasitif yük sürüş kapasitesinin sabitliğini korumak için önemlidir.

Diferansiyel İşaretleme Mimarileri

Diferansiyel ADC mimarisi, lineerlik ve bozulma azaltımı için doğal avantajlar sunar. giriş sinyalini iki ayrı çifte, ortak mod gürültüsüne ve güç tedariklerinden ve dijital geçişten müdahale etmek, transfer işlevinde bile sipariş edilmez.

Tam olarak diferansiyel ADCs ayrıca daha iyi bir güç tedariki garanti eder, bu da karmaşık imza sistemleri içinde önemli olan dijital geçiş gürültüsünün hassas analog devrelere çiftebileceğidir.Diferansiyel yapı, belirli bir tedarik gerilimi için etkili giriş gerilimi aralığına sahiptir, sinyal-noise oranını ve dinamik aralıkları geliştirir. Pratik uygulama, diferansiyel izlerde simetriyi korumak için dikkatli PCB düzeni gerektirir ve parasitik kapasitance dengesizliklerini en aza indirmek için en aza indirmek gerekir.

Analog Front-Bitiş Devresini İyileştirmek

Dış sinyal kaynağı arasındaki arayüzler ve ADC girişi, yüksek lineerliğe ulaşmada belirleyici bir rol oynar.Buffer yükselteçli yükselteçleri ve örnek devreleri mevcut dönüşüm süresi içinde gerekli olan doğrulukla yerleşmelidir.

Giriş sürüş devreleri, sinyal kaynağı ve ADC girişinin tamamının bozulmasına engel olmak için düşük çıktıyı korumak zorundadır.Sürücük bir teknik, örnekleme aşamasında bir yüksek hızlı, düşük çözünürlükte operasyonel yükselteçler yapılandırılır. Bazı hassas ADCsler özellikle bu arayüze bu meydan okumayı basitleştirmek için tasarlanmıştır.

ADC'nin geçiş bandına katılabilecek ve bant bozulmasına engel olabilecek düşük frekanslı yükselteçleri kaldırmadan önce yerleştirilen anti-aliasing filtreler, yükleme etkilerini engellemeden yeterli stop-band değerlendirme ile tasarlanmalıdır. Active filter uygulamaları, filtrenin kesildiği frekansındaki düşük bozulmalara ihtiyaç duyarken, pasif LC filtrelerin yükseltilmeden kaçınılması gerekir.

Distortion Azaltım için Devre Stratejileri

Dijital Doğrulama ve Düzeltme Yöntemleri

Dijital post-işlemleme, analog devre geliştirmeleri yoluyla ortadan kaldırılamayan bozulmaları azaltmak için güçlü araçlar sunar. yaygın olarak kullanılan bir yaklaşım polinom düzeltmesidir, ADC çıktısı, ölçülen çarpım özellikleri kullanılarak belirlenir.Üçüncü sipariş veya daha yüksek polinomlar etkili bir şekilde iptal edilebilir.

Görünüm masası (LUT) düzeltme, yazılım tanımlı radyo ve yüksek uçlu test ekipmanları gibi uygulamalar için düzeltme değerleri depolamak için daha da büyük esneklik sağlar. LUT yaklaşımları aralarındaki rastgele doğrusal olmayanlıkları ele alır. Modern FPGA tabanlı sistemler, düzeltme haritasının minimum geç olmadan çok LUT'leri uygulanabilir.

Adaptif dijital düzeltme algoritmaları ADC çıktısını sürekli olarak takip eder ve sinyalin istatistik özelliklerine dayanan düzeltme parametrelerini ayarlar. Bu algoritmaları normal operasyon yapmadan sıcaklık sürüklenme veya bileşen yaşlanması nedeniyle yavaş değişiklikleri izleyebilirler. Özellikle uzun süre boyunca yeniden ayarlamalar yapmadan sistemlerde değerlidir, örneğin uzaktan algılama platformları ve endüstriyel izleme ekipmanları gibi.

Analog Signal Zincirinde Doğrusallıkların Belirlenmesi

Analog sinyal zincirindeki her aktif bileşen, doğrusal olmayan bozulmanın bir dereceye katkıda bulunur.Bu bozulmayı azaltmak, yükselticiler ve analog işleme aşamalarındaki düzeltme ve işletim noktası seçimi gerektirir. Sınıf A operation, daha az verimli olsa da, en lineer olmayan bölgelerde tüm sinyal salımı boyunca kalır.

SAR ve delta-sigma ADCs'de yaygın olarak kullanılan kapasitör devreleri için, analog anahtarların on-resistance of analog anahtarları, sabit olmayanlar üzerinde sürekli tutmak için giriş sinyalinin nerede olması gerektiği gibi tekniklerden daha düşük ve lineer olarak faydalanılabilir.

ADC içindeki ısı etkileri, yüksek sinyal amplitüdlerinde lineer olmayan davranışlara neden olabilir. Bazı hassas ADC'ler dönüşüm döngüsü sırasında ısıtıcı gerilimler ve ısınıcı hataları yaratır.Sürücüksel düzen, ısı battı ve ADC'yi en yüksek derecenin altında iyi çalıştırabilir. Bazı hassas ADC'ler, ısı sensörlerinin gerçek zamanlı olarak ısıtılması için eklediği ısı sensörlerinin yanı sıra ısınması için eklenebilir.

Filtreleme, Shielding ve Layout

Dış müdahale hassas ADC sistemlerindeki bozulmanın kalıcı bir kaynağı olmaya devam ediyor. Dijital işlemeden yüksek frekanslı gürültü, güç malzemeleri ve iletişim bağlantıları bu bozulmanın minimini kullanarak analog giriş yoluna ve uyarı ile bağlantı kurabilir, girişte şaşırtıcı bileşenleri yaratarak, hassas analog izlerin doğru kalkanı ile birleştirin.

Multi- aşama filtreleme en iyi sonuçları sağlar: giriş sayfasında ilk sipariş pasif RC filtre, en yüksek frekans gürültüsünü kaldırır ve keskin bir roll-off sağlar ve ADC girişi sürücüler. Filtre bileşenlerinin kendileri düşük bozulma ve stabil performans için tercih edilmelidir. Ferrite analog ve dijital zemin uçakların daha fazla azaltılmasını sağlar.

Hassas ADC sistemleri için yazlık, bileşen yerleştirme ve zemin düzlem tasarımı için titiz bir dikkat gerektirir. Analog ve dijital bölümler fiziksel olarak ayrı olmalıdır, ADC girişleri arasındaki sınıra yerleştirilen ADC sayesinde, ADC girişinin geçiş süresini azaltmak için en aza indirmeli ve dayanıklılık ve kapasiteyi azaltmak gerekir. Sürekli, düşük hacimli bir zemin uçağının altında bir geri dönüş yolu sağlar ve yayılabilir bir müdahale sağlar.

Uygulama Gereksinimleri için Mimari Seçme

Farklı ADC mimarisi, doğrusallık, bozulma, hız ve güç tüketimi arasında farklı ticaret-offlar sunar. Başarıcı DACs.İLDÜ:0SAR ADCs mükemmel doğrusallık ve düşük bozulmalar için tercih edilir, tıbbi görüntüleme ve endüstriyel süreç için. harmonik içerik ile özel olarak uygulanabilir).

Delta-sigma ADCs, yüksek çözünürlük ve mükemmel gürültü performansının kritik olduğu uygulamalarda öne çıkıyor, ses işleme, sismik izleme ve ölçekler gibi. Gürültülü hızlar ve aşırı hızlama teknikleri, sinyal bandının üzerindeki ölçümler, çok yüksek etkili bir karara ulaşmak için çok yüksek çözünürlükte. ancak, delta-sigma dönüştürücüler, düşük aşırı uçlarda SAR türlerinden daha yüksek bozulma gösterebilirler.

Boru ADCs, video, iletişim ve radar uygulamaları için hız ve karar dengesi sunuyor. Çok aşamalı mimarileri doğru bir şekilde kalibre edildiğinde iyi doğrusallığa ulaşabilir, ancak inter-tip kazanımları ve örnek devreleri, dikkatli bir tazminat gerektiren bozulma mekanizmaları sunar. Modern boru hatları ADCs genellikle bu hataları düzeltmeyi içerir, SAR dönüştürücülerle rekabete ulaşır.

Pratik Tasarım Yönleri ve Ticaret-Resimleri

Yukarıda açıklanan stratejileri uygulamak, rekabetçi sistem gereksinimleri dengelemek gerektirir. Yüksek lineerlik genellikle daha yavaş dönüşüm oranları talep eder, çünkü bu ticarete saygı duyan belirli bir optimizasyon gerektirir. Power consumption uses with the complexity of calibration circuits and the use of high-per-per-per-per-per analog components. System cost often require the Selection of sensitive components and the complexity of PCB düzen ve kalkaning.

Pila dayalı tıbbi cihazlar için, güç verimliliği mutlak en iyi lineerlik üzerinde bir öncekilüğü alabilir. Bu tür durumlarda, doğal olarak iyi lineerliği olan bir ADC mimarisini seçerek ve biraz daha yüksek bozulmayı kabul edebilir. Laboratuvar test ekipmanları için, doğruluk önemli ölçüde, yüksek çözünürlükte yatırım, geniş kalibrasyon ve sağlam bir kalkanlama tamamen haklıdır.

Sıcaklık istikrarı birçok uygulamada kritik bir konudur.Bir sıcaklıkta yapılan Kalibrasyon, özellikle de geniş sıcaklık aralıkları üzerinde çalışan bileşenlerle, periyodik recalibrasyon için çok düşük sıcaklık aralıkları ile ilgili bileşenler gerektirir. Bazı hassas ADCs, termal etkiler için sürekli tazminat sağlayan, tüm işletim aralıkları boyunca lineer özellikleri korumak için eklenebilir.

Bitirme yaşlanması da zaman içinde lineerliği ve bozulmayı etkiler. Hassasiyet dirençleri ve gerilim referansları, sistemin periyodik olarak içsel bir referans gerilimini ölçebileceği ve düzeltme tablolarını otomatik olarak güncellemek için sistemdeki son derece yaygın olduğu uzun vadeli stabilite veya dahil etme mekanizmaları kullanmalıdır.

Uygulama-Specific Uygulama Örnekleri

CT tarayıcıları ve dijital X-ray dedektörleri gibi tıbbi görüntüleme sistemleri, hassas ADC'ler, teşhis edilen görüntü tasarımlarıyla ilgili olarak açıklanabilir ve SAR ADC mimarisinin birleşimi, düşük çözünürlükli yükselteçlerle ilgili tasarım ve dijital kalibrasyonlar için gerekli performans elde etmelidir.Bu sistemlerde, tanıyabilecek düşük seviyeli görüntüler olarak ortaya çıkabilir, bu makalede açıklanan her strateji doğrudan hasta sonuçları ile ilgili olarak tanımlanabilir.

Endüstriyel ağırlık ölçekleri ve hassas güç ölçüm sistemleri, yüksek çözünürlük ve düşük gürültü ile küçük bir dizi kanallarını kullanır.Bu sistemler doğru tasarımla, hassas ADC performansının sert endüstriyel ortamlarda bile teorik sınırların altında olduğunu gösterir.

İletişim altyapısı ekipmanları, 10-20 dB tarafından kolayca dinamik bir şekilde ayarlandığında, radyo spektrumu olmadan daha verimli sinyalleri ayırmak için güvenilirdir. Boru ve SAR mimarlıkları dinamik performans için optimize edilmiş olan dinamik performanslar için optimize edilmiştir. Dijital doğrusallaştırma, polinom düzeltme veya adaptif algoritmaları kullanarak, 10-20 dB tarafından kullanılabilir dinamik aralığı genişletilebilir, bu uygulamalar mevcut ADC teknolojisi ile mümkün olan sınırlarını zorlar.

Anahtar Stratejilerinin Özeti

Doğru ADC sistemlerindeki bozulmayı azaltmak, sinyal zincirinin her aşamasına hitap eden sistematik bir yaklaşım gerektirir. Dijital kalibrasyon ve statik doğrusal olmayanlar için tazminat teknikleri doğrulanırken, dikkatli bileşen seçimi, analog ön uçların minimum ek hataları sağlar.Diferansiyel sinyalleme mimarisinin doğal olarak iptal edilmesini ve hatta sipariş bozulması sağlar. Proper filtreleme, kalkanlama ve PCB, ölçümden dış gürültüyü önler.

Uygulamanın hızı, çözünürlüğü ve güç gereksinimleri için uygun ADC mimarisini seçin. SAR ADCs, orta hızlı uygulamalar için mükemmel doğrusallık sunarken, delta-sigma dönüştürücüleri, göz ardı edilen masalarla çok yüksek çözünürlük sağlarken, polinom düzeltmesi veya adaptif algoritmaların performanslarını daha da artırabilir.

Gerçek dünya sistemi tasarımı, bu stratejileri maliyet, güç, boyut ve işletim ortamına karşı dengelemeyi gerektirir.En başarılı uygulamalar, gerekli doğruluk ve belirli uygulamadaki baskın hataların açık bir şekilde anlaşılmasıyla başlar.In methodically ele alın, tasarımcılar modern elektronik sistemlerin talep edilen gereklilikleri yerine getiren hassas ADC performansa ulaşabilir.

Daha fazla okuma için, ES ADC lineerity) üzerinde ek rehberlik, ADC tasarım ve aDC kalibrasyon teknikleri üzerinde tümleşik olarak bulunabilir.).