Portre spektroskopi aletleri, birçok endüstride vazgeçilmez araçlar haline geldi, bu dönüşümün kalbinde bir kez laboratuvar ayarlarına sınırlıydı.Su kaynaklarına göre, uzaktan kliniklerde tıbbi koşulları tespit etmek için, bu cihazlar, yüksek çözünürlükte ve düşük güç tüketimine güvenen karmaşık bir mühendislik meydan okuması, ancak bu dönüşüm alanı için gerekli olan bir bileşendir.

Portre Spectroskopi için Büyülü Talep

Hareketli analitik cihazlara geçiş gerçek zamanlı olarak, in-situ karar verme ihtiyacı tarafından yönlendirilir.Demokratlı denetim ajansları, makinedeki ham materyali doğrulamak için el cihazlarının (NIR) ve Ramantrometrelerin her durumda, ADC, elektrik kaynağının tükenmesi gereken kan veya doku örneklerini analiz edebilir.

Doğrudan bu şişenin ADC tasarımında temel ticaret-offları anlamak gerekir. Çözüm, genellikle biraz ifade edilir, ADC'nin en küçük sinyal değişikliğini tespit edebilir. Örneğin, 65,536'da bir kısım çözebilir; 18 bit dönüştürücü bir çözüm, bu parametreleri minimum enerji çekme için gerekli olan tutar.

ADC Architectures Suited for Spectroskop

Tüm ADC mimarisi, taşınabilir spektroskopi için gerekli yüksek çözünürlük ve düşük güç kombinasyonu için eşit derecede uygun değildir.En yaygın kullanılan tipler başarı ile ilgili olarak en yaygın kullanılan modülasyon kaydı (SAR) ADCs ve sigma-delta ( ⁇ ) modüller.

Başarıyla-Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs hız, çözünürlük ve güç arasında güçlü bir uzlaşma sunuyor.Onlar giriş sinyalini ikili arama algoritması kullanarak karşılaştırarak çalışır, genellikle mevcut düşüklüğü tutarken 18 bitim hızlarını sağlar. Örneğin, 16-bit SAR ADC, analog cihazlardan veya Texas Instruments'tan daha az sayıda megample şarj eden birkaç megabitometreden daha az çalışır.

Sigma-Delta ( ⁇ ) ADCs

Sigma-delta ADCs, düşük bant genişliği sinyalleri için son derece yüksek çözünürlükte (20 bitleri veya daha fazla) teslim etme yeteneği için ünlüdür.Influences oranına göre çok daha hızlı giriş yapın ve sonra ölçümler ölçümler için kullanılan otomatik devreler için, otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatikleştirilmiş bir şekilde otomatikleştirilmiş bir şekilde otomatikleştirilmiş veya otomatik olarak otomatikleştirilmiş bir şekilde otomatikleştirilmiş otomatikleştirilmiş bir şekilde otomatikleştirilmiş otomatikleştirilmiş devreler için, otomatik olarak otomatik olarak şarj edilebilir.

Güç tüketim Challenges in Detay

Karardan ödün vermeden düşük güç ADC'yi tasarlamak, birkaç ilgili engelin üstesinden gelmek içerir:

Termal Gürültü ve kT /C Limitleri

CMOS teknolojisinde temel gürültü zemini termal gürültü tarafından belirlenir, bu da kapasiteye sahip ölçekler. Gürültüyü azaltmak ve yüksek çözünürlük elde etmek için, örnekleyiciler büyük olmalıdır, ancak daha büyük kapasiteliler yükselteçleri ve dinamik güç tüketimi artırmak (P) = C Yük ) × Vkapı)[DDDD × f) Tasarımcılar, yüksek çözünürlükte gürültüyü yerine getirmeleri için sabitlenebilir.

Karşılaştırmacı ve Amplifier Power

Hem SAR hem de sigma-delta mimarlıkları, güç kullanımını hükmetmiş olan hesaplamalara ve operasyonel yükselteçlere güveniyor. Düşük mevcut tüketim ile yüksek kazanç ve bant genişliği elde etmek klasik analog tasarım meydan okumasıdır. Dinamik komparlar gibi teknikler (bu, statik mevcut olmayan yükselteçler) ve dönüştürücüler-bazlar genellikle güç kullanımını azaltmak için kullanılır.

Gerilme Kaynağı

Düşük tedarik gerilimlerinde (örneğin, 3.3 V yerine 1.2 V) dijital geçiş gücünü dramatik bir şekilde azaltır, ancak sinyal salımı ve baş odağını zorlar. taşınabilir bir araçta, ADC genellikle volts'a kadar giriş sinyalleri ele almalıdır, dikkatli bir şekilde ölçeklendirmek için ölçeklendirme gerektirir. Supply azaltım ayrıca substratı gürültü ve güç kaynağına duyarlılığı artırmak için hassaslığı arttırır.

Dijital Güç ve Interface Overhead

ADC kararları arttıkça, dijital geri dönüş - elgma-delta modülatörler için dijital filtreler, veri formatı ve seri arayüzler - SPI gibi yüksek hızlı seri arayüzler, gerektiğinde çıktı verileri azaltıp azaltma gibi.

Yüksek Çözünürlük için tasarım stratejileri, Low-Power ADCs

Mühendisler, yukarıdaki zorluklara ulaşmak için zengin bir devre ve sistem düzeyinde teknikler geliştirdiler. Aşağıdaki stratejiler özellikle taşınabilir spektroskop ADC tasarımı ile ilgilidir:

Oversampling ve Gürültü Shaping

Sigma-delta modülatörler doğal olarak daha geniş bir bant üzerindeki gürültüyü yaymak için aşırı kullanım sağlar ve sonra sinyal bandından gelen gürültüyü şekillendirir. Bu, daha düşük sipariş modülcülerin kullanımını daha basit bir analog devre ile sağlar, çok-dettör sisteminde birden fazla kanalda sabitlenir ve paylaşılabilir.

Low-Voltage Devre Tasarımı

Tüm ADC zincirini 1.0-1.2 V'de çalıştırın, düşük performanslı düzenleyicileri kullanarak sinyale uygun olarak çalıştırın. Güçlü gerilimler gibi sinyal devretme sistemleri, genellikle sinyalin yüksek gerilim olmadan iki katına çıkar. Referans gerilimleri düşük performanslı düzenleyiciler kullanılarak yapılır.

Verimlileştirici Topolojiler

Sürekli zamanlı yükselteçler gerektirmez anahtarlayıcı devreler statik gücü büyük ölçüde azaltabilir. Örneğin, bir SAR ADC'de, komperatör sadece sınıf-AB çıkış aşamalarındaki güç kullanan dinamik bir önyükleme olabilir. Benzer şekilde, sigma-delta modüllatorda, bütünleştirme devreleri yalnızca belirli saat aşamalarında operasyonel olarak çalıştırılabilir.

Bütünleşik Güç Yönetimi

Birçok modern ADCs birden fazla güç modları içerir: aktif tarama sırasında tam performans modu, sadece sızıntı ile uyumak ve hızlı uyanma ile modunda durmak. taşınabilir bir spektrometrede, ADC sadece bir spektrum toplandığında (örneğin, her birkaç saniye) tedarik ve saat daha fazla ayarlanabilir.

Zaman-Kontrol Mimarileri

Yüksek hızlı bir veri satın alma (örneğin, geniş bir dalga aralığı hızla taranır), zaman tasarrufu ADCs, analog alanda veya dijital olarak tek bir dönüştürücünün gücünü yükseltmeden kesintiye uğrayabilir.Son araştırma, 12 perva kanal arasında daha az rahatlatıcı bir çözüm elde eder.

Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar

Birkaç gelişmekte olan teknoloji, ADC performans sınırlarını daha da taşınabilir spektroskop için zorlamaya söz verir:

Gelişmiş CMOS Process Nodes

28 nm, 22 nm ve daha küçük düğümler dijital yoğunluk geliştirir ve dinamik gücü azaltır. Ancak, bu düğümlerdeki analog performans, “dijik kazanç ve artan sızıntıya dayalı olarak” ADCs ile uyumludur.

Makine Öğrenme Kalibrasyon

Makine öğrenimi (ML) algoritmaları, özellikle de sinir ağları, ADC'lerde gerçek zamanlı olarak irdelenmemiş olmayanlar için kullanılır. Örneğin, küçük bir sinir ağı bir sigma-deltaor transfer fonksiyonunu öğrenebilir ve doğrusal olmayanlık ve gürültü için doğru düzeltme sağlayabilir.Bu, yüksek etkili bir karar elde ederken daha basit analog ön uçların kullanımını sağlar.In portatif aletlerde, bu tür ML bazlı kalibrasyonlar sıcaklık ve gerilim varyasyonlarını uygulanabilir, cihazın ömrünün üzerindeki doğruluklarını koruyabilir.

Tümleşik Fotonikler ve ADCs

Tek silikon substratında fotonik-elektronik entegrasyonu, fotodetectors, yükselticiler ve ADC'lerin tek bir silikon substratı üzerinde uyumlu olduğu ortaya çıkan bir alandır. Bu, parasitik kapasitansları ve bağlantı kayıpları azaltır, daha düşük gürültü ve güç sağlar. Araştırmacılar aynı zamanda tümleşik fotosentez dizileri ve 12-bit ADCs ile aynı ölüler üzerinde toplanabilir, el NIR analizörleri hedefleyebilir.

Sub-Threshold and Near-Threshold

Alttaki bölge (V)) Alttaki transistörleri çalıştırın (V)[değiştir | kaynağı değiştir], ATHD:3). 16-bit çözünürlükte gücü azaltabilirken, hız ve gürültünün maliyetine göre.

Portreatif Spectroskopi ADCs

Eli Raman Spectrometre

Tipik bir el Raman sistemi, Metro veya Rigaku'nun dar Raman zirvelerini çözmesi için 532 nm veya 785 nm lazer kullandığı gibi, ADC veya CMOS dektörlüğü ile bir ADC'nin 5 saatlik işlemden 58 Whm veya Rigaku'nun 5-bit ADC'nin daha az sayıda cihazla işlemden faydalanması için tercih ettiği gibi, ADC gücündeki yüksek çözünürlükte 16-bit ADC'nin 8'i daha fazla kontrol altına almak için genellikle 10 mW veya daha az işlemden daha fazla kontrol eder.

Miniature NIR Spectrometre

Kırsal NIR spektrometreleri, Viavi Solutions tarafından geliştirilenler gibi, birden çokxer ve tek ADC tarafından okunuyor. Gerekli karar genellikle 16-18 bitleri tahıl ve ürünlerdeki ince absorpsiyon farklarını ayırt etmek için.- Sigmadelta dönüştürücüler genellikle yüksek çözünürlük ve düşük gürültüyü nispeten yavaş okuma oranlarında (örneğin Texas Instruments (24 bitleri) kullanır.

Point-of-Care Fluorescence

Biyomarkers veya patojenleri tespit etmek için portatif floresan sensörleri son derece yüksek hassasiyet gerektirir. ADC, bir foton-saygılı tüpü kullanarak (PMT) hızlı ADC (örneğin, 100 MSPS) ile takip edebilir.ADC, 1 GSPS, 1.9 W) tek bir şarj cihazı kullanarak, yüksek çözünürlükte kullanım için yüksek çözünürlükte kullanım için çok özel bir şekilde kullanılabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yüksek çözünürlüklü, düşük güç ADCs, taşınabilir spektroskoplarda ilerlemenin temel taşlarıdır.Süresel olarak tasarıma uygun olarak gelişmiş devre tekniklerini kullanarak ve ADC tasarımında, en sonunda makine öğrenimi kalibrasyon analizlerini kullanarak, yeni uygulamalara ulaşmalarını sağlar - bir çiftlikte sıkı güç ve performans gereksinimleriyle karşılaşabilir.Demek için bilgisayar destekli ölçümler arasında yapılan işlemlerde ve enerji tüketimi, ADC tasarımındaki yeniliklere devam edecektir.

Daha derin bir şekilde beslenen okuyucular için, aşağıdaki kaynaklar mükemmel teknik derinlik sağlar:

  • [FONT:0)Analog Cihazları – ADC ürün portföyü).
  • [FONT:0)Texas Instruments – ADC tasarım kaynakları).
  • [03.2012:0]IEEE Paper: 16-b 100-kkS / Düşük Enerji SAR ADC with Digital Calibration)
  • [0]Doğa Bilimsel Raporlar: Entegre fotonik spektrometresi ile birlikte, ADC ).