Bilimsel analog dönüştürücüler (ADCs) sürekli fiziksel fenomenler ve ayrık dijital temsiller arasındaki kritik bağlantı olarak hizmet eder ve aynı zamanda yüksek çözünürlükte ölçüm sistemleri ile ilgili uygulamalar, nükleer spektroskop ve sistem-prometriden travmatik ve tıbbi görüntüleme talep ADCs'ye kadar uzanan uygulamaları, olağanüstü doğrusallık ve geniş dinamik aralıklarda geniş bir şekilde sunmak, pratik yöntemler ve modeller üzerinde derin bir anlayış gerektirir.

Core Metrics: Linearity and Dynamic Range Defined

Optimizasyon stratejilerine girmeden önce, lineerlik ve dinamik aralık için kesin tanımlar oluşturmak önemlidir, çünkü bunlar sadece soyut özellikler değildir, ancak doğrudan elde edilen verilerin sadakatini ve kullanılabilirliğini belirlemektir.

Linearity: Integral ve Diferansiyel Nonlinearity

Linearity, ADC'nin dijital çıktı kodunun dönüştürücünün tam ölçekli aralığındaki analog girdi gerilimi nasıl doğruladığını doğrulamaktadır. İki temel değer lineerliği tanımlar: İntratürel olmayan (INL) ve diferansiyel olmayan hataların (DNL) diğer taraftan, her bir düz çizgiden en yüksek adımın en yüksek sapması için, tipik olarak DNL'nin düşmesine neden olur.

Yüksek doğrusallık özellikle spektral analiz ve hassas metrolojide kritiktir, harmonik bozulma ve şaşırtıcı tonlar zayıf sinyalleri maskeleyebilir veya yanlış okumalar sunar. doğrusal olmayanlık frekansın frekans alanında harmonik olarak ortaya çıkar, doğrudan şaşırtıcı olmayan dinamik aralığı (SFDR).

Dinamik Aralığı: SFDR, SINAD ve Etkili Bits Sayıları

ADC'lerde dinamik aralığı, dönüştürücünün (tipik olarak tüm ölçek girişi) en küçük algılama sinyaline, genellikle sinyal-to-kimyasal bozulmayı içeren (SINAD) oranının minimum düzeyde olduğu anlamına gelir.In practice, dinamik aralık, SFDR ile (ENOB) arasındaki düşük çözünürlükte (ENOB) ve genellikle gürültü ve harmonik bozulmayı içerir.

Dinamik aralık, büyük amplitude varyasyonları ile sinyalleri ölçümlemek özellikle önemlidir, örneğin sismik izleme veya radyo astronomisi gibi. Geniş dinamik bir aralık, aynı anda zayıf ve güçlü bileşenleri korkutmak veya aşırı ölçüm gürültüsü olmadan sağlar.

Bilimsel ADCs için Temel Mimari Seçimleri

ADC mimarisi, uygulanabilir doğrusallık ve dinamik aralıklarda temel sınırları empoze eder. Uygun dönüştürücü topolojiyi seçin ilk ve en etkili tasarım kararıdır.

Başarıyla-Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs, mükemmel güç verimliliği ve doğal lineerliği için bilimsel araçlama konusunda yaygın olarak tercih edilir. Modern SAR dönüştürücüler ikili ağırlıklı yüksek çözünürlükli dijital kalibrasyonlar için iki kat daha fazla şarj cihazı kullanır. ancak, SAR lineer eşleştirme ile oldukça hassastır; CDAC'ye doğrudan doğrultucun dağıtımı ve DNL'ye kadar yanlış bağlantı sağlar.

Borud ADCs

Borud ADCs, karar ve hız arasında iyi bir ticaret sunar, genellikle DAC'lerin çoğalması için 12-16 bit elde eder ve sahte sinyalleri kullanarak, bir sonraki aşamaya kadar geri dönüşleri alır. Boru hattı olmayan dönüştürücüler için performans, hem geniş bantlı hem de yüksek dinamik aralıklarda gerektiren bir dizi uygulama için, ADC'ler.

Sigma-Delta ( ⁇ ) Modulators

Sigma-delta ADCs, son derece yüksek çözünürlük elde etmek için eşsizdir (yaklaşık 32 bitleri ile birlikte), alttaki bant genişliğine kadar ölçümler yapmak için aşırı derecede yüksek çözünürlükte bulunurlar.

Devre Tasarımı Stratejileri Maximing Linearity için

Mimarlık seçilirken, detaylı devre tasarımı teorik potansiyelin fark olup olmadığını belirler. Hem analog hem de dijital alanlar lineer optimizasyona katkıda bulunur.

Bitirme ve Layout Teknikleri

SAR ve boru hattı dönüştürücüler, lineerlik kapasitör eşleştirme ile yönetilir. Tipik bir ikili ağırlıklı CDAC'de en küçük kapasiteli oranı 2 ^N:1. için 16-bit doğruluk,% 0.0015'den daha iyi eşleşen: Pratik yaklaşımlar gereklidir:

  • [FONT:0]Common-centroid düzeni: Capacitors (veya direniciler), oksit kalınlığında veya dopingte lineer olmayan bir gradients içinde düzenlenir. Örneğin, en büyük kapasitör, ölüler arasındaki birden çok üniteye bölünebilir.
  • [FONT:0]Dummy yapılar:[DFLT:1), Dummy cleors ile aktif kapasitörler, otomatik olarak yanlış bir uyum sağlayan ve işleme kenar etkilerini azaltırlar.
  • DAC'ler için en önemli bitler ikili ölçekli bir dizi ile uygulanırken, en az önemli miktarlar DNL'yi büyük geçişlerde geliştirmek için eşit büyüklükte bir birim elementlerini kullanır.
  • [FONT:0)Calibration-friendly redcy:[Dönetici: Bir kalibrasyon döngüsü sırasında veya dışarı çıkabilen birkaç ekstra birim hücresi, mevcut yanlış eşleştirmenin dijital düzeltmesine izin verir.

Boru hatları için ADCs, referans gerilimi nesli için hassas direnç ağları da dikkatli bir şekilde kesme veya dinamik element eşleştirme gerektirir (DEM). DEM, sistemli yanlış eşleştirmeyi sinyal bandının dışında yatan gürültüyü dönüştürmek.

Low Distortion için Ampiifier Design for Low Distortion

sigma-delta modülcular ve retorikler, operasyonel transkondüktör (OTA) doğrusal olmayanlığın birincil kaynağıdır. Finite DC kazanç, hataları ve harmonik bozulmaları çözmeye yol açar.

  • [FONT:0)Gain artırmak:[Dönetici:[Dönder:) Kaliscode kullanarak veya açık-loop kazanımı artırmak için kaset aşamalarını düzenler.
  • [FONT=0)Köfke-AB çıktıları:[Dönetici:[Dönemli) Büyük slew oranları, hızlı bir şekilde bozulmadan başa çıkmak için büyük bir oranlar sağlar.
  • [FONT:0)Integrator reset ve oto-zeroing:[Dönetici: Removing dengeleme ve düşük frekanslı flicker gürültüsünü kullanarak, kazanılabilir ve çarpıtılabilir.

Yüksek hızlı boru hatları ADCs, geri dönüşüm yükseltici genellikle dengeleme ve 1 /f gürültüyü azaltmak için kısmi kapasiteli bir mimari kullanır ve böylece düşük giriş frekanslarında lineerliği geliştirir.

Diferansiyel İşaretleme ve hatta-Order Distortion Cancellation

Hemen hemen tüm bilimsel ADCs, iki çıkışta tamamen diferansiyel topoloji kullanır, böylece tek yönlü dönüşümle bastırılır.Bu nedenle, olumlu ve olumsuz sinyal arasındaki simetri kritiktir.

Kalibrasyon Teknikleri Linearity'yi Geliştirmek için

En iyi mimarlık ve düzenle bile, süreç varyasyonları ve sıcaklık sürüklenme sistematik doğrusal olmayanlığa neden olur. Kalibrasyon - hem de arka plan - en yüksek performans elde etmek için gerekli.

Foreground Kalibrasyon

Foreground kalibrasyonu, başlangıç sırasında veya özel bir kalibrasyon modunda gerçekleşir. analog test sinyalleri (örneğin, lineer bir rampa veya kesin DC gerilimler) uygulanır ve ADC çıktı kodları kaydedilir. İdeal çıktılardan gelen ADC çıktı kodları bir görünüm olarak depolanır veya kod başına düzeltme kazanır.Bu yöntem doğru statik INL ve DNL ve DNL ve DNL ve DNL hataları düzeltir, ancak hatalar sıcaklık veya tedarik gerilimi ile değiştirir.

Arka plan Kalibrasyon

Arka plan kalibrasyonu ADC gerçek sinyalleri dönüştürürken sürekli çalışır. Genellikle DAC'deki yanlış eşleştirme hataları veya ADC'deki yanlışlık işaretleri normal dönüşüm olmadan tanımlanabilir. Başka bir teknik, DAC'deki birim elemanlarının kullanımını tekrar döndürür ve sonra bilinen ditheransiyel öğe eşleştirmesi kullanır ve yanlış bir şekilde düzeltme yöntemi analiz eder.

Borud ADCs için Dijital Kendinleştirme

Borulu ADCs genellikle daha önce bilinen bir sinyal enjekte ederek ve birçok ticari boru hattının güç tasarrufu sırasında çalışan dijital kalibrasyon motorlarını içerir ve sıcaklık sensörleri aracılığıyla sıcaklık tazminatını sağlayabilir.

Gürültü Azaltılmasıyla Dinamik Aralığın Optimizasyonu

Dinamik aralığı temel olarak gürültü ile sınırlıdır. aralığı genişletmek için, ADC hem ölçüm gürültülerini hem de devre gürültüyü azaltmak zorundadır (termal, flicker ve atış gürültüyü).

Oversampling ve Decimation Filtering Filtering

Oversampling, sinyal bant genişliğinden daha geniş bir bant genişliğine yayılmıştır.De Latercimation filtreleme, dışarıdaki gürültüyü artırır, In sigma-delta ADCs, gürültü şekillendirmek için ek bir artış sağlar: ilk sipariş 9 dB'nin OSR'nin başına yükseltilmesi, ancak ikinci sipariş için 5 sipariş süresine kadar.

Low-Noise Referans ve Güç Supply

Referans gerilimi yüksek çözünürlüklü ADC'lerde en kritik gürültü kaynağıdır. 1/f gürültü köşesi ile referans genellikle gereklidir. Bandgap referansları dolma veya otomatik-zeroing düşük frekanslı gürültü ile düzenlenir. Referans tampon, hassas LDO'lar ve ayrı dijital ve analog uçaklar için dönüşüm döngülerine uygun olarak yerleşmek için yeterince düşük bir çıkış gerekir.

Giriş Signal Duruming ve Antialiasing

Sistem dinamik aralığı analog ön uç tarafından kısıtlanır, sadece ADC. Düşük hacimli hassas yükselteç veya ADC'nin ölçümlü gürültü zemininin altındaki gürültüyü önlemeye yardımcı olur. Ek olarak, keskin bir kesme ile antialiasing filtresini engeller ve ilgi alanına girmekten uyum sağlar.For multichannel systems, careful grounding and protecting avoid crosstalk.

Simultane Linearity ve Dynamic Range için İleri Teknikler

Birkaç gelişmiş teknik, temel mimarilerin ve kalibrasyonun ne sağladığının ötesine geçebilir.

Linearity ve Gürültü Shaping için

Küçük bir dither sinyali (birkaç LSBs) dönüştürmeden önce girişe eklemek, niceleştirme hatası ve sinyal arasındaki korelasyonu bozar, harmonik bozulma bileşenleri azaltır. SAR ADCs'de, bu dithering ayrıca sayısal olarak yardımcı DAC. ile birlikte, dither daha sonra dijital alandan çıkarılır.

Dijital Eşitleştirme ve Post-Processing

Sistem perspektifinde, dijital sinyal işleme dinamik aralıkları uzatabilir. Örneğin, doğrusal olmayan bir düzeltme LUT, Kalibrasyon sırasında elde edilen LUT'un INL hataları için telafi ettiği ve gerçek zamanlı olarak çıkarılan dinamik olmayan modeller için doğrulanabilir.

Hybrid Show Topologys

Örneğin, yüksek performanslı bilimsel ADCs'lerin bazıları birden çok mimariyi birleştirir. Örneğin, bir boru hattı (Pipelined-SD) hibrit, yüksek doğrusallık ve gürültü şekillendirmeye ilk aşamada bir sigma-delta modülatörü kullanır ve geri kalan miktarlar için bir boru hattın sabitlenmesine izin verir.

Sistem Entegrasyonu için Pratik Değerlendirmeler

En iyi tasarlanmış ADC bile, çevreleyen sistem dikkatlice mühendisi değilse özelliklerini karşılayamaz.

Termal Yönetim ve Sıcaklık İstikrarı

Linearity ve dinamik aralığı hem sıcaklıkla hem de sıcaklıkla aynı şekilde değişir. Capacitor eşleştirme sürükler, OTA düşük sıcaklık katları ile bileşenler seçimi (örneğin COG/NP0 kapasitörler) ve ısı kontrollü odalar (ısıltma, hava akışları) yeterli.

PCB Low Gürültü ve Yüksek Linearity için Layout

Ana Sayfaya yakın yüksek hızlı dijital izler ADC'ye geri dönebilir ve her güç kaynağı için tek bir bağlantı noktası (ADC zemin pin) ile bağlantı noktası olarak ayarlanabilir. Giriş sinyali hatları kontrol edilen eğimli çiftler olarak yönlendirilmelidir.Her güç kaynağı için ayrık kapasiteye sahipler, cihazına mümkün olduğunca yakın yerleştirilir.

Bitirme ve Üretici Rehberlik

ADC bileşenleri satın alırken, veri tablo özellikleri dikkatli bir şekilde gözden geçirilmesi önemlidir.INL ve DNL değerleri tam sıcaklık aralığı üzerinde değil, sadece 25 °C. Bilimsel ADCs için, birçok satıcı, değerlendirme kurulları ve uygulama notları sunar.[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Bilimsel ADC'lerde yüksek doğrusallık ve geniş dinamik aralık, mimari seçimi, devre tasarımı, kalibrasyon ve sistem düzeyinde entegrasyon gerektirir. Tek bir teknik yeterli değildir; en iyi sonuçlar, karmaşık bir şekilde birçok stratejiyi bir araya getirerek, modern SAR ve sigma-delta dönüştürücüleri, dithering, arka plan kalibrasyonu ile gelişmişken, daha ileri düzey bir şekilde 20bit ENOB'ye yaklaşabilir.