Delta Modulation in Pri ASIC Design

Delta modulation (DM) analog-malzemesel dönüşümde temel bir tekniktir, kodlanmış tümleşik devrelerin (ASICs) yüksek performanslı uygulamaları hedef alan modern sistemlerde, düşük güç ve alan verimliliği yalnızca tek bir sayısaldır, ASIC tabanlı delta modulation, karmaşık ve performans arasında mükemmel bir şekilde cazip bir işlem sunar.

Delta Modulation nedir?

Delta modulation, tahmin edilebilir kodlama şemalarının ailesine aittir. Her örnek büyüklüğü temsil etmek yerine, yeniden inşa edilen sinyali (toplayıcının) analog girdiden veya azaltıldığını gösteren bir örnekletir; fark (terör), bir bütünleme veya bir optimizasyona eklenir.

Çıktı biraz oranı örnekleme frekansına eşit, temel teoride delta modulation doğal olarak verimli hale getirir.Kullanım Alanların basitliği sınırlıdır - karmaşık dijital filtreler veya multi-bit flash dönüştürücüler - doğrudan ASIC'de daha küçük bir enerji tüketimine geçilir.

Temel Operasyon Prensipleri

  • [FONT:0]Comparator:[Dönetici:[Dönetici:0)[[Dönetici:0)[[Dönetici:[Dönetici:0)) Ana giriş ve yeniden yapılandırılan sinyal arasındaki farkı bütünleşmek.
  • [FONT=0)1-Bit Quantizer: [Dönetici: [Dönetici 1) Hata olumlu veya düşükse (olojik 0) eğer negatiftir. Bu ikili akış, delta-modated çıktı.
  • [FONT:0)Integrator:[DÜDÜDÜDÜDÜDÜSTR:0)[DÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜye Olmayanlar: [DÜye Olmayanlar İçindekiler: 0,8] Bir ASIC'de, bu genellikle bir DAC'yi beslemesi olarak uygulanır.
  • [FONT=0)Sampling Saat:[Dönetici:[Dönetici:0)) Biraz oranı belirler ve karar ticaret-off. Yüksek saat oranları ölçüm gürültüyü azaltır, ancak güç ve bant gereksinimleri artırır.

Delta Modulation in Pri ASICs

Delta modulation'ı doğrudan özel silikonda uygulama, eşsiz sistem düzeyinde avantajları ekleyerek intrinsic faydalarını basitleştirir. Aşağıda daha önce bahsedilen temel avantajları genişletiyoruz, daha derin mühendislik bağlamı sağlıyoruz.

Yüksek Hızlı Operasyon

Özel ASICs, belirli bir akış için, hızlı seri bağlantılar için (örneğin, 5G taban istasyonları veya radar sistemleri için) uygun şekilde, ASIC'de mantık yolu, belirli bir miktar akış için optimize edilebilir, mini hızlı seri bağlantılar için (örneğin, 5G taban istasyonları veya radar sistemleri için veri dönüştürücüleri)

Düşük Güç Tüketimi

Çok-bit ADCs, decimasyon filtrelerinin yokluğu ve büyük hafıza tamponları dinamik gücü büyük ölçüde azaltır. Delta modulation'ın temel devreleri -orta örnekleme oranlarında ölçümleyici, optimizasyon ve hızlayıcılar ile çalışır.In batarya-güçlü IoT sensörleri ve implantable tıbbi cihazlar, her nanojoule sayımlar; ASIC- bazlı DM genellikle 100 μW

Compact Die Area

Tek bir ASIC üzerinde tüm delta modulation işlevi, ayrı bileşenlere kıyasla önemli bir yönetim alanı kurtarır (örneğin, op-amps, koaratorlar, pasif bütünleştiriciler). Endüstriyel izlemede modern derin-ortalama düğümleri (28 nm, 16 nm, veya daha küçük), ölçümleme ve bütünleştirme sadece birkaç yüz kapı gerektirir, aynı dijital sinyal işleme veya birden fazla kanal için odadan ayrılır.

Özelleştirme ve Flexability

ASIC tasarımcıları, hedef uygulama için her türlü delta modülatörün her yönünü tertemizleyebilir. Parametreleri adım büyüklüğü, süreklilik ve döngü filtre özellikleri her iki hız ve enerji için donanımda optimize edilebilir veya kısmen programlanabilir hale getirilebilir. Örneğin, bir Adaptif delta modüllator (ADM) eğimi azaltmak için adım boyutunu dinamik olarak azaltılabilir.

ASICs için özel tasarım dikkate alınır

Güçlü bir delta modulation ASIC birkaç analog ve dijital tasarım parametrelerine dikkat gerektirir. Aşağıdaki alt bölümler en kritik faktörleri detaylandırır.

Sampling Rate and Over-Sampling Rate

Örnek frekans en az iki kez sinyal bant genişliği (Nyquist kriteri), ancak DM'de yüksek çözünürlükte yüksek oranda ölçüm oranı (örneğin, RF uygulamaları için 16× 64×) gruptan ölçüm yapmak için gürültüyü artırmak gerekir. ancak, yüksek hızlar güç tüketimini ve dijital hızları artırmak için gürültü performansı dengelemek gerekir.In audio (20 kHz bant genişliği), 2.048 MHz saat yaygındır; RF uygulamaları için (>10 MHz), saat oranları 1 GHz'yi aşabilir, yüksek talepler zamanlarını yukarı sürebilir.

Sayım Mimarisi ve Çözümü

Geleneksel delta modulation 1-bit ölçüm cihazı kullanır, ancak çok-bit (örneğin, 2-bit veya 3-bit) ölçümleyicileri, ayar karmaşıklığı ve güç pahasına dinamik aralığı ölçebilir. ASIC'de, ölçümleyicisi 2 )N veya 3-bit) ile uygulanabilir. Tasarımcı, 3.

Feedback Loop Stability and Gürültü Shaping

Geri bildirim yolundaki bütünleme (s), daha sonra düşük uçlu bir filtre siparişinden kaçınmak için dikkatli bir şekilde telafi edilmelidir: Gürültü şekillendirme işlemi iki kez daha iyi gürültü şekillendirmekte, ancak şarj ağlarının yüksek frekanslarını kullanarak gürültüyü hızlandırmalıdır.

Güç Yönetimi ve Gerekleme

Bir ASIC'de, delta modülatörü çekirdeği genellikle daha düşük bir gerilimde çalışır (örneğin, 0.8 V-1.2 V) dinamik gücü en aza indirmek için.Kolaylayıcılar gibi özel bir düşük projeksiyon cihazının ana odaya ayrı bir yüksek gerilim tedariki gerektirebilir. Seviye değiştiriciler ve güç alanı izolasyonu önemlidir. Ayrıca, saat dağıtım ağı performansın bozulmasını önlemek için düşük ske-w ile tasarlanmıştır.

Layout ve Parasitic Effects

Bir delta modulation-IC'in karışık doğası dikkatli zemin planlamasını talep eder. Analog ve dijital bloklar dijital geçiş gürültüyü hassas kotatöre ve bütünleştirici halkalar, derin bir şekilde izolasyona ve özel substrat temaslara yardımcı olabilir. Parasitic geri bildirim yolundaki kapasiteleri sürekli değiştirebilir, bu yüzden geri dönüşüm simülasyonu önemlidir.

Delta Modulation ASICs'lerde meydan okumalar ve Mitigations

Basitliğe rağmen, delta modulation iki tanınmış eserlerden muzdariptir: 03.03.2012.0) ve [[Dönüşük:2|kürekli gürültü[Dönetici: 2 ).

Slope Overload

Slope aşırı yükleme, giriş sinyalinin en yüksek eğimden daha hızlı değiştiğinde, büyük yeniden yapılandırma hatalarına neden olabilir. Bu özellikle yüksek frekanslı bileşenler veya hızlı geçiciler için sorunludur.

  • [FONT:0) Adım boyutunun yaratılması:) Daha büyük bir ölçümleyici adım, tümellerin daha hızlı sinyalleri takip etmesine izin verir, ancak sinyal yavaş olduğunda granular gürültülerini artırır.
  • [FOM: [Dönetici:0) Adaptif delta modulation (ADM): ), son derece modele (örneğin, dört ardışık bit aynıysa, bunu basit bir geçiş kaydı ve mantıkla uygulayabilir, minimum donanım ekliyor.
  • [FONT=0) Yüksek sipariş döngüleri:[Dönetici:0) Çift-integration DM (ikinci sipariş) daha iyi bir iz izleme sinyalleri sağlar, ancak stabilite kısıtlamaları iyileşmeyi sınırlandırır.

Granular Gürültü

Granular gürültü, girdinin DC veya yavaş yavaş değiştiğinde ortaya çıkan boş bir modeldir. Gerçek değer etrafında ölçümleyici osilasyon üreterek düşük bir gürültü zemini üretebilir (veya görünür) gürültü zemininde.

  • [FONT:0)Dithering:[Dönetici:[Dönetici:0)) Küçük rastgele veya püfürücü gürültüyü hesaplamadan önce girişe ekleyen bu, gürültü spektrumunu daha yüksek frekanslara değiştirir.
  • [FONT:0) Çok-bit ölçüm:[Dön-Dönetici:[Dönetici:0) Daha Fazla Seviyeler, karmaşıklığın maliyetinde boşluğa indirgenir.
  • [FONT:0)Post-processing:[[Dönetici: [Dönetici:0) Bir dijital düşük geçit filtresi (aynı ASIC üzerinde basitleştirilmiş) yeniden yapılandırılabilir sinyal, entenuating granular gürültü.

Bu ticarete mükemmel bir derin bir at için, bkz.ENFLT:0)Texas Instruments application not on delta modulation).

ASIC Design'da Delta Modulation için uygulama akışı

Özel bir ASIC'de bir delta modülatörü uygulamak, analog döngü için eşsiz düşüncelerle standart bir karma tasarım akışını takip eder.

Sistem-Level Modeling

Mühendisler Verilog-AMS, Simulink veya SystemC-AMS gibi araçlarda davranış modellemeye başlar. Bu aşama örnekleme frekansı, adım boyutunu, döngü düzeni ve niceleştirici kararlarını tanımlar. Analog ve dijital parçaların Co-simulation of the Analog and digital parts, silikona girmeden önce stabilite ve gürültü performansını doğrulamaya yardımcı olur.

Analog FrontBit- Design

Kompatörü ve bütünleme, transistör seviyesinde tasarlanmıştır. Yüksek hızlı uygulamalar için, tamamen diferansiyel bir hesaplama (projeksiyonel ve rejeneratif latch) tipiktir.Entegreor yüksek ücretli bir devre olabilir. Anahtar ölçümler bant genişliği, yarı iletkenlik, dengeleme ve gürültü içerir. Post-layout simülasyonları performans tutar.

Dijital Mantık Uygulamasını Uygulamalı

Dijital bölüm 1-bit akışı ile ilgilidir, genellikle basit bir latch veya adaptasyon için küçük bir devlet makinesi. Daha gelişmiş tasarımlarda, dijital taraf da demasyon filtreleri içerir. Synthesis basit çünkü mantık en az. Saat senkronizasyonu analog örnekleme saati ve dijital alan arasındaki kritiktir - metastabiliteden kaçınmak için tek bir saat kaynağı.

Doğrulama ve Test

Fonksiyonel doğrulama, eğim aşırılığı ve granular gürültüyü neden olan sinyalleri ile köşeli simülasyonlar içerir. Analog karışık-signal simülasyon (örneğin, Cadence Spectre AMS) kullanarak analog döngü doğru yanıt verir. Test çipleri, Prokondulmuş sinyale eklenebilir. Prodüksiyon testi genellikle DC dengelemeyi kontrol eder, lineerliği ve SNR hedef örnekleme frekansında SNR'yi kontrol eder.

Delta Modulation in Pri ASICs

Yüksek hız, düşük güç ve küçük alan eşsiz kombinasyonu, çeşitli talep edilen alanlarda için delta modulation ASICs idealini yapar. Aşağıda genişletilmiş örnekler sunuyoruz.

Kablosuz İletişim

Dijital radyo frekansı (RF) bağlantıları, delta modulation orta frekans (IF) örnekleyiciler ve doğrudan alıcılar tarafından kullanılabilir. kanal başına 1-bit çıktı doğrudan bu uygulama üzerinde kullanılabilir. 5G büyük MIMO veya uydu transceiversiyonları, her biri >2 GS /s'te çalışan, kanal başına çalışan onlarca delta modülatörü entegre eder.

Ses İşleme

Yüksek sadakat dijital ses kodları genellikle sigma-delta modulation (a close relative) kullanıyor, ancak saf delta modulation düşük maliyetli ses kodlu ve interkom sistemleri için kullanım süresine izin veriyor. işitme yardımcıları, bir delta modulation ASIC ile iletişim kurabilir.

Sensör Data Acquisition

Endüstriyel ve otomotiv sensörleri (kıt, baskı, hızlar) genellikle yavaş çeşitli sinyalleri üretir. Bir delta modulation ASIC bunu son derece düşük güçle sayısalleştirebilir, sonra tek bir tel üzerinden 1 bit akışı iletir.

Tıbbi Cihazlar

Hız vericileri, nörostimulatörler ve glukoz monitörleri gibi pratik tıbbi cihazlar aşırı güç verimliliğine ve güvenilirliğine ihtiyaç duyar. Delta modulation ASICs, biyo-potansiyel sinyallerin (ECG, EEG) için analog sayısal dönüşüm sağlar. 1-bit çıktı doğrudan RF telemetri bağlantısına bağlanır, sistem mimarisini daha basitleştirir.

Alternatif Modulation Teknikleri ile Karşılaştırma

delta modulation'ın nerede başardığını anlamak için, diğer yaygın dönüşüm programları ile karşılaştırmak yardımcı olur.

Delta Modulation vs. Pulse-Kom Modulation (PCM)

PCM her örnek birden fazla bit ile kodlanır, yüksek çözünürlük sunar ancak karmaşık ADC (e.g., başarıcı yaklaşım veya boru hattı) gerektirir. PCM ayrıca yüksek dinamik aralığı (>90 dB) gerektiğinde daha iyi olur. Delta modulation trades çözünürlüğü.

Delta Modulation vs. Differential Pulse-Kom Modulation (DPCM)

DPCM ayrıca kod farklılıkları da kullanıyor, ancak çok fazla ölçümleyici kullanıyor. Aynı miktar için DM'den daha iyi SNR sunuyor, ancak tahminci karmaşıklaşıyor. bir ASIC'de, DPCM daha fazla kapı ve analog hassas gerektirir. DM, sinyalin sınırlı yüksek frekanslı içeriğe sahip olduğu ve en basit çözümün arzulandığı zaman tercih edilir.

Delta Modulation vs. Sigma-Delta Modulation ( ⁇ )

Sigmadelta modülatörler, ölçümleyiciden önce bütünlemeleri yerine getirir, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte şekillenirler. ⁇ yüksek çözünürlüklü ses ve ölçüm ADCs (24 bits) için baskın seçimdir. Ancak, ⁇ , gerekli olan ENOB ve gelişmiş dijital sistemlerin kullanılabilirliği ile ilgilidir.

Delta Modulation ASICs

Gelişen teknolojiler ve uygulama talepleri, 6G iletişim için doğrudan RF örneklemelerine devam ediyor. Gelişmiş düğüm ölçeklendirmesi (7 nm ve aşağıda), delta modüllatorlarının, 6. Yapay zeka donanımını giderek daha fazla kullanmasına izin veren, 1 bit akışı doğrudan yükseltgenme süresine işaret eden, notlamalı bilgi kaynakları, 10 GHz'in ötesinde saat hız oranlarının nereden toplandığını araştırılıyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Delta modulation, özel ASIC'lerde uygulandığında, hızlı, güç verimliliği konusunda zorlayıcı bir karışım sunar ve yüksek performanslı sinyal işleme için basitlik tasarlayın.Sadece sinyal değişiklikleriyle, dijital arayüz bant genişliğini azaltır ve donanım karmaşıklığını azaltır. delta modulation ASICs, hem performans hem de diskometrik araçları talep eden yenilikçi ürünlerle ilgilenmeye devam eder ve genişletilebilir.