Sigma-delta аналогово-цифрові перетворювачі (ADCs) є задньою системою високоточних вимірювань, від точного медичного приладу до високого класу контролю аудіо та промислового процесу. Їх унікальна архітектура досягає високої роздільної здатності через перенапругу та шумоутворення, але зберігаючи цю роздільну здатність вимагає виняткової лінійності. Нелінійність вводить гармонічне спотворення і деградує ефективну кількість біт (ENOB), безпосередньо компроматизація точність вимірювання. Ця стаття вивчає джерела нелінійності в sigma-delta ADCs і представляє перевірені стратегії для підвищення лінійності для найбільш затребуваних високоточних додатків.

Розуміння лінійності в Sigma-Delta ADC

Лінійний термін дії в ADC описує, наскільки вірно цифровий вихідний код відповідає аналоговій вхідній напругі по всій повному діапазоні вхідних даних. Два ключові метрики, які квантіфікують лінійність: інтегральна нелінійність (INL) і диференціальна нелінійність (DNL). INL вимірює відхилення фактичної функції передачі від ідеальної прямій лінії, при цьому DNL захоплює рівномірність розмірів кроку між сусідніми кодами. У sigma-delta ADCs, нелінійність проявляється як небажані спритні тони і гармонічні спотворення, особливо коли вхідний сигнал знаходиться поблизу повнорозмірних частот або має періодичний характер. Тому, що мітують високі помилки

До основних джерел нелінійності в sigma-delta ADC відносяться:

  • Кількість шаблонів змін – У модуляторах низького порядку, помилка квантизації може бути співпов'язана з входом, виготовляючи свічкові тони.
  • Analog схема недосконалості] – Нелінійності в оперативних підсилювачах, конденсаторів, перемикачів та посилань, що вводять спотворення.
  • Capacitor mismatch] – У переключених конденсаторних інтеграторів, незмінює між блоками конденсаторів, що генерують сигналзалежні помилки.
  • Clock jitter – Випадкові варіації в вибірці миттєвих перетворень в шум і гармонічне спотворення, особливо на високих частотах.

Адреса даних джерел систематично є важливим для досягнення 16-го до 24-бітних рівнів точності, необхідних для точності зважування, збору даних та сенсорних інтерфейсів.

Ключові джерела нелінійності

Конденсаторний розчин і зарядка ін'єкцій

Перемикачі-конденсаторні інтегратори спираються на точні співвідношення конденсаторів. Допуски до виготовлення викликають випадковий невідповідність, що призводить до отримання помилок і нелінійності. Зарядка ін'єкції від MOS перемикає передачу заряду, особливо як зміни вхідної напруги. Динаміка відповідності динамічних елементів (DEM) можуть пом'якшити невідповідність, але вони вводять складність в цифровому домені.

Оперативний підсилювач нелінійності

Операційний підсилювач інтегратора (оп-ампа) повинен мати надзвичайно високий відкритий набір і достатню пропускну здатність, щоб точно впорядкувати протягом годинникової фази. Finite отримує помилку, нелінійна вихідна стійкість виробляє гармонічні спотворення. Для високолінійних конструкцій, op-amps часто розроблені з підвищенням продуктивності або каскодових конструкцій, а методи планування мінімують параметри параситичних ємностей.

Квантиз Не-Idealities

У багатобітних модуляторах Sigma-delta, компаратори внутрішнього квантізатора або флеш-моделі ADC страждають від зміщення невідповідності та гістерезу. Ці недоліки створюють мертві зони або нерівномірні пороги напруги, введення обох DNL і INL помилок. Оберігання та передопрацювання допомагають зменшити ці ефекти.

Напруга довідка та запас шуму

Внутрішній абзационно-вимірювальний напругу та силові потоки повинні бути виключно чистими. Ріплі або термічний дрейф на посилання безпосередньо перекладається на отримання помилок і спотворення. Виділені низьконезні регулятори, декоулінгові мережі та захисні кільця є стандартними практиками.

Стратегії підвищення лінійності

1. Техніка для їди

Що стосується додавання невеликого, некоректного випадкового сигналу (типово на рівні LSB) перед квантізатором. Він визначає помилку квантизації від введення, розбиває тони свічок і зменшує гармонічне спотворення. Дрібно може бути аналогом — ін'єкційним шляхом точного джерела струму випадкових — або цифрового, де послідовність псевдо-раном додається до виходу квантізатора і відхилена пізніше. Трейд-оф є невеликим збільшенням шуму підлоги, але поліпшення лінійності часто драматичне. Для модуляторів високого порядку, ретельно формований дитер може мінімізувати шум при пригнінні тони.

2. Калібрування та цифрове виправлення

Цифрова калібрування компенсує аналогові неідеальні властивості шляхом регулювання коефіцієнтів або умов корекції в режимі реального часу. Два загальні підходи:

  • Дляземне калібрування – Виконується під час запуску або свічкового режиму, застосовується відомий тестовий сигнал, а відхилення вимірюється для обчислення параметрів корекції.
  • Background калібрування – Безперервно корегує параметри при нормальній роботі з використанням кореляції або введенням невеликого пілотного тону. Попереднє калібрування є важливим для додатків, які вимагають безперервної точності за температури і старіння.

Алгоритми цифрової корекції також можуть компенсувати конденсаторний емблем, зберігаючи вимірювані ваги і застосовуючи FIR-подібну корекцію після дециметраційного фільтра. Для подальшого читання на цифровому калібруванні в sigma-delta ADCs див. ] Технічна стаття Аналог Пристрої про методику калібрування .

3. Розширення естологічних методів модулятора

Вищий Ордер шуму формулювання

Збільшення порядку модулятора штовхає більш химерність від смуги інтересу, зменшення помилки в діапазоні і необхідності в надзвичайно лінійних аналогових компонентах. Однак стабільність стає більш складним. Топології Каскад (MASH) розподіляють шуми транзисторизації по декількох петлях і відтворюють їх цифрово, досягаючи відмінної лінійності без проблем стабільності.

Багатоbit Quantizers

Заміна одностороннього квантізатора з багатоплатним квантізатором (наприклад, 3-бітним або 4-бітним) зменшує розмір квантизації та властиво покращує лінійність, знижуючи ступінь заміни. Трейд-оф є те, що внутрішній DAC в шляхі зворотного зв'язку має бути надзвичайно лінійним. Динамічний елемент, що відповідає (DEM) або алгоритмам, що зважуються (DWA) для формування помилки DAC, що робить його поведінкою як елемент високої лінійності.

Feedforward vs. Топологія зворотного зв'язку

Архітектура Feedforward зменшують пускання сигналу на інтеграторних виходів, знижуючи спотворення від нелінійності op-amp. Топології зворотного зв'язку пропонують краще властиву стабільності, але вимагають більших пусків сигналу. Вибір правильної топології для необхідної лінійності і SNR є критичним рішенням дизайну.

4. Оптимізація схемо-виставкових пристроїв

На рівні транзистора кілька методів підвищення лінійності:

  • Ботопродовані вимикачі – Підтримка постійної напруги хвіртки під час відбору, зменшення варіації стійкості перемикача та заряду ін'єкцій.
  • Гай-боостедження в op-amps – Підвищує відкритий приріст, щоб зменшити похибку і поліпшити лінійність сеттингу.
  • Common-mode відгуки (CMFB) стабілізація – Забезпечує вихід інтегратора з загальної напруги диму залишається стабільною, запобігаючи спотворенню.
  • Layout symmetry – Збігли конденсаторні масиви та диференціальні сигнальні доріжки, мінімізація системних офсетів та невідповідності.

5. Системно-освітні характеристики

Лінійний дизайн не є абсолютно аналоговою проблемою; системний дизайн грає важливу роль.

  • Clock відхилення Джиттера] – Використовуйте низько-хітектурні PLLs або зовнішніх кристалів коливань. Модульи Sigma-delta чутливі до годинникової Джиттера, оскільки він вводить вибір невизначеності.
  • Поставка живлення – Окремі аналогові та цифрові поставні рейки з феритними намистинами та низькорослими регуляторами (LDOs).
  • Thermal management – Температурні градієнти по чіпу викликають невідповідний дрейф. Уніформа розподілу температури і датчиків температури на дюймі дозволяють компенсувати.
  • Почати кращі практики – Уникайте маршрутизації цифрових сигналів поблизу чутливих аналогових вузлів. Використовуйте захисні кільця та глибоко N-wells для ізоляції шуму субстрату.

Додаткові методи: динамічний елемент збігу та дані-витягування

Для багатобітних sigma-delta ADCs відгуки лінійності DAC часто є пляшковим вирізом. Динамічний елемент, що відповідає (DEM) обертає використання елементів DAC (поточних джерел або конденсаторів), так що помилки невідповідності перетворюються в широкосмуговий шум, а не гармонічні спотворення. Змінно-зважене перевищення (DWA) є популярним алгоритмом DEM, який використовує вихід кварцатора для вибору елементів, таких що помилка неправильного порядку є спочатку форма, відштовхуючи його від основного шкату. DWA може різко підвищити лінійність без додавання значних цифрових ресурсів. [[Fxml][F:][FLT:][F:][F:][F:][FEM:][F:][F:][FLT:][F:][F:][FLT:][FEM:][F:][FEM:][FEM:][FEM:][FLT:][FEM:][FEM:][FLT:][F:][FEM

Висновок

LT: 1F, консалтинг [LDM], консалтинг [Sigma-delta ADC], консалтинг [Sigma-delta ADC], консалтинг Achieving високої лінійності в sigma-delta ADC, консалтинг ADC, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, консалтинг, глибинні технології, що підвищують рівень, підвищують точність, підвищують рівень точності, підвищують рівень точності, підвищують рівень точності лінійності [Електронний метод, що є достатньо одним, кращі результати, починаючи від поєднання цих стратегій у збалансованому дизайні. Для інженерів, що ці параметри корекції 16-біт + точність, що вимагають, що забезпечують точність калібрування, що підвищують, що підвищують, що підвищують точність калібрування, що підвищують, що підвищують, підвищують точність, що підвищують точність, і підвищення точності, підвищують точність, і підвищення точності, і підвищення точності, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечуються, що забезпечують точність калібрування, і підвищення точності, що забезпечують