سمینار مبدل های آنالوگ به دیجیتال کم توان

معرفی و بخشی از متن سمینار برای دریافت درجه کارشناسی ارشد مهندسی برق-الکترونیک با عنوان مبدل های آنالوگ به دیجیتال کم توان، سریع و با دقت بالا

چکیده

در این سمینار، جنبه های مختلف بهینه سازی توان برای یک مبدل آنالوگ به دیجیتال سریع و با دقت بالا برای رفع نیاز دستگاه های مخابراتی و ارتباطی قابل حمل انجام شده است. در ابتدا مروری بر انواع مبدل های آنالوگ به دیجیتال انجام گرفته و مزایا و معایب هر ساختار به اختصار بیان شده است. سپس اصطلاحات فنی (پارامترهای استاتیک و پارامترهای دینامیک) که در این زمینه به کار می روند، مورد بحث قرار گرفته است. در این سمینار به دلیل قابلیت های بسیار خوب و تعادل مناسبی که بین سرعت، دقت و توان مصرفی مبدل های خط لوله وجود دارد، از این مبدل ها استفاده شده است. بلوک های سازنده این مبدل ها با در نظر گرفتن جنبه های سرعت، دقت و توان مصرفی معرفی شده اند. روش های حذف آفست در مقایسه گرها و آپ امپ ها و همچنین روش های کالیبراسیون مبدل های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ و تصحیح خطای دیجیتالی بیان شده است. روش های بهینه سازی توان برای تقویت کننده ها که با توجه به آن ساختار و نوع تقویت کننده انتخاب می شود، معرفی شده اند. در مرحله بعد یک مقایسه گر دینامیکی با آفست کم بررسی شده است و با استفاده از نتایج شبیه سازی های مربوط به آن، توانمندی این مقایسه گر در برابر خازن های پارازیتی و سرگردان، خطاهای ولتاژ و خطاهای زمانبندی تجزیه و تحلیل شده است. تحلیل انواع نویز نیز انجام گرفته است و راه حلی برای بهینه سازی کل توان، که وابسته به اندازه خازن ها و قابلیت تفکیک در هر طبقه می باشد، ارائه شده است. یک نوع اشمیت تریگر CMOS جهت استفاده به عنوان پالس ساعت ورودی معرفی شده است که در آن، از اندازه معکوس کننده های فیدبک برای کنترل مستقل نقاط تریپ استفاده می شود. ضمنا این ساختار، حساسیت کمتری نسبت به تغییرات نامطلوب دارد، در برابر نویز پس زنی مصون است و تاخیر اضافی ایجاد نمی کند.

مقدمه

مبدل خط لوله از چند طبقه تشکیل شده است که هر طبقه یک یا چند بیت خروجی را فراهم می کند. مفهوم این مبدل به این صورت است که طبقه اول از ورودی نمونه برداری می کند و آن را به دو بخش تبدیل می کند: یک بخش دیجیتال و دیگری سیگنال باقیمانده. سیگنال باقیمانده در هر طبقه، اختلاف بین سیگنال ورودی و بیت های دیجیتالی تبدیل یافته است. طبقه اول پس از انجام عمل تبدیل، آن را به طبقه بعدی می فرستد و از سیگنال بعدی نمونه برداری می کند. هر طبقه m بیت دیجیتالی تولید می کند و یک مبدل دیجیتال به آنالوگ ضرب کننده دارد که شامل یک DAC، تفریق کننده، تقویت کننده و مدار نمونه بردار و نگهدار است. نوعا MDAC متشکل از یک تقویت کننده با سرعت و بهره بالا به همراه تعدادی خازن و کلید است.

بنابراین در ابتدا با توجه به مشخصات سرعت و دقت مبدل، نیاز به طراحی یک تقویت کننده توان بهینه برای بلوک MDAC است. پس از تقویت کننده، مقایسه گر نقش مهمی در تلفات توان در مبدل خط لوله دارد. برای اینکه مقایسه گر آفست کمی داشته باشد، نیاز به مقدار مشخصی انرژی دارد. آفست کم مقایسه گر باعث افزایش توان سیگنال به نویز (SNR)، سوئینگ ورودی و قابلیت تفکیک می گردد. به منظور داشتن ولتاژ آفست کوچکتر در مقایسه گرها، از یک پیش تقویت کننده استفاده می شود. اشکال عمده این روش این است که توان بالایی به صورت ثابت توسط پیش تقویت کننده مصرف می شود. برای غلبه بر این مشکل از مقایسه گرهای دینامیکی که توان مصرفی بسیار کمتری دارند استفاده می شود. این مقایسه گرها در هر پالس ساعت یک مقایسه انجام می دهند.

مشکل عمده مقایسه گرهای دینامیکی، بالا بودن آفست در آن ها است که در مبدل های خط لوله توسط مدار تصحیح خطای دیجیتالی مرتفع می گردد. این کار به بهای افزایش توان مصرفی و کاهش نسبت سیگنال به نویز تمام می شود. بنابراین نیاز به طراحی یک مقایسه گر دینامیکی با آفست کم وجود دارد. پس از طراحی دو بخش عمده مبدل یعنی تقویت کننده و مقایسه گر، باید به سراغ بهینه سازی توان کل برای آن رفت، که با در نظر گرفتن توان مصرفی مورد نیاز هر بلوک و با توجه به تعداد بیت ها انجام می پذیرد. مقایسه ساختارهای مختلف آپ امپ نشان می دهد که ساختار بهینه تقویت کننده وابسته به بهره حلقه بسته مطلوب است.

مبدل های آنالوگ به دیجیتال سریع

برای افزایش سرعت تبدیل نیاز به استفاده از ساختارهای موازی یا فلش است. حداکثر سرعت تبدیل برابر با یک سیکل ساعت است. روش دیگر برای افزایش سرعت مبدل، افزایش سرعت تک تک اجزای آن است. معمولا زمان نمونه برداری فاکتور محدود کننده در سرعت است که به دلیل وجود مدارهای نمونه بردار و نگهدار و مقایسه گرها است

مبدل آنالوگ به دیجیتال خط لوله

روش خط لوله، یک روش صنعتی در سیستم های دریافت داده است. در این مبدل ها بده بستانی بین سرعت و قابلیت تفکیک وجود دارد. در واقع، این مبدل ها تعمیم و بهبود یافته مبدل دو مرحله ای هستند

همچون مبدل فلش دو مرحله ای، می توان به جای دو مرحله، 3 یا 4 یا N مرحله ADC به کار برد. در واقع مبدل خط لوله، یک مبدل فلش N مرحله ای است، که در هر طبقه یک یا چند بیت، تبدیل می شود. به همین دلیل می توان با استفاده از این مبدل به قابلیت تفکیک بالا (10 تا 13 بیت) و سرعت نسبتا زیاد دست یافت. همانطور که در شکل -2 7 نشان داده شده است، یک مبدل خط لوله شامل N طبقه است که به صورت سری به یکدیگر متصل شده اند. هر طبقه شامل یک ADC یک بیتی (یک مقایسه گر)، یک مدار نمونه بردار و نگهدار، یک جمع کننده و یک تقویت کننده است.

ساختار مبدل آنالوگ به دیجیتال خط لوله

فهرست سرفصل مطالب سمینار

فصل اول: کلیات

فصل دوم: مروری بر مبدل های آنالوگ به دیجیتال

فصل سوم: بلوک های سازنده مبدل های آنالوگ به دیجیتال خط لوله

فصل چهارم: روش های بهبود سرعت، توان و دقت در مبدل های آنالوگ به دیجیتال خط لوله

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

منابع

جداول

شکل ها