1 istorijat razvoja konvertora - embedded systems research...

III godinaIII godina

smer: EKISsmer: EKIS

ččasovi: 2 + 2 + 1asovi: 2 + 2 + 1

O predmetuO predmetu

Profesor : Branislav PetroviProfesor : Branislav Petrovićć

Istorija konvertora podatakaIstorija konvertora podataka

1.1 Rana Istorija

1.2 Konvertori podataka 1950-tihi 1960-tih

1.3 Konvertori podataka 1970-tih




1.1 Rana istorija 1.1 Rana istorija

Rani 18-ti vek Binarno težinski sistem za odmeravanje vode

TelegrafTelegraf

Ključni dogadjaji u razvoju telegrafa

TeleTelefon fon

Najznačajniji pronalazak u istoriji telekomunikacija

Jedan od najranijih prikaza kriterijuma Jedan od najranijih prikaza kriterijuma za odredjivanje brzine uzorkovanja za odredjivanje brzine uzorkovanja

Elektromehanički rotirajući komutator za multipleksiranje nekoliko analognih signala na jedan par provodnika.Eksperimentalno utvrđeno da 4320 preklapanja po kanalu obezbeđuje očuvanje originalne boje i svih individualnosti glasa.

Pronalazak Pronalazak PCMPCM

Paul M. Rainez, “Facsimile Telegraph System” , 1921/1926

MatematiMatematiččka osnova PCMka osnova PCM--aa

Harry Nyquist's Classic Theorem: 1924

PCM sistem za prenos signalaPCM sistem za prenos signala-- Predajnik Predajnik --

A. H. Reeves-ov 5-bitni brojački ADC

A. H. Reeves-ov 5-bitni Brojački DAC

PCM sistem za prenos signalaPCM sistem za prenos signala-- Prijemnik Prijemnik --

Primena PCM Primena PCM –– 1940. do 1948. godina1940. do 1948. godina“Project-X” sistem za tajni prenos govornog signala korišćenjem PCM, 1940.Rezultati objavljeni posle rata: PCM sa 5-bitnim uzorkovanjem na 8 kSPS korišćenjem ADC sa sukcesivnom aproksimacijom.Logaritamska kvantizacija govornog signala.Elektronska katodna cev kao koder signala, 7-bitni, 100 kSPS.“Shanon-Rack” dekoder – DAC.Uspešna instalacija terminala za prenos podataka – Vašington, London, Severna Afrika.

Pronalazak vakumske cevi: 1906

Kolo za pojačanje slabih elektičnih struja

Prvi operacioni pojaPrvi operacioni pojaččavaavaččii

Harold Black-ov pojačavač sa reakcijom

ZnaZnaččajni datumi u perioduajni datumi u periodu1947 1947 -- 19591959

Tranzistor (germanijumski), Bell Lab. : J. Bardeen, W. Brattain,W. Shockley, 1947.

Praktična primena PCM-a: Repiter sa germanijumskim tranzistorima.

“SOLID STATE” elektronika.

Silicijumski tranzistor – Gordon Teal, Texas Instruments, 1954.

24-kanalni PCM link za prenos govora (T-1 carrier), 1.544 MHz, 7-bit log. Encoder, 26dB kompresije, repiteri na 1.8 km.

Integrisana kola: TI 1958. (veze bondiranjem), Fairchild 1959. (metalizacija, planarni proces).

Bez komercijalne primene do sredine 50-tih. Specijalizovane primene.Prvi komercijalni uređaj: DATRAC

Digitalni računar – pokreće razvoj konvertora.ENIAC projekat započeo 1942., objavljen 1946.UNIVAC prvi komercijalno dostupni računar – 1951.Vojne primene – izračunavanje trajektorije projektila,Analiza podataka, kontrola industrijskih procesa.

Od sredine do kraja 50-tih kombinacije vakumske tehnologije i SS.

Od 60-tih lagani prelaz na SS.Za PCM razvijen 9-bitni 5 MSPS.Radarski sistem sa fazno umreženim radarima – 1963. Koristi RTL tehnologiju, 8-bitni ADC, 10 MSPS.

Pojava modularnih OP. OA125, FS 125. Komparatori uA710/711, TTL-7400,Prva instrumentacija niže brzine, štampane ploče - PCB

CMOS – RCA CD 4000 serija, šotki diode, zener diode, FET kao prekidačSA-registar 2502 (feedback substraction) postaje standard.

Konvertori podataka 50Konvertori podataka 50--ih i 60ih i 60--ihih

1.2 Konvertori podataka 501.2 Konvertori podataka 50--ih i 60ih i 60--ihih

1954 "DATRAC" 11-bit, 50-kSPS Vacuum Tube ADCDesigned by Bernard M. Gordon at EPSCO


HS-810, 8-bit, 10-MSPS ADC Released by Computer Labs, Inc. in 1966

ADC-12U 12-Bit, 10-μs SAR ADC from Pastoriza Division of Analog Devices, 1969



A 1969 Vintage 12-bit "MiniDAC" Using Quad Current switches, a Thin Film Resistor Network, a Voltage Reference, and an Op Amp

"Quad Switch" DAC Building Block with ExternalThin Film Resistor Network


Arhitektura konvertora podatakaArhitektura konvertora podataka

Successive Approximation ADC AlgorithmAnalogy Using Binary Weights

Arhitektura konvertora podatakaArhitektura konvertora podataka

Basic Successive Approximation ADC (Feedback Subtraction ADC)

The electronic implementation of the successive approximation ADC

1.3 Konvertori podataka 701.3 Konvertori podataka 70--ihihNajdinamičniji period u razvoju konvertora. Mnogobrojne primene:

Digitalni voltmetar visoke rezolucije.Kontrola industrijskih procesa.Vojne primene.Medicinski instrumenti za vizualizaciju.Vektorski i raster displeji.

Nove kompanije: Analog Devices, Analog Corporation, Burr Brown, Datel,Computer Labs, Hzbrid Systems, National Semiconductor, i dr.

Prvi DAC u bipolarnoj tehnologiji 1408, a zatim DAC08,

Konvertori podataka 70Konvertori podataka 70--ihih

AD565, 12-Bit, 200-ns DAC, 1978

Prvi compaund monolitic AD562, 1974, 12-bitni.Značajno unapređenje pojavom AD565

Nedostaci bipolarnih konvertora:Konačno pojačanje ß – mali prinos, visoka cenaUparivanje Vbe i otporne mreže (difuzija)Veća disipacija – termalni gradijent

CMOS DACNema ulazne struje, pada napona VbeCMOS prekidač-čista otpornost zavisi od geometrijePrimena thin film otpornika

AD7520, the First Monolithic CMOS Multiplying 10-Bit DAC, 1974



AD7524 8-Bit Buffered μP Compatible DAC, 1978


Summary: Monolithic DACs of the 1970s

AD571 Complete 10-Bit, 25-μs IC ADC, 1978

Konvertori podataka 70Konvertori podataka 70--ihihPrvi potpuno monolitni AD571 u bipolarnoj tehnologiji

The Industry-Standard AD574 12-Bit, 35-μs IC ADC, 1978

Konvertori podataka 70Konvertori podataka 70--ihihNajznačajniji SAR ADC: AD574 u početku compaund monolitic realizacija


Summary: Monolithic ADCs of the 1970s

DAC-80 12-Bit DAC Evolution

Hibridni konvertori 70Hibridni konvertori 70--ihih


AD572 12-Bit, 25-μs Mil-Approved Hybrid ADC, 1977


Early Modular ADCs of the 1970s

Modularni konvertori

MOD-1020, 10-Bit, 20-MSPS Sampling ADC Introduced in 1979


1.4 Konvertori podataka 801.4 Konvertori podataka 80--ihihDalji razvoj IC, hibridnih i modularnih konvertora.Instrumentcija, akvizicija, medicina, audio/video, computerska grafika ...

Pojava low-cost mikroprocesora, memorija, DSP, interes za procesiranje signala, poboljšanje k-ka ADC: veći dinamički opseg, više frekvencije.Specificiraju se nove k-ke: signal-to-noise ratio (SNR), signal-to-noise anddistortion (SINAD), effective number of bits (ENOB), noise power ratio (NPR), spurious free dynamic range (SFDR), aperture time jitter.

Pojava CMOS ADC velike brzine sa 4-, 6-, 8-, 9-, and 10-bitnom rezolucijom sa uzorkovanjem od 20 MSPS to 100 MSPS. Za grafičke displeje razvijaju se high-speed video RAM-DAC u CMOS-u.


Monolithic DACs of the 1980s

Konvertori podataka 80Konvertori podataka 80--ihihMonolithic ADCs of the 1980s

Konvertori podataka 80Konvertori podataka 80--ihihMonolithic Flash ADCs of the 1980s

Konvertori podataka 80Konvertori podataka 80--ihihHybrid and Modular DACs and ADCs of the 1980s

Pored već naglašenih primena, komunikacije postaju najveća oblast primene konvertora. Modemi, celularni telefoni (mobilni), bežična infrastruktura.

Smanjenje napona napajanja, manji aplitudni opseg signala, veća osetljivost na šumove. Nova pakovanja, SMD tehnologija, BGA (ball grid array), CSP (chip-scale pacakges).

Na tržištu konvertora opšte namene javljaju se kompletni DAS sistemi na čipu (multiplekser, programabilni pojačavač, SH, ADC). Pojava CODEC-a, funkcije ADC i DAC na jednom čipu.

Specijalno razvijeni analogni ulazni moduli (analog front ends - AFE) i mixed-signal front ends (MxFE™) u primenama kao što su CCD procesori slike andMF prijemnici.

1.5 Konvertori podataka 901.5 Konvertori podataka 90--ihih

Konvertori podataka 90Konvertori podataka 90--ihihDA konvertoriRaznovrstnost U/I stepena.Multiplying strukturaDuplo baferovanje

AD7568 Octal 12-Bit LC2MOS MDAC, 1991

AD7008 10-Bit, 50-MSPS Complete CMOS DDS, 1993

Konvertori podataka 90Konvertori podataka 90--ihihDirektna digitalna sinteza (DDS) na jednom čipu.Digitalni potenciometar: DigiPOT AD8402 8bit/2ch, AD8404 8b/4c


Summary: Monolithic DACs of the 1990s

AD konvertori


AD1674, 12-Bit, 100-kSPS Sampling ADC (AD574 Pin-Compatible), 1990

AD7880 12-Bit, 66-kSPS, Single +5 V, LC2MOS Sampling SAR ADC, 1990


AD1671 12-Bit, 1.25-MSPS Sampling BiCMOS ADC, 1992



AD872 12-Bit 10-MSPS BiCMOS Sampling ADC, 1992


AD9042 12-Bit 41-MSPS XFCB, Sampling ADC,1995


AD7730 24-Bit Signal-Conditioning Σ-Δ ADC, 1997


The data converter trends started in the 1990s shown in Figures 1.56 and 1.57 have continued into the 2000s.

Power dissipation has dropped, and along with it, power supply voltages. Supplies of 5-V, 3.3-V, 2.5-V, and 1.8-V parts have followed as CMOS linespacings shrank to 0.6 μm, 0.35 μm, 0.25μm, and 0.18 μm. Smaller surface mount and chip-scale packages have also emerged as the modern replacement for the nearly obsolete DIP packages of the 1970s and 1980s.

In the 2000s, general purpose multiple DAC offerings expanded to include 16-channels (AD5390, AD5391), 32-channels (AD5382, AD5383) and 40-channels (AD5380, AD5381).

High speed DACs reached 1-GSPS update rates with the AD9858 10-bit DDSsystem.

Konvertori podataka 2000Konvertori podataka 2000--ihihNastavljen razvoj konvertora iz 90-ih. Uzorkovanje MF signala, AD6645 14-bit 80-/105-MSPS ADC (2000), AD9430 12-bit, 210-MSPS ADC (2002).

Multičip moduli (MCM) AD10678 16-bit, 65-/80-/105-MSPS ADC (2003), AD12400 12-bit, 400-MSPS ADC (2003). Digitalna kola za post procesiranje signala.

Konvertori postaju sastavni deo popularnog ARM7®-microcontrolera.

1.6 Konvertori podataka 20001.6 Konvertori podataka 2000--ihihData Converter Highlights of the 2000s

Osnove sistema za uzorkovanje podatakaOsnove sistema za uzorkovanje podataka

2.1 Kodiranje i kvantizacija

2.2 Teorija uzorkovanja

2.3 AC greške kod konvertora podataka

2.4 Opšta specifikacija konvertora podataka

2.5 Definicija specifikacija

2.1 Kodiranje i kvantizacija 2.1 Kodiranje i kvantizacija

Definicije ulaza i izlaza kod DA I AD konvertora

Električne veličine kao konvertovane vrednosti fizičkih veličina.

1. U vremenskom domenu kao sporo ili brzo promenljive direktne vrednosti (DC).Termopar, potenciometar ...

2. Kao modulisani naizmenični signali (AC).Čopirana optička merenja, merni mostovi sa AC pob.

3. Kao kombinacije prostorno konfigurisanih promenljivih.Synhro, Resolveri

Predstavljanje brojeva sa osnovom 10 pomoću binarnrnih brojeva

FS i (ne)zavisnost od broja bitova

Unipolarni binarni kodovi, 4-bitni konvertor

Kodiranje i odgovarajući analogni ulazni opseg (span) kod ADC-a ili izlazni opseg kod DAC-a

Idealni 3-bitni DACdiskretna priroda ulaza i izlaza

Idealni 3-bitni ADCkvantizaciona neodređenost

Predstavljanje pozitivnih i negativnih brojeva – bipolarni kodovi

Prenosne karakteristike idealnih 3-bitnih konvertora

Konverzija u dvoični komplement ?

Relacije između bipolarnih kodova

BCD kod

Statičke karakteristike i statičke greške AD i DA konvertoraRezolucija

Prenosne karakteristike idealnih konvertora

Karakteristike unipolarnih i bipolarnih konvertora

Statičke greške: Greška ofseta, Greška pojačanja,Greška linearnosti (diferencijalna i integralna)

Greška ofseta i Greška pojačanja bipolarnog konvertora

Metoda procene integralne greške linearnosti

Integralna greška linearnosti (integralna nelinearnost):Maksimalno odstupanje stvarne karakteristike konvertora od prave linije.

Diferencijalna nelinearnost (DNL):Maksimalno odstupanje iznosa kvanta u celom opsegu od njegove idealne vrednosti 1 LSB.

Detaljni prikaz DNL kod DA konvertora

Detaljni prikaz DNL kod AD konvertora

Pojava nedostajućih kodova kao posledica DNL

Kombinacija nemonotonosti i nedostajućih kodova kao posledica DNL

Efekat tranzicionih šumova u kombinaciji sa DNL


2.1 Kodiranje i kvantizacija2.2 Teorija uzorkovanja2.3 AC greške kod konvertora podataka2.4 Opšta specifikacija konvertora podataka2.5 Definicija specifikacija

Tipična struktura sistema

Uloga LPF (kondicioniranje) na ulazu.Brzina obrade u DSP.Uloga LPF na izlazu (simetrične frekvencije, anti-image).Ključni koncepti: Diskretno odmeravanje i konačna rezolucija.

Neophodnost Neophodnost samplesample--holdhold funkcijefunkcijeRazmatranje slučaja konverzije AC signala.Konvertori sa i bez ugrađenoh SH kolaAD574: 12bit, 8uS, bez SH

Princip SH funkcijePrincip SH funkcije

Sample and HoldTrack and Hold

GGrerešške kao posledica nepostojanja SH kolake kao posledica nepostojanja SH kola

NikvistoNikvistovvi kriterijumii kriterijumi

Signal sa maksimalnom frekvencijom fa mora bit uzorkovanbrzinom fs za koju važi fs > 2fa . U suprotnom signal može bitiIzgubljen zbog aliazing efekta.

Do aliazig efekta dolazi ako važi fs < 2fa .

Signal čiji je frekventni opseg ograničen između fa i fb morabiti uzorkovan brzinom za koju važi fs > 2(fb - fa)

Aliazing u vremenskom domenuAliazing u vremenskom domenu

Aliazing u frekventnom domenuAliazing u frekventnom domenu

Antialiazing filtri u osnovnom opsegu (Antialiazing filtri u osnovnom opsegu (basebandbaseband))Uticaj komponenata signala ili šumova iz opsega van 1. NZ.Važnost spec. filtra (u odnosu na fs/2)“A”: ulazni signal sa komponentama iznad fa , granična frekvencija filtra - fa

za fa=1 MHz i fs=2 MHz, 60 dB potiskivanja sa filtrom 10 redaPovećanje frekvencije uzorkovanja – kompromis.Inicijalno biranje fs 2.5 do 5 prut veće od fa . (Sigma delta konvertori)Ograničenje amplitude siganala van propusnog opsega.

Proizvodnja analognih filtera po narudžbiniTTE Inc., LE1182 11-polni eliptični antialiazing filterOd fc do 1.2 fc slabljenje bolje od 80 dBRealizacija do 100 MHz

Pododmeravanje - UndersamplingProces odmeravanja signala van prve Nikvistove zone (undersampling, harmonic sampling)Inverzija spektra.Ograničenje: Opseg ulaznog signala ograničen na jednu zonu.Primena u komunikacionim sistemima, uzorkovanje MF signala.Dinamičke k-ke ADC adekvatne MF frekvenciji

Antialiazing filtri u sistemu sa pododmeravanjemAntialiazing filtri u sistemu sa pododmeravanjem

Osnovne relacije za određivanje fs

Nikvistov kriterijum

fc smešten u centar nikv. zone

Za fc u neparnim zonama nema inverzije spektra

124

−=

NZff c

s

ffs Δ>2

Centriranje poduzorkovanog signala u sredinu NZCentriranje poduzorkovanog signala u sredinu NZ

Primer: signal čiji je nosilac na 71 MHz sa spektrom širine 4-MHz.Minimalna frekvencija uzorkovaja iznosi 8 MSPS. Koristeći fc = 71 MHz i fs = 8 MSPS dobijamo NZ = 18.25.Usvajamo NZ = 18 i određujemo fs = 8.1143 MSPS.


2.1 Kodiranje i kvantizacija2.2 Teorija odmeravanja2.3 Naizmenine (AC) greške2.4 Opšta specifikacija konvertora2.5 Definicija specifikacija

ŠŠum kvantizacije idealnog konvertoraum kvantizacije idealnog konvertoraJedina greška idealnog konvertora.Aproksimacija signala greške kada na ulaz deluje naizmenični (AC) signal.

Kvantizacioni šum u f-ji vremena

Uniformni Gausov šum u opsegu od 0 do fs/2 (nekorelisan sa ulaznim signalom)

Slučaj kada postoji korelacija između frekvencije odmeravanja i ulaznog signala!

Za slučaj sinusoidalnog ulaznog signala sa amplitudom pune skale

Teoretska vrednost odnosa signal/šum idealnog konvertora u punom Nikvistovom opsegu.

Smanjenje opsega i povećanje SNR.

Primer: Analogni celularni radio sistem (AMPS – USA)416 kanala širine 30 kHz (12.5 MHz) odmerava se sa 65 MSPS.Jednovremeno odmeravanje svih kanala ADC sa 65 dB SNRProcess Gain = 30 dB

gustinaspektrašumova

Kombinacija oversampling i undersampling

Uticaj korelacije između frekvencije ulaznog signala i frekvencije odmeravanja.Širokopojasna priroda ulaznog signala – kvantizacioni šum kao uniformni.Dither i “randomizacija”.

(= 32.2519..)

Prag šumova idealnog 12 bitnog ADC sa FFT u 4096 tačakaFFT kao analogni analizator spektra sa propusnin opsegom od fs/M

Izvori šumova u AD konvertorima

Generisanje šumova unutar samog ADC – termički šum kT/CGrounded input histogramGausov šum – standardna devijacija u odnosu na RMS šumova

Efektivna rezolucija ADC – noise free code resolution

Odnos opsega pune FS skale prema rms vrednosti šumova

ER > NFCR

Uticaj nelinearnosti konvertora na izobličenjaUkupna integralna nelinearnost – ulazni stepen, SH, ADCVeličina izovličenja zavisi od amplitude ulaznog signala.Pri porastu ulaznog signala za 1 dB intermodulacioni produkti:

drugog reda rastu za 2 dB, trećeg reda za 3 dB

Diferencijalna nelinearnost – proces enkodiranja, zavisi od arhitekture

Intermodulaciona izobličenja IMD (Intermodulation Distortion)Dva ulazna signala, (frekvencija, amplituda: FS - 6 dB)Problemi filtriranja

Vreme aperture: Vreme raskidanja veze sa ulaznim signalom.Zanemereni SH pedestal i prelazne pojave kod preklapanja.Kašnjenje aperture, Jitter aperture

Moguć slučaj: te’ < 0

Merenje vremena aperture: Ulazni signal sinusoidalni (bipolarni).Podešavanje faze signala za odmeravanje tako da se na izlazu očitaVrednost polovine skale (nula).

Od važnosti za detekciju IQ signala

Tranizijentni odziv ADCZnačaju u DAS sistemima.Vreme smirivanja ADC nakon promene ulaznog signala

Pojava preslušavanjapri merenju DC i NF signalima(channel-to-channel crosstalk)

Uticaj vremenske konstante naUlazu ADC

Vreme smirivanjaizraženo u vr.konst.

Rez Ts----------------------8 5.5510 6.9312 8.3216 11.0922 15.25

Slučajne greške konverzije (Sparkle Codes, Bit Error Rate - BER)Metastabilnost,

Primer 3-bitnog fleš ADCIzmeđu stanja 011 i 100

Vreme oporavka nakon preopterećenja (overvoltage recovery time)

Vreme potrebno AD konvertoru da dostigne potrebnu tačnost nakon prestankaDelovanja ulaznog signala koji je veći od FS.

Dinamičke osobine DACVreme smirivanja – settling time

Poseban značaj za video displeje: 1024x768/60 Hz – piksel 47.2 MHzUz overhed od 35% osvežavanje sa 64 MHz – piksel traje 15.6 ns.

Gličevi – nekontrolisana promena izlaza DAC-a.Uzroci:

Kapacitivna veza analognog izlaza sa digitalnim signalima. Nesinhronizam u nekim prekidačima DAC-a.

Karakterizacija gličeva:Površina glič impulsa

Tajming preklapanjaKapacitivna presl.

Arhitekture konvertora podatakaArhitekture konvertora podataka

3.1 Arhitekture DAC

3.2 Arhitekture ADC

3.3 Sigma-Delta konvertori

Arhitekture DACDefinicija. Refereni ulaz (ugrađeni,spoljašnji), opseg ref. signala.Množački DAC – MDAC: Opseg referentnog napona obuhvata Vref=0(Vrefmax/Vrefmin=5)

Ugrađeni generatori referentnog napona.Baferovanje referentnog signala.Ulazna impedansa funkcija digitalne reči na ulazuTip izlaza (U,I) i veličina izlazne impedanse.Zavisnost od digitalnog koda.

Osnovna struktura 1-bitnog DA konvertora.SPDT (Single-Pole, Double Throw) preklopnik.

Kelvinov delitelj (String DAC)Naponski izlaz, zavisnost izlazne impedanse od ulaznog koda.Inherentna monotonost. Nelinearne funkcije.Arhitektura sa malim gličevimaDA konvertor opšte namene i Digitalni potenciometar (0-Vref).DNL i INL

Metode podešavanja INLfizička mogućnost laserskog trimovanjaSmanjenje INL za faktor 4

Termometarski DA konvertorStrujni izlaz (virtualna masa) (compliance = 0)

Termometrski sa aktivnim strujnim izvorimaInherentna monotonost.Vreme smirivanja (settling time) – intersymbol interference.

Termometarski sa komplementarnim izlazimaVeće brzine. Manji gličevi.

Binarno-težinski DA konvertori

Facsimile Telegraph System, 1921.

Binarno-težinski DA konvertori

John Schelleng, 1948.

Binarno-težinski DA konvertor naponskog tipaB. D. Smith, 1953.Monotonost pri većim rezolucijama. Izlazna impedansa

Binarno-težinski DA konvertor strujnog tipa

Binarno-težinski DA konvertor kapacitivnog tipaStruja curnja – tačnost u okviru nekoliko milisekundi.Ugrađena SH funkcija.

R-2R DA konvertor – lestvičasta mreža

R-2R DA konvertor – naponskog tipaIzlazna impedansa ne zavisi od koda.Prekidači se uključuju na izvore male impedanse – mali gličevi.Prekidači moraju da rade u širokom naponskom opsegu.Nemogućnost trimovanje ubacivanjem otpornika na red sa Vref.

R-2R DA konvertor – strujnog tipaPojačanje DA konvertora ubacivanjem otpornika na red sa Vref.Izlazna impedansa varira sa kodom – stabilizacija opamp.Veći glič kod preklapanja.Prekidači rada sa vrlo malim naponima – mogućnost AC tipa Vref

R-2R DA konvertor – strujnog tipaIzlazna impedansa R.DA konvertor velike brzine – video aplikacije.

DA konvertor sa težinskim strujnim izvorimaVisoka izlazna impedansa.Otežana realizacija.

4-bitni DA konvertor sa težinskim strujnim izvorima - AD550Težinski otpornici spolja.

4-bitni DA konvertor sa R-2R meržom i težinskim strujnim izvorima

Realizacija 12 bitnog DA konvertora pomoću tri kola tipa AD550

Segmentni DA konvertori sa naponskim izlazomVeće rezolucije.Utican ofseta bafera – nemonotonost.Kompenzacija ofleta A-A, B-B

Patentirana arhitektura segmentnog DA konvertoraNema baferovanja. Jednostavnija realizacija u CMOS-u.Monotonost. Izlazna impedansa.

Brzi segmentni DA konvertoriStruja se nikada ne isključuje i uključuje.Napon za pobudu prekidača što manji.

Brzi segmentni DA konvertoriPotiskivanje skew gličeva.

Oversempling interpolacioni DA konvertorK=4, poboljšanje 6 dB

Nelinearni DA konvertoriPCM sistemi za prenos govornog signalaLogaritamska funkcija μ-law , A-law. Dinamički opseg 4000:1.

Nelinearni DA konvertoriStruktura sa DA konvertotom visoke rezolucije.

Nelinearni DA konvertoriOsnovna struktura savremenih nelinearnih konvertora

DA konvertori brojačkog tipaPWM princip

Serijski ciklični DA konvertoriPočetak primene PCM sistema.

RC=T/ln2 (pražnjenje na polovinu za vreme pauze između impulsa

Logička struktura DA konvertoraVeliki broj različitih struktura.

DA konvertor velike brzine sa dvostrukim pristupom

Arhitekture konvertora podatakaArhitekture konvertora podataka

3.1 DAC arhitekture

3.2 ADC arhitekture

3.3 Sigma-Delta konvertori

Osnovna struktura AD konvertoraOsnovna struktura AD konvertora

Stroži zahtevi za Vref .Sampling clock, convert-start, encode.Inicijalna nedefinisanost!Standby, power-down, sleep - recovery time

Razlika:EOC,DRDY

11--bitni ADC (komparator) bitni ADC (komparator) Dobra rezolucija – veliko pojačanje – nekontrolisane oscilacijehysteresis reda milivolti

Komparator sa ugrađenim lečom – uzorkovanjeOmogućava track and hold funkciju – detekcija kratkih impulsa

Pojava metastabilnosti

Brzi AD konvertoriBrzi AD konvertoriFleš Konvertori (paralelni)

Interpolacioni – redukcija potrošnje minimizacijom broja komparatora

AD konvertor sa sukcesivnom aproksimaciojom

Vreme konverzije kod 8-bitnog i 16-bitnog (2x ?)

Prekidači u track režimu, start sa otvaranjem SINOtvaranje SC, S1 – S4 se spajaju na masu, VA = -VIN.S1 se spaja na VREF i dodaje VREF/2, definisanje MSB i S1.

Potreba za ekstra LSB kondenzatorom

ADC sa podopsezima (Subranging ADC)Gruba konverzija (coarse) (N1 bitova) u MSB sub-ADC (SADC)I fina converzija (N2 bitova) u LSB sub-ADC.N1 SADC i SDAC (iako imaju N1 bitnu rezoluciju) ali N-bitnu tačnost

Greške u subranging ADC

4+4 rezolucija realna granica ovakve arhitekture.

Korekcija grešakaUvođenje ekstra kvantizacionih nivoa (X)Digital corrected subranging, digital error correction, overlap bits

Greške koje se koriguju: SH drop error,SH settling time error,N1 SADC gain and offset error,N1 SDAC offset error,N1 SADC linearity error,Residue amplifier offset error.

Pipeline strukture u AD konvertorima sa podopsezima

Vremenski dijagram tipičnog subranging pipelined ADC

Serijski višestepeni AD konvertori

Struktura jednog stepena

Tro bitni serijski AD konvertor

Serijski Gray-ov AD konvertor (folding)MAGAMP – Magnitude Amplifier

Tro bitni folding AD konvertor

AD konvertori sa integratorimaAD konvertori sa integratorimaPrincip pražnjenja kondenzatora

Princip punjenja kondenzatora

Prateći ADC

Konvertori napona u frekvenciju - VFC

Strujom upravljani VFC – current steering VFC

Princip balansiranog naelektrisanja – charge balanced

Sinhnoni VFC - SVFC

Talasni oblici VFC i SVFC

Nelinearnost SVFC

AD konvertor sa dvostrukom integracijom

Frekventna karakteristika konvertora

Optički konvertori

Resolver to digital (RDC) i Synchro

ΣΔΣΔ ADC (ADC (SigmaSigma--Delta Konvertori)Delta Konvertori)Nastanak u ranoj fazi razvoja PCM

Delta modulacija i differencijalni PCMVeća efikasnost prenosa (razlike - delta)

Mogućnost praćenja ulaznog signala bez ograničenja amplitude.

Ograničenje u brzini promene ulaznog signala.

Za isti kvalitet prenosa delta modulacija zahteva 20x većufrekvenciju odmeravanja.

1954. Princip: oversampling i noise shapingPovećanje ukupnog odnosa signal-šum na niskim frekvencijama.Digitalno filtriranje i decimacija.Dilema oko imena delta-sigma i sigma-delta.

Osnove sigma-delta konvertoraNeophodno znanje:Oversampling, quantization noise shaping, digital filtering, decimation

Struktura SD ADC prvog redaKvantizacioni šum van opsega digitalnog filtra.Negativna reakcija: srednja vrednost UB = VIN.Gustina jedina u izlaznom nizu (ones-density).Jedna period odmeravanja bez značaja.

Dekodiranje izlaza kao usrednjavanje određenog broja bitova.SD konvertor kao sinhroni VF konvertor i brojač.

Brojanje jedinica u toku 2N ciklusa za N bitnu rezoluciju.Dalja analiza u vremenskom domenu neproduktivna.

Analiza u frekventnom domenu:Integrator kao NF filter sa prenosnom funkcijom H(f)=1/f.Jednobitni kvantizer generiše šum Q koji se utiskuje u signal.

Za f=0 => Y=X (nema šumova), kada f raste ostaje samo šum.

Karakteristika uobličavanja šumova.Mogućnost primene filtera višeg reda.Korišćenje većeg broja stepena za integraciju i sbiranje.

SD ADC drugog reda

Iznos oversemplinga potreban za dobijanje odnosa signal-šumZa K=64 idealni sistem drugog reda SNR=80 dB (ENOB=13).

Razmatranje tzv IDLE tona (idle tone)Analiza za dva stanja ulaznog signala.Za K<16 ton upada u propusni opseg.Korelisani idle patern za sistem prvog reda.

Petlje većeg redane garantuju stabilan odziv za sve ulazne signale.Uzrok komparator čije se pojačanje menja sa ulaznim signalom.Preopterećenja komparatora (u trenutku uključenja).

Relativno nekorelisani idle patern za sistem drugog reda.

Multi bit Sigma Delta konvertoriVeći dinamički opseg za dato K i red filtra u petlji.Lakša stabilizacija – primena petlje drugog reda.Idle ton je manje korelisan sa ulaznim signalom.

Linearnost zavisi od linearnosti DAC-a – lasersko trimovanje

Primena termometarskih DA konvertora.

Digitalno filtriranjeNeizostavni deo sigma delta ADC.Vreme smirivanja filtra. Multipleksiranje.SINC3 filter za merenja na niskim frekvencijama.

MASH višestepeni konvertoriMultistage niose shaping – MASHAlternativa petljama većeg reda i višebitnim sistemima.Kaskadna veza više stabilnih petlji prvog reda.Q1 – kvantizacioni šum prvog stepena.Ekvivalentno potiskivanje šumova kao petlja trećeg reda.

Sigma Delta AD konvertor sa propusnikom opsegaPrimer:Radio prijemnik, centralna frekvencija 455 kHz,opseg signala 10 kHz, Kfs=2 MSPS, fs=20 kHz,dinamički opseg 70 dB.

Sigma Delta DA konvertor

4. Kola za podr4. Kola za podrššku konvertoraku konvertora

4.1 Referentni izvori

4.2 Low Dropout Linearni regulatori

4.3 Analogni prekikači i multiplekseri

4.4 Sample-and-Hold kola

4.1 Referentni izvori• Veliki uticaj na performanse i tačnost analognih sistema

• ±5-mV tolerancija / 5-V ref. / ±0.1% tačnost - 10 bitova.

• Za 16 bitnu tačnost inicijalna tačnost i kalibracija.

• Pogodnost relativnih merenja – kratkoročna stabilnost.

• Temperaturni drift i starenje komponenata.

• Šumovi – zanemarivanje od strane projektanata.

• Dinamičke pojave: Ponašenje u toku uključenja.Impulsno opterećenje.

Tipovi referentnih izvora

Serijski - sa tri izvoda - za pozitivne napone.Paralelni (shant) – sa dva izvoda.

TC = –0.3%/°C, TC = 100 ppm/°C

Bandgap refenentni izvor

ΔVBE propocionalan apsolutnoj temperaturi (PTAT),VBE komplementaran apsolutnoj temperaturi (CTAT).VR = 1.205 V (silicon bandgap voltage).

Relativna jednostavnost.Izbegnut zenerov efekat – šumovi!Rad na niskim naponima (low voltage systems).

Osetljivost na struju opterećenja.Potreba za skaliranjem na standardne napone.

AD 580 – 1974

REF01, REF02, REF03

Refenentni izvori sa zener diodama (buried zener)

Nestabilnost površinski formiranh dioda na kristalu.Veći šumovi.Ukopavanje (sub-surface)Mali temperaturni drift (1-2 ppm/°C AD588)Mali šumovi - 100 nV/√Hz

XFET® Refenentni izvori

eXtra implantation junction Field Effect TransistorSličnost sa bandgap izvorima.Različiti naponi praga (pinchoff voltages).

Tačnost:0.1% - 0.05%

TC:3 – 8 ppm

Šum:50 – 500 nV/√Hz

Izl. Struja_5 – 10 mA

Specifikacije:

Šumovi:Peak-to-peak šum u opsegu 0.1 Hz do 10Hz.Dijagram gustine spektra u funkciji frekvencije.6.6 × rms = maksimalna vrednost šumova – 0.1% vremena.

Zahtevana vrednaost gustine šumova:

Metode za redukciju šumova

Kombinacija malošumnog pojačavača i dobrog filtra1.5 do 5 nV /√Hz @ 1 kHz

Odziv referentnih izvora na dinamičko opterećenje

Značaj u primenama pobude AD i DA konvertora.Referentni ulazi konvertora premošteni kondenzatorima.Pojava oscilovanja i gubljenja tačnosti.

SAR ADC kao dinamičko opterećenje

4.2 Linearni regulatoriStandardni blokovi za napajanje.Razlika između ulaznog i izlaznog napona - dropout.Minimalna razlika napona pri kojoj izlazni naponpadne za 2% ispod nominalne vrdnosti.

Efikasnost regulatora.Redni elemenat (pass device) za kontrolu izlaznog napona.

Disipacija snage od 1 W zahteva primenu hladnjaka!

PD = (VIN − VOUT )(IL) + (VIN )(Iground )

Efikasnost regulatora.

LDO regulatori i pojava špica u struji – carrot

Uvođenje novih funkcija:shutdown control,saturation sensor,thermal overload.

Potrošnja neopterećenog regulatora.povećenje vrednosti otpora.pojačavači male potrošnje.male referentne struje.

Struktura rednog elementa od velikog uticaja na performanse

Struktura standardnog regulatora - LM309, 7805, 7815Darlington pass connection - Q18-Q19 (dropout ~ 1.5 V)Struja neopterećenog regulatora ~ 5 mAPovećena stabilnost – interna kompenzacija C1Na R8 PTAT napon, negativni TC VBE Q9-Q10 i Q12-Q13

Arhitektura Low Dropout regulatoraInvertujuće način rada – redni elemenat u zasićenju.Izraženija nestabilnost.Lateralni PNP – malo β (10).Eliminacija spajkova upotrebom PMOS elementa.Nekompatibilnost PMOS-a sa IC tehnologijom.LDO kontroleri.

Izbor vrednosti kondenzatora za kompenzaciju

4.3 Analogni multiplekseriU elektronskim sistema koji zahtevaju mogućnost kontrolei selekcije specificiranog prenosnog puta za analogni signal.

Razvoj CMOS tehnologije PMOS i NMOS na istom substratu.

CMOS prekidač

Izvori grešaka u CMOS prekidačima

Ekvivalenta šema dva susedna CMOS prekidača

Jednosmerne greške prekidača u zatvorenom stanju

Jednosmerne greške prekidača u otvorenom stanju

Dinamičke osobine prekidača u zatvorenom stanju

Dinamičke osobine prekidača u otvorenom stanju

Ubacivanje naelektrisanja – charge injectionpromena naponskog nivoa kontrolnog signala.uzrokuje promenu izlaznog napona u toku promene.

Uticaj zaostalog naelektrisanja pri preklapanju kanala

Preslušavanje između kanala – crosstalk

Vreme smirivanja – settling time

Vremenski interval izražen u broju vremenskih konstantipotrebnih za dostizanje željene sistemske talčnosti.

Broj vremenskih konstanti potrebnih za smirivanje na 1 LSB Tačnosti za sistem prvog reda (Single-Pole System)

Vreme preklapanja – switching time

Primena analognih prekidačaPovezivanje na invertujući pojačavač

Uticaj RON i njegove nelinearnosti. Uticaj struje curenja.

Minimizacija uticaja promene RONModulacija sa oko ±100 mV umesto sa ±10 VPosebni otpornici za svaki ulaz.Uticaj parazitne kapacitivnosti koja je sada dodata.Uticaj RON na tačnost (1000 puta manja)

Metoda smanjenja greške pojačanja

CMOS prekidač u pojačavaču sa programibilnim pojačanjem

Povećenje otpornosti dovodi do većih šumova i ofseta

Kolo neosetljivo na RON

Prekidači za visoke frekvencije (1 GHz)

Latchup parazitni efekat u CMOS prekidačima

Pojava kritična u DAS sistemima – preopterećenje ulazaParazitni tiristor (SCR silicon controlled rectifier)Latchup se dešava kada je analogni ulaz na naponuvećem od VDD ili manjem od VSS.

Zaštita od letchup efekta

Metoda Trench izolacijeSmanjenje parazitnih kapacitivnosti,Povećanje:Switching time, Struje curenja,Opseg ulaznog anlognog napona do napona napajanja

4. Kola za podr4. Kola za podrššku konvertoraku konvertora

4.1 Referentni izvori

4.2 Low Dropout Linearni regulatori

4.3 Analogni prekikači i multiplekseri

4.4 Sample-and-Hold kola

4.4 Kola za odmeravanje i održavanje• Najkritičniji deo DAS sistema.• Najčešće već ugrađeni u savremene ADC.• Sampling - Tracking.• Osnovna primena – održati ulaz ADC konstantnim.• Prvi ADC (PWM) bez SH kola (Reeves 1939).

Osnovni princip rada

1. Kondenzator za čuvanje energije – srce kola2. Ulazni pojačavač visoke impedanse.3. Izlazni pojačavač visoke ulazne impedase.4. Prekidački elemenat.

Specifikacije grupisane u zavisnosti od stanja SH kola.U svakom stanju dve grupe karaketristika:

Neki od izvora grešaka u SH kolu

Specifikacije u režimu praćenja (odmeravanja)Radi kao pojačavač.Ofset, pojačanje, nelinearnost, propusni opsegbrzina, vreme smirivanja, izobličenja, šumovi.

Specifikacije za prelaz sa praćenja na držanjePedestal - utiskivanje malog iznosa naelektrisnja.Nelinearnost pedestala – ako zavisi od ulaznog sig.

Redukcija:Povećanjem C Veće vreme akviz.Manji propusni ops.

Apertura

Model prvog reda – srednja vrednost ulaznog signala

Džiter aperture

Efekti ukupnog džitera na povećenje šumova

Specifikacije u režimu držanjaNesavršenost kondenzatora droop - V/μsTemperaturna zavisnost struje curenja.Diferencijalne tehnike za smanjenje uticaja.Struje curenja na štampanoj ploči.

Dielektrična apsorpcijaObnavljanje naelektrisanja na kondenzatoru nakonciklusa punjenja i pražnjenja.Polistirenski, polipropilenski.Elektrolitski kondenzator, neki tipovi keramičkih.

Izobličenja u režimu držanjaMerenja u režimu praćenja – analognim analizatorom.U režimu držanja – digitalne metode:digitalizacija SHA izlaza pri kraju vremena držanja.

Specifikacije za:Prelaz držanje - praćenje

Vreme akvizicije:

Vremenski interval potreban da SH koloprihvati signal sa zahtevanom tačnošću.

Početak intervala: 50% takta za odmeravanje

Kraj intervala: Izlaz SH kola unutar definisangpojasa greške

Arhitekture SH kolaOtvorene petljeDiodni most velike brzine (šotki diode)Ključna uloga kola za bootstrap impulsa za držanje

Zatvorene petljePrekidači uvek na virtuelnoj masi.

Minimizacija efekta ubacivanja naelektrisanja.Tehnika diferencijalnog preklapanja.

Primena SH kolaVeliki broj ADC poseduje ugrađena SH kola saoptimalnim karakteristikama.

Mali broj primena gde se zahteva izuzetno širokopseg i mala izobličenja gde se mora koristitidiskretna struktura.

1) Smanjenje gličeva kod DA konvertora.2) Simultana konverzija pomoću jednog ADC.3) Distribucija signala.4) Kašnjenje analognog signala.

Smanjenje gličeva kod DA konvertora

Simultana konverzija pomoću jednog ADC

Distribucija signala

Kašnjenje analognog signala

1 istorijat razvoja konvertora - embedded systems research...

Documents