Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №8 - Журнал «Домашняя лаборатория»

Наиболее популярные АЦП для приложений цифровой обработки сигналов (ЦОС) базируются на пяти основных архитектурах: АЦП последовательного приближения, сигма-дельта АЦП, АЦП параллельной обработки (flash), АЦП конвейерной обработки (pipelined) и АЦП последовательного счета (Bit-Per-Stage).

ОСОБЕННОСТИ АЦП С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ И МАЛЫМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ

• Типичные напряжения питания: ±5 В, +5 В, +5/+3 В, +3 В

• Из-за малой амплитуды сигнала устройство чувствительно ко всем типам шумов (собственные шумы устройства, источника питания, логики и т. п.)

• Шумы устройства увеличиваются вследствие малых токов

• Ограничения по величине синфазного входного напряжения

• Критичен выбор входного буферного усилителя

• При высокой разрешающей способности желателен режим автокалибровки

Рис. 3.1

АЦП ДЛЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ

• Последовательного приближения:

♦ Разрешение до 16 бит

♦ Минимальное время задержки, может работать в режиме однократного преобразования

♦ Используются в мультиплексированных системах сбора данных

• Сигма-Дельта (IA):

♦ Разрешение до 24 бит

♦ Превосходная дифференциальная линейность

♦ Встроенный цифровой фильтр (возможно с линейной фазой)

♦ Большое время задержки (время ожидания выходного сигнала)

♦ Трудно мультиплексировать входы из-за временных затрат на установку цифрового фильтра

• Высокоскоростные архитектуры:

♦ Параллельный АЦП (Flash)

♦ Субинтервальный (subranging) или конвейерный (pipelined)

♦ Последовательного счета (Bit-Per-Stage)

Рис. 3.2

АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ

АЦП последовательного приближения много лет были главным инструментом преобразования сигнала. Недавние усовершенствования разработчиков расширили диапазон частот дискретизации этих АЦП до мегагерц. Использование методов внутренних коммутируемых конденсаторов вместе с методами автокалибровки расширяет разрешающую способность этих АЦП до 16 разрядов на стандартных CMOS-процессах без необходимости в дорогой тонкопленочной лазерной подстройке.

Основные элементы АЦП последовательного приближения представлены на рис. 3.3. Этот АЦП выполняет преобразования в командном режиме. После подачи команды CONVERT START устройство выборки-хранения УВХ (SHA) устанавливается в режим хранения, и все разряды регистра последовательного приближения РПП (SAR) сбрасываются в "О", кроме старшего значащего разряда (MSB), который устанавливается в "1". Выходной сигнал регистра последовательного приближения (РПП) подается на внутренний ЦАП. Если выходной сигнал ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае он остается установленным. Затем следующий старший значащий разряд устанавливается в "1". Если сигнал на выходе ЦАП больше, чем аналоговый входной сигнал, старший разряд РПП сбрасывается, в противном случае бит остается установленным. Описанный процесс поочередно повторяется для каждого разряда. Когда все разряды, в соответствии с входным сигналом, будут установлены в "0" или в "1", содержимое регистра последовательного приближения придет в соответствие со значением аналогового входного сигнала, и преобразование завершится. Если рассматриваемый АЦП имеет выход в виде последовательного порта, то последовательно поступаемые биты можно непосредственно передавать на выход.

Окончание преобразования индицируется сигналами end-of-convert (EOC), data-ready (DRDY) или BUSY (фактически, отсутствие сигнала BUSY индицирует окончание преобразования). Полярности и наименование этого сигнала могут отличаться для различных АЦП последовательного приближения, но основная концепция сохраняется. В начале интервала преобразования логический уровень сигнала высокий (или низкий) и остается в этом состоянии, пока преобразование не закончено. Затем уровень сигнала становиться низким (или высоким). Фронт сигнала индицирует наличие выходных данных.

N-разрядное преобразование осуществляется за N шагов. На первый взгляд может показаться, что 16-разрядному преобразователю для выполнения преобразования требуется в два раза больше времени, чем 8-разрядному преобразователю, но это не так. В 8-разрядном преобразователе перед принятием решения о значении очередного бита ЦАП должен установить на своем выходе сигнал с точностью, соответствующей 8 разрядам, в то время как ЦАП 16-разрядного преобразователя должен установить сигнала на своем выходе с точностью, соответствующей 16 разрядам, что занимает значительно больше времени. На практике 8-разрядный АЦП последовательного приближения может затрачивать на преобразование несколько сотен наносекунд, в то время как 16-разрядному АЦП требуется несколько микросекунд.

Обратите внимание, что общая точность и линейность АЦП последовательного приближения определяется, прежде всего, внутренним ЦАП. До недавнего времени в большинстве прецизионных АЦП последовательного приближения для достижения желательной точности и линейности использовалась тонкопленочная лазерная подгонка. Процесс подстройки тонкопленочного резистора увеличивает стоимость системы, а значение сопротивления тонкопленочного резистора может измениться при механическом воздействии на корпус микросхемы.

По этим причинам в более новых АЦП последовательного приближения стали популярными ЦАП с коммутируемыми конденсаторами (или конденсаторами с перераспределением заряда). Преимущество ЦАП с коммутируемыми конденсаторами состоит в том, что их точность и линейность определяются, прежде всего, качеством фотолитографии, которое, в свою очередь, зависит от площади конденсаторных пластин, емкости и соотношения емкостей конденсаторов. Кроме того, для достижения высокой точности и линейности конденсаторы малой емкости могут подключаться параллельно основным конденсаторам или отключаться от них в соответствии с алгоритмом автокалибровки без необходимости применения тонкопленочной лазерной подстройки.

Согласование температурных характеристик коммутируемых конденсаторов может быть лучше, чем 1 ррт/°С, чем и обеспечивается высокая температурная стабильность. Простой 3-разрядный ЦАП на переключаемых конденсаторах представлен на рис. 3.4.

Переключатели (коммутаторы) показаны в режиме выборки, или дискретизации, когда напряжением аналогового входного сигнала AIN регулярно заряжается и разряжается параллельная комбинация всех конденсаторов. Режим хранения инициируется открытием SIN. При этом напряжение аналогового входного сигнала на конденсаторной матрице остается дискретным. Затем открывается переключатель Sc, разрешая изменения Напряжения в точке А по мере коммутации переключателей разрядов. Если S1, S2, S3 и S4 замкнуты на «землю», в точке А появляется напряжение, равное — AIN. Замыкание S1 на VRE добавляет к — AIN напряжение, равное VREF/2. Затем компаратор принимает решение относительно значения старшего значащего разряда, и РПП либо оставляет S1 соединенным с VREF, либо подключает его к «земле», в зависимости от сигнала на выходе компаратора (нулевое или единичное значение выхода компаратора зависит от того, является ли напряжение в узле отрицательным или положительным). Аналогичный процесс проходит и в оставшихся двух разрядах. В конце интервала преобразования S1, S2, S3, S4 и SIN замыкаются на AIN, SC подключается к «земле», после чего преобразователь готов к новому циклу.

Обратите внимание, что для выполнения двоичного деления при управлении конденсаторами отдельных разрядов требуется дополнительный конденсатор младшего разряда (LSB) (емкостью С/4 в случае 3-разрядного ЦАП) для того, чтобы полное значение емкости конденсаторной матрицы равнялось 2С.

Работа "конденсаторного" ЦАП подобна работе резистивного R/2R ЦАП. Когда индивидуальный конденсатор разряда подключен к VREF, делитель напряжения, созданный конденсатором разряда и общей емкостью матрицы (2С), добавляет в точке А напряжение, равное