بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک روش کلیدزنی برای آرایهی خازنی بلوک مبدل دیجیتال به آنالوگ - DAC - مبدل دادهی رجیستر تقریب متوالی - SAR - پیشنهاد شده است. با استفاده از این روش، سه مرحلهی اول استخراج بیتهای پرارزش بدون هیچ گونه انرژی کلیدزنی انجام شده که باعث کاهش چشمگیر انرژی کلیدزنی میشود. شبیهسازی رفتاری یک مبدل 10بیتی، کاهش 99/2 درصدی میانگین انرژی روش پیشنهادی نسبت به روش سنتی را نشان میدهد. روش ارائه شده همچنین باعث کاهش 4 برابری مقدار خازن مبدل DAC نسبت به ساختار سنتی میشود. وابستگی به دقت منبع ولتاژ VCM و تغییرات ولتاژ حالت-مشترک ورودی مقایسهگر در این روش در حدود روشهای ارائه شدهی اخیر میباشد، در حالیکه مقدار انرژی کلیدزنی کاهش قابل توجهی داشتهاست.
.1 مقدمه
مبدلهای آنالوگ به دیجیتال از بلوکهای پایهای بسیاری از سیستمهای الکترونیکی و مخابراتی میباشند. در بین معماریهای مختلف این گونه مبدلها، ساختار رجیستر تقریب متوالی 2 - SAR - در سالهای اخیر به دلیل توان پایین، ساختار حداکثر دیجیتالی و بهره بردن بیشتر از مقیاس شدگی تکنولوژی، نسبت به معماریهای دیگر به شدت مورد توجه قرار گرفته است. یک مبدل SAR از نمونهبردار، واحد مقایسهگر، مبدل دیجیتال به آنالوگ 3 - DAC - خازنی و یک واحد دیجیتال تقریب متوالی تشکیل شده است.
در این نوع مبدلها در هر سیکل ساعت یک بیت استخراج میشود. این عمل با مقایسهی ولتاژ نمونهبرداری شده با ولتاژ پایههای مبدل DAC انجام میشود. ولتاژ خروجی DAC در هر سیکل با کلیدزنی آرایهی خازنی آن به مقدار مورد نظر تغییر میکند. روش کلیدزنی این خازنها، تعداد خازنهای مورد نیاز DAC و انرژی کلیدزنی را تعیین میکند. با توجه به این نکته که واحد DAC بخش عمدهی مساحت و توان مصرفی مبدل SAR را تشکیل میدهد و کلیدزنی این واحد تعیین کنندهی مقدار توان و مساحت آن میباشد، کلیدزنی این واحد بر عملکرد کلی مبدل SAR میتواند بسیار موثر باشد. به همین دلیل در سالهای اخیر با توجه به گسترش کاربرد مبدل SAR، روشهای متعدد کلیدزنی جهت کاهش مساحت و توان این بلوک ارائه شدهاست .[11]-[1]
در این مقاله یک روش کلیدزنی برای مبدل DAC ساختار مبدل SAR پیشنهاد شده است که در سه مرحلهی اول استخراج بیتهای پرارزش هیچگونه انرژی کلیدزنی مصرف نمیشود. از آنجا که در استخراج بیتهای پرارزش خازنهای بزرگ مورد عملیات کلیدزنی قرار میگیرند، انرژی کلیدزنی کل عمدتا ناشی از انرژی این مراحل میباشد. درنتیجه صفر کردن مقدار انرژی این مراحل باعث بهبود قابل توجه مقدار انرژی کلیدزنی میشود. روش پیشنهادی نسبت به روش سنتی مقدار انرژی کلیدزنی را حدود 130 برابر کاهش میدهد.
همچنین با استفاده از منبع ولتاژ اضافی VCM و استفاده از تکنیک جداسازی خازنی1، همانند دیگر روشهای سالهای اخیر، مقدار کل خازن مورد نیاز نسبت به ساختار سنتی 4 برابر کاهش یافتهاست. در مجموع انرژی کلیدزنی و مساحت خازنی با استفاده از روش پیشنهادی نسبت به روش سنتی به ترتیب 99/2 و 75 درصد کاهش یافتهاند. وابستگی به مقدار دقت منبع ولتاژ VCM تنها از بیت سوم پرارزش به بعد وجود دارد. همچنین بیشترین مقدار تغییرات ولتاژ حالت-مشترک ورودی2 مقایسهگر - که بر طراحی مقایسهگر میتواند موثر باشد - ، در بدترین حالت برابر 0/25 منبع تغذیه میباشد.
در بخش 2 بهصورت اجمالی نحوهی محاسبهی انرژی کلیدزنی که در بخشهای بعد بهطور مکرر استفاده میشود بیان شده، و در بخش 3 شیوهی کلیدزنی سنتی به عنوان مرجع مقایسه بهبود عملکرد توضیح داده میشود. در بخش 4 روش پیشنهادی این مقاله ارائه شده و حالات مختلف برای یک مبدل 4بیتی بررسی شده است. همچنین نتیجهی مدلسازی رفتاری3 برای یک مبدل 10بیتی SAR گزارش شده و با حالت سنتی مقایسه شده است. عملکرد روش ارائه شده از لحاظ تعداد خازن مورد نیاز، تغییر ولتاژ حالت -مشترک ورودی مقایسهگر و میزان وابستگی به دقت منبع ولتاژ VCM در بخش 5 بررسی شده است. در نهایت در بخش 6 عملکرد روش پیشنهادی با روشهای اخیر مقایسه شده و سپس در بخش 7 نتیجهگیری آورده شده است.
.3 شیوهی کلیدزنی سنتی
در مبدل SAR، برای استخراج N بیت دیجیتال نیاز به N سیکل ساعت میباشد. قسمت دیجیتالی SAR مقدار عددی را با توجه به یک الگوریتم جستجو و خروجی مقایسهگر در مرحلهی قبل تولید میکند. مبدل DAC این مقدار عددی دیجیتال را به یک ولتاژ آنالوگ تبدیل کرده و به ورودی مقایسهگر اعمال میکند. الگوریتم مورد استفاده در بلوک SAR جستجوی باینری1 میباشد. در این الگوریتم ابتدا عدد میانی بازه 0 تا 2N، یعنی 2N-1 تولید و توسط مبدل DAC تبدیل به ولتاژ آنالوگ - - VDD/2 میشود.
درنتیجه نمونه ورودی با این ولتاژ مقایسه میشود. اگر ورودی از این مقدار بزرگتر باشد خروجی مقایسهگر 1 میشود و به بلوک SAR برمیگردد. این مقدار به عنوان بیت پرارزش خروجی در یک رجیستر ذخیره میشود. در مرحله بعد بلوک SAR عدد میانی بازه 2N و 2N-1، یعنی - 2N-2 + 2N-1 - را به بلوک DAC میفرستد. اگر در مرحله قبل نمونه ورودی کمتر از - VDD/2 - بود و خروجی مقایسهگر صفر شدهبود، در این مرحله بلوک SAR عدد میانی بازه صفر و 2N-1 یعنی 2N-2 را به بلوک DAC میفرستاد. درنتیجه کلیدزنی خازنهای قسمت DAC میبایست به گونهای باشد که در هر مرحله شیفت ولتاژی مورد نظر را ایجاد کند.
شکل 1 یک مبدل SAR در روش کلیدزنی سنتی با دقت N بیت را نمایش میدهد که در آن آرایهی خازنی مبدل DAC، دودویی وزندار2 میباشد. درمرحلهی نمونهبرداری، ولتاژ ورودی بر روی صفحهی زیری 3 خازنها نمونهبرداری می شود، درحالیکه تمامی صفحات بالایی4 خازنها به ولتاژی برابر نصف منبع تغذیه - Vcm - متصل میباشند. در این حالت بر روی خازنهای آرایهی خازنی متصل به سر مثبت مقایسهگر ولتاژ Vcm -Vip ذخیره میشود.
