بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک ساختار سیستمی مدولاتور SMASH 2-2 در نرمافزار متلب شبیهسازی شده و در محیط نرمافزار Cadence با تکنولوژی 0/18 میکرومتر و با استفاده از بلوکهای فعال تقویتکننده و مقایسهکننده و المانهای غیرفعال سوئیچها و خازنها پیادهسازی شده است. نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج مدولاتور برای پهنای باند یک مگاهرتز برابر با 61/97 دسیبل به دست آمده است که معادل با تقریباً 10 بیت دقت موثر است. نتایج شبیهسازی ساختار سیستمی مدولاتور با ابزار simsides در متلب و همچنین نتیجه شبیهسازی ورودی و خروجی مدولاتور در نرمافزار Cadence صحت عملکرد مدولاتور SMASH را تایید میکنند که با توجه به مقدار دقت به دست آمده برای آن، میتوان از این مدولاتور در بسیاری از کاربردها استفاده نمود.
مقدمه
مبدلهای آنالوگ به دیجیتال1، امروزه به عنوان پل ارتباطی دنیای واقعی و دنیای پردازش دیجیتال نقش کلیدی در بسیاری از سیستمهای الکترونیکی، مخابراتی و کنترلی ایفا میکنند. در واقع بر خلاف سیر تکاملی تجهیزات الکترونیکی و مخابراتی به سمت دیجیتالی شدن، پردازش سیگنالهای آنالوگ اهمیت خود را از دست نمیدهند، چراکه در دنیای واقعی، اطلاعات بهصورت سیگنالهای پیوسته در زمان هستند . - Carusone, Johns, Martin, 2012 - به همین دلیل مبدلهای آنالوگ به دیجیتال کاربرد گستردهای در تصویربرداری پزشکی، ارتباطات بیسیم، سیستمهای پردازش صدا و تصویر و سیستم رادیویی دیجیتال دارند .
- Krishna, Ramashri and Reena, 2014 - مبدلهای آنالوگ به دیجیتال فرانمونهبردار یا ADC های سیگما دلتا در ساختار خود یک مدولاتور دارند که بلوک اصلی این مبدلها محسوب میشود . - Joy and Kandpal, 2016 - مدولاتورهای سیگما دلتا با بهرهمندی از خواص فرانمونهبرداری و شکلدهی نویز خود، بهترین گزینه برای پیادهسازی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال با دقت بالا و پهنای باند کم تا متوسط هستند . - Abhilash and Srinivas, 2014 - مشکل اساسی مبدلهای فرانمونهبردار این است که پهنای باند سیگنال، کسر کوچکی از پهنای باند مبدل است.
به منظور افزایش پهنای باند سیگنال، زمانیکه میخواهیم نسبت سیگنال به نویز کوانتیزاسیون2 را نیز حفظ کنیم یا بهبود دهیم، باید یکی از دو مورد فرکانس نمونهبرداری یا مرتبه مدولاتور را افزایش دهیم . - Maghari, Kwon and Moon, 2009 - افزایش فرکانس نمونهبرداری باعث افزایش توان مصرفی شده و افزایش مرتبه مدولاتور، احتمال ناپایداری را افزایش میدهد. مدولاتورهای تکحلقه که به صورت انتگرالگیرهای پشت سر هم پیادهسازی میشوند، با بکارگیری مدار ساده و بهرهگیری از المانهای مداری با عملکرد مطلوبتر، نسبت سیگنال به نویز بالایی را فراهم میکنند . البته این ساختارها مستعد ناپایداری هستند و هنگای که ناپایداری ایجاد شود، پایدار کردن این ساختارها بسیار دشوار خواهد بود . - Han and Maghari, 2014 -
بنابراین برای افزایش پهنای باند و پایدارسازی مدولاتورهای سیگما دلتا میتوان از ساختار شکلدهی نویز چند طبقه3استفاده کرد. این مدولاتورها با استفاده از ساختارهای مراتب پایینتر تحقق مییابند و به دلیل پایداری مدولاتورهای مراتب پایین، کل ساختار نیز پایدار خواهد بود . - Carusone et al, 2012 - در مدولاتورهای سیگما دلتا MASH، به دلیل تطابق بین فیلترهای آنالوگ و دیجیتال در خروجی، اجزای مداری آنالوگ با دقت بالا برای کاهش نشتی نویز کوانتیزاسیون مورد نیاز است.
این نیاز شامل انتگرالگیرها و ضرایب دقیق مدولاتور سیگما دلتا میشود . - Parkash, Jose and Mathew, 2016 - بهعلاوه، در کاربردهای ولتاژ کم، بهره آپ امپ بالای مورد نیاز، دلالت بر آپ امپهای چندطبقه دارد که عملکرد پایداری و توان مصرفی مدولاتور را محدود خواهد کرد. بنابراین برای کاهش محدودیتهای بیان شده میتوان ساختار جدیدی مبتنی بر حذف فیلترهای دیجیتال ارائه داد که از مزیت سادهتر کردن مدار نیز بهره خواهد برد که با نام مدولاتور SMASH شناخته میشود.
در این مقاله یک ساختارSMASH4 دو حلقه مرتبه 4 شبیهسازی شده است که در آن با حذف فیلترهای دیجیتال در خروجی مدولاتور، علاوهبر حفظ مزایای ساختار MASH، محدودیتهای آن را از بین برده است . - Maghari, Kwon, Temes and Moon, 2006 - در پیادهسازی مداری این ساختار از بلوکهای با عملکرد مطلوب استفاده شده است به نحوی که عملکرد کلی مدولاتور نیز بهبود یافته است. این مقاله از قسمتهای زیر تشکیل شده است: در بخش بررسی ساختار سیستمی مدولاتور، مدولاتور SMASH و ساختار آن توضیح داده خواهند شد.
در بخش پیادهسازی مداری مدولاتور نیز به بررسی سطح مداری مدولاتور شامل تقویتکنندهها، مقایسهکنندهها، سوئیچها و خازنها و تحلیل عملکرد هریک از اینها و همچنین نحوه بکارگیری این بلوکها در مدولاتور پرداخته خواهد شد. ساختار سیستمی مدولاتور در نرمافزار متلب و سطح مداری آن در محیط نرمافزار Cadence شبیهسازی شده و نتایج آن استخراج شده است. این نتایج در بخش نتایج شبیهسازی قرار داده شدهاند. نهایتاً، این مقاله با بخش بحث و نتیجهگیری به پایان میرسد.
بررسی ساختار سیستمی مدولاتور SMASH
در شکل 1، ساختار MASH دو حلقه و نحوه تبدیل آن به ساختار SMASH نشان داده شده است. همانطور که در شکل 1 مشخص است، با حذف فیلترهای دیجیتال قسمت خروجی مدولاتور که به صورت خطچین نشان داده شدهاند، ساختار MASH به ساختار SMASH تبدیل میشود. روش اساسی در ساختار MASH به این صورت میباشد که نویز کوانتیزاسیون طبقه قبل به ورودی طبقه بعدی که یک حلقه دیگر از مدولاتور است، داده میشود و خروجی این حلقهها با هم ترکیب میشوند. فیلترهای دیجیتالی که در ساختار MASH استفاده میشوند، برای حذف نویز کوانتیزاسیون طبقات قبل از طبقه آخر میباشد. ولی به دلیل وجود این فیلترهای دیجیتال، ساختار MASH به بهره آپ امپ بالا برای کاهش اثر عدم تطبیق بین بلوکهای آنالوگ و دیجیتال نیاز دارد.
