بخشی از مقاله
چکیده
دراین مقاله یک مبدل20bit SAR ADC طراحی و شبیه سازی شده است ،تکنیکها و روش های جدیدی جهت بالا بردن افزایش رزولویشن SAR ADCتا 20 بیت بکار رفته است.استفاده ازیک ومقایسه گر درساختار اینگونه مبدل ، باعث پایین آمدن مقدار آفست، ساخته شدن مبدل درمساحت کوچکتر ودر نتیجه کاهش توان مصرفی تاحد امکان شده که دلائل ذکر شده، این نوع مبدل را به یکی از متداول ترین مبدلهای آنالوگ به دیجیتال در نرخ نایکوئیست به شمار میرود.
با توجه به اینکه سرعت بالا مدنظر می باشد باید تک تک قسمت های این مبدل از سرعت بالا برخوردار باشند.لذا از مبدل دیجیتال به آنالوگ خازنی از نوع پینگ پنگ که دارای سرعت بالاتری است و یک الگوریتم بازگشتی جدید با کاهش تعداد گام ها، برای کاهش محاسبات قسمت دیجیتال این مبدل در قسمت SAR Logicطراحی واز یک مقایسه کننده سرعت بالا 20 MS/s ، بهره برده ایم. نتایج شبیه سازی طراحی با استفاده از نرم افزار شبیه سازی HSPICE8 ،تعداد بیت موثر1 برابر 5.42 را در فرکانس نمونه برداری 2.1Gs/s و ولتاژ تغذیه 1.2ولت نشان داده است.
-1 مقدمه
دنیای امروز دنیای دیجیتال بوده که تمامی سیگنالهای مورد پردازش ، علیرغم داشتن ماهیت گسسته از دیدگاه ما پیوسته فرض می شوند و طبیعتی آنالوگ به خود می گیرند.اما واقعیت خلاف بر این بوده و ما تمامی سیگنال ها را بصورت گسسته خواهیم داشت.بهمین دلیل مزیت های عمده پردازش سیگنال های دیجیتال، طراحی مبدل های آنالوگ به دیجیتال مورد نظر می باشند.طراحی مدارهای دیجیتال با استفاده از تکنولوژیCMOS به علت قابلیت مجتمع سازی بالا،توان مصرفی کم و قیمت پایین به روشی متداول برای ساخت مبدل های آنالوگ به دیجیتال در آمده است.
دقت بالا، سرعت بالا و توان مصرفی پایین ،سه عامل اصلی برای تعیین کیفیت یک مبدل و حوزه کاربرد آن می باشد و تاکنون معماری های متفاوتی برای نیل به این اهداف طراحی شده اند . مبدل آنالوگ به دیجیتال با روش تقریب متوالی یکی از متداولترین مبدلهای آنالوگ به دیجیتال درنرخ نایکوئیست برای کاربردهای باسرعت و رزولوشن متوسط به شمار می رود . بدلیل استفاده از تنها یک مقایسه کننده و اینکه بخش اعظمی از مبدل SAR درحوزه دیجیتال پیاده سازی می شود لذا توان مصرفی آن بسیارپایین است
برخی از روش های تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال :
-1 مبدل فلش - . - Flash ADC
-2 مبدل فلش 2مرحله ای . - Two Step Converter -
-3 مبدل نوع چند محدوده ای . - Sub ranging Converter -
-4 مبدل نوع خط لوله ای . - PipeLine Converter -
-5 مبدل نوع تقریب های متوالی - . - Successive Approximation Converter
یکی از انواع مبدل های آنالوگ به دیجیتال که سیگنال پیوسته در زمان ودامنه رسیده به ورودی خود را به کدهای خروجی گسسته در زمان ودامنه تبدیل می نماید مبدل آنالوگ به دیجیتال با روش تقریب های متوالی - Successive Approximation Register - یا به اختصار SAR ADC می باشد.ایده اصلی بکاررفته در این نوع مبدل , کم کردن توان مصرفی تاحد امکان با استفاده از یک مقایسه کننده است. .دراین نوع مبدل ها با استفاده ازمدارهای دیجیتال یک کد دیجیتال تولید می شود وسپس توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ ,سیگنالی متناظر باکد دیجیتال تولید می شود ودر ادامه سعی می شود اختلاف سیگنال آنالوگ تولیدی باسیگنال ورودی تاحد امکان کوچک شود که این عمل باتغییر اندازه کد دیجیتال براساس الگوریتم خاصی به نام الگوریتم جستجوی دوتایی صورت می گیرد.بدلیل استفاده ازاین الگوریتم ,مدارهای داخلی مبدل باسرعتی بسیار بیشتر ازفرکانس نمونه برداری مبدل کارمی کنند به همین دلیل طراحی این نوع مبدل برای فرکانس های نمونه برداری زیاد بسیار دشوار است .
بلوک های تشکیل دهنده مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی بشرح ذیل میباشد.:
- 1 بلوک - S/H - Sample & Hold
- 2 بلوک Comparator - مقایسه کننده -
- 3 بلوک SAR Logic
- 4بلوک مبدل دیجیتال به آنالوگ - - DAC
بطورکلی عملیات مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی در 4 مرحله به شرح ذیل انجام می گیرد :
Hold - 1 یک نمونه - Sample - از ولتاژ آنالوگ ورودی می گیرد و مدت کوتاهی نگه - Hold - می دارد.
- 2 دراین مدت واحد SAR اعداد دیجیتال را - به عنوان مثال برای یک ADC ده بیتی ،کد دیجیتال اعداد 0 تا - 1024تولید می کند. SAR منطق تعیین بیت های متوالی را کنترل می کند . یک ADC ، nبیتی دارای SAR شامل n بیت است. برای هر بیت سه حالت وجود دارد که می تواند صفر ، یک ویا مقدار قبلی بماند.
- 3 این اعداد را واحد دیجیتال به آنالوگ - - DAC می گیرد ومطابق با ولتاژ رفرنس مربوطه ؛ به یک سیگنال آنالوگ برای مقایسه با ولتاژ ورودی Vin تبدیل می نماید.
- 4 بوسیله واحد مقایسه کننده - - Comparator ، سیگنال آنالوگ تولید شده با سیگنال ولتاژ ورودی مقایسه می شود .خروجی مقایسه کننده صفر یا یک است که برای منطق SAR مورد استفاده قرار می گیردتا بعد از تطابق به SAR اطلاع داده شود که شمارش اعداد متوقف گردد وعدد نهایی به عنوان مقدار دیجیتال شده ولتاژ ورودی اعلام وپایان عملیات با یک شدن بیت End Of - EOC - Conversionاعلام می شود.
شکل -1 بلوک دیاگرام یک SAR ADC
مقایسه کننده:
مقایسه کننده، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال تک بیتی است که دارای ورودی تفاضلی و خروجی دیجیتال است لذا مقایسه کننده ولتاژ دریک ADC ، ولتاژ لحظه ای سیگنال آنالوگ ورودی را با یک - سیگنال آنالوگ خروجی - DAC مقایسه می کند و با یک خروجی منطقی - نتیجه این مقایسه - به SAR اطلاع داده می شود تا منطق جستجوی دودویی را ادامه دهد یا تولید کد دودویی را باصدور دستور توقف EOC - - متوقف نماید.
مقایسه کننده استفاده شده دراین پروژه یک مقایسه کننده 4.1 بیتی با سرعت 20 گیگا نمونه بر ثانیه است. در ابتدا ،یک تقویت کننده مطابق شکل2 استفاده شده که کارجداسازی ولتاژ رفرنس ونمونه گیر و همچنین کاهش آفست ورودی را انجام میدهد.
شکل -2 تقویت کننده اولیه
