بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با ساختار تقریب متوالی ارائه شده است. این مبدل آنالوگ به دیجیتال با به کارگیری ساختار تفاضلی به منظور دیجیتالسازی سیگنالهای آنالوگ با سرعت تغییرات کم به کار گرفته شده است.
در این ساختارتقریب ها بر اساس نمونهی قبلی انجام خواهد شد و بخش مبدل دیجیتال به آنالوگ که سهم عمدهای در توان مصرفی را دارد از انجام تقریبهای از پیش تعیین شده باز میدارد. به این ترتیب خازنهای موجود در مبدل دیجیتال به آنالوگ بعد از هر تبدیل با تغییرات کوچک به حدس درست و متناسب با ورودی جدید دست خواهد یافت.
بخش تفاضل-گیر در این ساختار با به کارگیری خازن نمونه بردار طبقهی اول و یک مقایسهکنندهی دیجیتال پیادهسازی شده است که خود نقش بیت پر ارزش کلمهی دیجیتال خروجی را بر عهده دارد. مبدل ارائه شده در فناوری 0/18µm سیماس و با ولتاژ تغذیهی 1/8 ولت طراحی شده است. توان مصرفی کل ساختار11/7 ʽW و نسبت سیگنال به اعوجاج فرکانس - - SFDR مبدل برابر با -52/91 dB در فرکانس نمونه برداری 1ksample/s میباشد.
.1 مقدمه
مبدلهای آنالوگ به دیجیتال از مهمترین بلوکهای الکترونیکی هستند. این بخشها نقش مهمی در ارتباط دنیای آنالوگ و دیجیتال ایفا میکنند. امروزه بسته به کاربردهای گوناگون ساختارهای مختلفی برای این بخش از مدارهای الکترونیکی ارائه شده است که وابسته به نیازهایی نظیر سرعت بالا، توان مصرفی کم و همچنین محدودیت در سطح تراشه و سادگی ساختار میتوانند ساختار جداگانهای داشته باشند
از میان مبدلهای پر کاربرد آنالوگ به دیجیتال میتوان به مبدل تقریب متوالی اشاره کرد. این مبدلها به دلیل توان مصرفی کم و همچنین عدم پیچیدگی در پیاده سازی جای پای محکمی در کاربردهای متناظر با ویژگیهای فوق بازکرده اند.
اساس کار این مبدلها بر پایهی حدس و مقایسه است به این ترتیب که در نمونههای رایج ابتدا سیگنال ورودی با نصف مقدار تغذیه مقایسه میشود و سپس بر اساس مقایسه اولیه بالاتر یا پایین تر بودن ولتاژ ورودی نسبت به نصف ولتاژ تغذیه مشخص میشود. در مراحل بعدی بازهی باقی مانده به نصف مقدار خود تقسیم میشود و بر اساس مقایسههای بعدی کلمهی دیجیتالی خروجی در چند سیکل عملکرد استخراج میگردد.[6-3] در شکل1 بلوک دیاگرام کلی یک مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی را نشان داده شده است.
شکل :1 ساختار مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی
در این مبدل سیگنال ورودی توسط واحد S/H وظیفه نمونه برداری از ولتاژ آنالوگ ورودی با در نظر گرفتن نرخ نایکوئیست را بر عهده دارد . هر نمونه به وسیلهی مقایسهگر با خروجی DAC مقایسه میشود و واحد تقریب متوالی با توجه به خروجی مقایسهگر سوییچهای DAC را کنترل میکند. به این ترتیب در یک مبدل N بیتی پس از N سیکل مقدار خروجی DAC با مقدار نمونهی ورودی برابر خواهد شد.
بیت پایان عملکرد - - EoC تعیین کنندهی اعتبار دادههای دیجیتال خروجی خواهد بود. این بیت پس از پایان هر سیکل نمونه برداری یک میشود. به صورت خلاصه عملکرد یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با ساختار تقریب متوالی مبتنی بر مقایسه نمونهی ورودی با نصف ولتاژ مرجع در مرحلهی نخست میباشد. نتیجهی این مقایسه توسط مقایسهگر مقدار بعدی مقایسه را تعیین میکند.[7] شکل2 عملکرد یک مبدل چهار بیتی تا رسیدن به خروجی1011 را نشان میدهد.
شکل: 2 عملکرد یک مبدل چهار بیتی تا رسیدن به کلمه خروجی1011
وجود روند یکسان در مقایسه و عدم تناسب این روند با مقدار ولتاژ ورودی باعث افزایش توان مصرفی شده است. مبدل دیجیتال به آنالوگ در این ساختار به دلیل بازگشت به حالت اولیه پس از هر تبدیل نقش عمده ای را در مصرف توان مبدل دارد. از طرف دیگر عمدهی کاربرد مبدلهای تقریب متوالی در کاربردهایی ست که نیازی به سرعت نمونه برداری بسیار بالا ندارند و هدف عمده توان مصرفی کم مبدل میباشد
بنابراین در بیشتر کاربردها سیگنال ورودی دارای باند فرکانسی محدودی است و این به معنای تغییرات کم نمونهها نسبت به یکدیگر میباشد . در این مقاله یک ساختار جدید بر اساس تفاضلگیری از نمونههای متوالی ارائه میشود. در این ساختار به دلیل عدم نیاز به شروع تبدلیل از مقدار استخراج شدهی نمونهی قبلی، مبدل تبدیل جدید را از مقایسه با مقدار نصف ولتاژ تغذیه آغاز نخواهد کرد بنابر این این مساله موجب جلوگیری از اتلاف توان مصرفی بیش از حد در کاربرهای کم سرعت و کم توان خواهد شد. از طرف دیگر در این ساختار به منظور تفاضلگیری از عناصر غیر فعال استفاده شده است که خود موجب جلوگیری از مصرف توان استاتیکی و افزایش توان مصرفی کل مبدل خواهد شد.
.2 مبدل آنالوگ به دیجیتال پیشنهاد شده
در ادامه به بررسی بخشهای مختلف و با اهمیت مبدل آنالوگ به دیجیتال پیشنهاد شده پرداخته خواهد شد.
الف. مبدل دیجیتال به آنالوگ
بلوک مبدل دیجیتال به آنالوگ بخش مهمی در ساختار یک مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی میباشد. این بخش تعیینکنندهی بسیاری از پارامترها نظیر دقت، مساحت و توان مصرفی میباشد. پارامترهای ذکر شده تا حد زیادی به نوع مبدل وابسته است. در مبدل آنالوگ به دیجیتال پیشنهادی، از ساختار توزیع مجدد بار استفاده شده است. این ساختار در مقایسه با سایر ساختارهای مبدل دیجیتال به آنالوگ نظیر مبدلهای جریانی، توان مصرفی کمتری را دارد.[9] در شکل3 ساختار مبدل دیجیتال به آنالوگ استفاده شده نشان داده شده است.
شکل :3 ساختار داخلی بلوک مبدل دیجیتال به آنالوگ
