بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال 10 Rail-to-Rail بیتی با ساختار تقریب متوالی ارائه شده است. این مبدل آنالوگ به دیجیتال با به کارگیری ساختار مکمل قابلیت عملکرد صحیح به ازای تمامی مقادیر ورودی فراهم شده است. ساختار مبدل دیجیتال به آنالوگ به صورت خازنی بوده و دارای مقدار DNL کمتر از 0/3 کوچکترین بیت و خطای INL کمتر از 0/5 کوچکترین بیت میباشد که خود نداشتن کد گم شده را تضمین میکند. مبدل ارائه شده در فناوری 0/18µm سیماس و با ولتاژ تغذیهی 1/8 ولت طراحی شده است. توان مصرفی کل ساختار25 ʽW با فرکانس نمونه برداری آن 1kSample/s میباشد.
.1 مقدمه
امروزه مبدلهای آنالوگ به دیجیتال در علم الکترونیک و ارتباط دنیای آنالوگ به دیجیتال نقش مهمی را ایفا می-کنند. بهره گرفتن از الگوریتمهای پردازش دیجیتال و همچنین استفاده از مزیتهای مدولاسیون دیجیتال از جمله مهم-ترین کاربردهایی هستند که استفاده از آنها وابسته به به کارگیری مبدلهای آنالوگ به دیجیتال مناسب با عملکرد قابل قبول میباشد.
از ساختارهای رایج مبدلهای آنالوگ به دیجیتال می توان به مبدلهای سنکرون فلش، دلتا-سیگما، خط لوله شیب و مبدل تقریب متوالی - SAR - اشاره کرد.[6-4] از این میان مبدلهای تقریب متوالی به دلیل توان مصرفی کم و سادگی در پیاده سازی مورد توجه قرار گرفته اند. بخش عمدهی توان مصرف شده در این مبدلها مربوط به توان مصرفی دینامیکی میباشد بنابراین کاهش جریان مصرفی استاتیکی موجب کاهش توان مصرفی کل مبدل خواهد شد.[ 7 ] در شکل1 ساختار یک مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی نشان داده شده است.
شکل :1 ساختار مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی
در این مبدل سیگنال ورودی توسط واحد S/H با فرکانس نمونهبرداری چند برابر فرکانس سیگنال ورودی در یک خازن ذخیره میشود. هر نمونه بهوسیلهی مقایسهکننده با خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ - - DAC مقایسه میشود و واحد تقریب متوالی با توجه به خروجی مقایسهگر سوئیچهای 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 و کلمه دیجیتال خروجی متناظر استخراج میشود. محدود بودن عملکرد مبدل در تمام بازه ورودی - 0-VDD - این مبدل را نیازمند به به کار گیری طبقه تقویت کننده خواهد کرد. به این ترتیب سیگنال تقویت شده به ورودی مبدل اعمال خواهد شد. این تکنیک علاوه بر افزایش توان مصرفی ایستا به توان مصرفی مبدل موجب افزایش سطح تراشه نیز خواهد شد.
در این مقاله با استفاده از ساختار جدید، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ده بیتی تقریب متوالی با توانایی انجام تبدیل آنالوگ به دیجیتال در سرتاسر بازهی ولتاژ ورودی بدون نیاز به طبقهی تقویت کننده ارائه شده است. در این ساختار از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ ده بیتی با ساختار خازنی، بخش کنترل دیجیتالی و همچنین مقایسهگر دینامیکی مکمل استفاده شده است.
.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
این واحد بیتهای دیجیتال خروجی از واحد ثبات تقریب متوالی را به ولتاژ آنالوگ تبدیل میکند. ساختارهای مبدل جریانی و همچنین مبدلهای با آرایهی خازنی وزن دهی شدهی مرسوم و بر اساس تئوری توزیع بار، از مرسومترین ساختارهای گزارششده میباشند. در مبدلهای آنالوگ به دیجیتال جریانی، مصرف جریان بالا و به تبعیت از آن مصرف توان بالا در طراحیهای با توان مصرفی کم، مطلوب نمیباشد.[11]در شکل2 ساختار مبدل دیجیتال به آنالوگ استفاده شده نشان داده شده است.
شکل :2 ساختار داخلی بلوک مبدل دیجیتال به آنالوگ
تمام سوئیچهای به کارگرفته شده در این ساختار از نوع T.G هستند و بر اساس بیتهای خروجی ثبات تقریب متوالی، هر یک از خازنها به زمین و یا ولتاژ مرجع متصل میگردند و ولتاژ آنالوگ متناسب با کلمهی دیجیتال را تولید میکنند. شکل 4 خطای ناخطینگی تفاضلی و تجمعی مبدل را نشان میدهد. مقدار DNL کمتر از 0/3 کوچکترین بیت و خطای INL کمتر از 0/5 کوچکترین بیت، نداشتن کد گم شده را تضمین میکند.
شکل :3 خطای ناخطینگی - الف - تفاضلی - ب - تجمعی
