بخشی از مقاله

چکیده

دراین مقاله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال چهاربیتی با روش تقریب متوالی درتکنولوژی ساخت 65 نانومتر سی موس طراحی گردیده است. ازمزیت های این نوع مبدل، استفاده از تعداد یک مقایسه کننده درساختار خود بوده که این امر باعث پایین آمدن مقدار آفست، به هم نریختن آن،ساخته شدن مبدل درمساحت کوچکتر و کاهش توان مصرفی تاحد امکان شده است که دلائل ذکر شده، این نوع مبدل را به یکی از متداول ترین مبدلهای آنالوگ به دیجیتال در نرخ نایکوئیست به شمار آورده است. باتوجه به اینکه مبدل مذکور برای سرعت های بالا طراحی شده لذا لازم است هرکدام از بلوک های ساختار این مبدل نظیر مقایسه کننده1و SAR Logic و مبدل دیجیتال به آنالوگ1 نیز دارای سرعت بالا وبه عبارت دیگر از سریع ترین در نوع خود باشند.

در طراحی مبدل آنالوگ به دیجیتال پیشنهادی ازمقایسه کننده سرعت بالا 20 MS/s ، SAR Logic چهاربیتی سرعت بالا ومبدل دیجیتال به آنالوگ باسوئیچ خازنی ازنوع پینگ پنگ2 استفاده گردیده است. مراحل طراحی SAR Logic چهاربیتی پیشنهادی بصورت خودآموز وگام به گام ازمرحله نخست تعریف متغیرها و ورودی تا رسم نمودارحالت- جدول حالت و معادلات حالت ونیزطراحی درسطح سی موس و 3PLA توضیح داده شده است.نتایج شبیه سازی طراحی با استفاده از نرم افزار شبیه سازی HSPICE8 ،تعداد بیت موثر4 برابر 5.42 را در فرکانس نمونه برداری 2.1Gs/s و ولتاژ تغذیه 1.2ولت نشان داده است.

کلمات کلیدی: تعداد بیت موثر، رزولوشن5 ، مقایسه کننده، نرخ سیگنال به نویز6 نمونه بردار ونگهدار7

-1 مقدمه

مبدل های آنالوگ به دیجیتال به عنوان پل ارتباطی کمیت های آنالوگ در دنیای واقعی با دنیای پردازش دیجیتال، نقش کلیدی را در بسیاری ازسیستم های الکترونیکی،مخابراتی وکنترلی ایفا نموده ویک جزء اساسی محسوب می گردد - ایمانی، علیرضا، - 1387 - حسین زاده نمین، اشکان،. - 1387 دقت بالا، سرعت بالا و توان مصرفی پایین ،سه عامل اصلی برای تعیین کیفیت یک مبدل و حوزه کاربرد آن می باشد وتاکنون معماری های متفاوتی برای نیل به این اهداف طراحی شده اند. باید به این نکته نیز توجه داشت که سرعت و دقت مورد نیاز برای یک مبدل، به کاربرد آن مبدل نیز بستگی دارد. - خجسته لزرجان ،وحید - . مبدل آنالوگ به دیجیتال با روش تقریب های متوالی یکی از متداول ترین 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 - .SARAVANAN T.K ، - 2010 - حسین زاده نمین، اشکان، - - 1387 خجسته لزرجان ،وحید - .یک مرور سطحی بر مقالات ارائه شده درکنفرانس ها و مجلات معتبر جهانی این نکته را روشن می سازد که مبدل های SAR ،درسال های اخیر به گزینه مناسبی برای کاربرد درسیستم های مخابراتی و ارتباطی باسیم و بی سیم درآمده که درگذشته مختص مبدل های دیگری نظیر پایپ لاین وفلش بودند. - ایمانی، علیرضا،YE XU AND TROND YTTERDAL - - 1387، - 2013

نیازبه تقویت کننده های حلقه بسته برای تقویت مانده طبقات قبل درمبدل پایپ لاین،سرعت این مبدل ها را محدود وتوان آنها را افزایش می دهدو حتی درصورت استفاده ازتقویت کننده حلقه باز، نیاز به مدارات کالیبراسیون،پیچیدگی وتوان مصرفی این مبدل ها را افزایش می دهدلذا مقایسه انجام گرفته، برتری ساختار SAR را ازلحاظ بازدهی توان نشان می دهد. - ایمانی، علیرضا، - 1387 از طرفی عملکرد منطق ترتیبی بصورت تاریخی مانعی برای کاربرد این مبدل درسرعت های بالا چه در وضوح پایین - نظیرمبدل فلاش - وچه در وضوح بالا - نظیر پایپ لاین - شناخته می شده است اما دوعامل اصلی اشاره شده در ذیل، باعث شکسته شدن مرزهای قبلی حوزه عملکرد مبدل های SAR شده است :

- 1 پیشرفت تکنولوژی سی موس - رفتن به سمت تکنولوژی با ابعاد کوچک - بدلیل داشتن پیامدهایی نظیر سریع ترشدن وکم توان تر شدن مدارات دیجیتال-افزایش فرکانس قطع - - fT ترانزیستورها-کاهش بهره ذاتی - gm ∗ ro - ترانزیستورها و کاهش سوئینگ ولتاژ .

- 2 نوآوری های سیستمی- مداری نظیر استفاده از Self-timing، Redundancy ،عملکرد آسنکرون مبدل و تغییر در طراحی مبدل دیجیتال به آنالوگ. - ایمانی، علیرضا، - 1387

کاربردهای SAR ADC را می توان درسه دسته اصلی زیر طبقه بندی کرد:

الف - کنترل کننده های صنعتی : به خاطر داشتن اندازه کوچک، توان مصرفی کم، قیمت ارزان وداشتن مدارات کم حجم ، درمدار حسگرها ،ادوات قابل حمل سبک وادوات کنترل صنعتی کاربرد دارد.

ب - دستگاه های تجزیه وتحلیل :در وسایل پزشکی مانند سی تی اسکن ها ،دستگاه های عکس برداری با اشعه X ،دستگاه های MRI،مانیتورینگ قلب،اندازه گیری فشارخون و همچنین در وسایل آزمایشگاهی مانند آنالیز مواد یا کروماتوگرافی کاربرد دارد.

ج - دستگاه های اندازه گیری وتست: زمان هایگذشته معمولاً برای وسایل اندازه گیری وتست ازمبدل های نوع pipeline استفاده می شده ولی امروزه با زیادشدن سرعت نمونه برداری،افزایش دقت وکم مصرف تر بودن مبدلهای تقریب متوالی ،از این نوع مبدل استفاده می شود. - حسین زاده نمین، اشکان، - 1387

-2 بلوک اصلی تشکیل دهنده مبدل آنالوگ به دیجیتال با روش تقریب های متوالی

مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی از سه بلوک اصلی مقایسه کننده، SAR logicو مبدل دیجیتال به آنالوگ به همراه مدارنمونه بردار- نگهدار طبق شکل1 تشکیل گردیده است .در ساختار فوق؛قسمتهایDAC وSARدرمسیرفیدبک مقایسه کننده قرار دارند ومستقل ازتعداد بیت ها ، صرفاً ازیک مقایسه کننده استفاده شده ودر هرمرحله مقایسه، فقط یک بیت تولید می شود. مبدل تقریب متوالی باقدرت تفکیک n بیت ،خداقل به n گذرپالس ساعت برای محاسبه کامل خروجی نیاز دارد بنابراین باعث می شود تا نسبت به دیگر مبدل ها نظیر مبدل فلش کندتر باشد.به عنوان مثال برای n بیت رزولوشن؛ این مبدل حداقل n برابر کندتر از مبدل آنالوگ به دیجیتال فلش می باشد.این مبدل ازیک الگوریتم جستجوی دودویی برای تبدیل آنالوگ ورودی به یک کد ترتیبی دیجیتال استفاده می نماید وبطور کلی عملیات تبدیل در چهار مرحله انجام می گیرد:

- 1واحد - S/ H - یک نمونه - Sample - از ولتاژ آنالوگ ورودی می گیرد ومدت کوتاهی نگه - Hold - می دارد.

- 2دراین مدت واحد SAR اعداد دیجیتال - کد های دودویی - را مطابق الگوریتم جستجوی دودویی که در قسمت بعد توضیح داده خواهد شد تولید می کند.

- 3کد های دودویی تولید شده SAR ، توسط مبدل دیجیتال به آنالوگ ،به یک سیگنال آنالوگ معادل آن برای مقایسه با نمونه ولتاژ ورودی Vin تبدیل می گردند.

- 4بوسیله واحد مقایسه کننده ، سیگنال آنالوگ تولید شده توسط مبدل دیجیتال به آنالوگ با سیگنال آنالوگ ورودی مقایسه می شود وبعد از تطابق، به SAR اطلاع داده می شود تا منطق جستجوی دودویی را ادامه دهد یا اینکه تولید کد دودویی را متوقف نماید .درصورت صدور دستورتوقف8 کد باینری نهایی به عنوان معادل دیجیتال سیگنال آنالوگ نمونه ورودی درنظر گرفته می شود.

مقایسه کننده، پرکاربردترین عنصر بعد از تقویت کننده ها در مدارات الکتریکی است.مقایسه کننده، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال تک بیتی است که دارای ورودی تفاضلی و خروجی دیجیتال است و بزرگترین کاربرد یک مقایسه کننده ولتاژ سرعت بالا، در سیستم مبدل آنالوگ به دیجیتال است .یکی از عوامل تعیین کننده سرعت تبدیل در مبدل های آنالوگ به دیجیتال ،

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید