سمينار برق مبدل هاي آنالوگ به ديجيتال كم توان، سريع و با دقت بالا

سمينار برق مبدل هاي آنالوگ به ديجيتال كم توان، سريع و با دقت بالا

چكيده: 

در اين سمينار، جنبه هاي مختلف بهينه سازي توان براي يك مبدل آنالوگ به ديجيتال سريع و با دقت بالا براي رفع نياز دستگاه هاي مخابراتي و ارتباطي قابل حمل انجام شده است. در ابتدا مروري بر انواع مبدل هاي آنالوگ به ديجيتال انجام گرفته و مزايا و معايب هر ساختار به اختصار بيان شده است. سپس اصطلاحات فني (پارامترهاي استاتيك و پارامترهاي ديناميك) كه در اين زمينه به كار مي روند، مورد بحث قرار گرفته است. در اين سمينار به دليل قابليت هاي بسيار خوب و تعادل مناسبي كه بين سرعت، دقت و توان مصرفي مبدل هاي خط لوله وجود دارد، از اين مبدل ها استفاده شده است. بلوك هاي سازنده اين مبدل ها با در نظر گرفتن جنبه هاي سرعت، دقت و توان مصرفي معرفي شده اند. روش هاي حذف آفست در مقايسه گرها و آپ امپ ها و همچنين روش هاي كاليبراسيون مبدل هاي آنالوگ به ديجيتال و ديجيتال به آنالوگ و تصحيح خطاي ديجيتالي بيان شده است. روش هاي بهينه سازي توان براي تقويت كننده ها كه با توجه به آن ساختار و نوع تقويت كننده انتخاب مي شود، معرفي شده اند. در مرحله بعد يك مقايسه گر ديناميكي با آفست كم بررسي شده است و با استفاده از نتايج شبيه سازي هاي مربوط به آن، توانمندي اين مقايسه گر در برابر خازن هاي پارازيتي و سرگردان، خطاهاي ولتاژ و خطاهاي زمانبندي تجزيه و تحليل شده است. تحليل انواع نويز نيز انجام گرفته است و راه حلي براي بهينه سازي كل توان، كه وابسته به اندازه خازن ها و قابليت تفكيك در هر طبقه مي باشد، ارائه شده است. يك نوع اشميت تريگر CMOS جهت استفاده به عنوان پالس ساعت ورودي معرفي شده است كه در آن، از اندازه معكوس كننده هاي فيدبك براي كنترل مستقل نقاط تريپ استفاده مي شود. ضمنا اين ساختار، حساسيت كمتري نسبت به تغييرات نامطلوب دارد، در برابر نويز پس زني مصون است و تاخير اضافي ايجاد نمي كند. 

مقدمه: 

مبدل خط لوله از چند طبقه تشكيل شده است كه هر طبقه يك يا چند بيت خروجي را فراهم مي كند. مفهوم اين مبدل به اين صورت است كه طبقه اول از ورودي نمونه برداري مي كند و آن را به دو بخش تبديل مي كند: يك بخش ديجيتال و ديگري سيگنال باقيمانده. سيگنال باقيمانده در هر طبقه، اختلاف بين سيگنال ورودي و بيت هاي ديجيتالي تبديل يافته است. طبقه اول پس از انجام عمل تبديل، آن را به طبقه بعدي مي فرستد و از سيگنال بعدي نمونه برداري مي كند. هر طبقه m بيت ديجيتالي توليد مي كند و يك مبدل ديجيتال به آنالوگ ضرب كننده دارد كه شامل يك DAC، تفريق كننده، تقويت كننده و مدار نمونه بردار و نگهدار است. نوعا MDAC متشكل از يك تقويت كننده با سرعت و بهره بالا به همراه تعدادي خازن و كليد است. 

بنابراين در ابتدا با توجه به مشخصات سرعت و دقت مبدل، نياز به طراحي يك تقويت كننده توان بهينه براي بلوك MDAC است. پس از تقويت كننده، مقايسه گر نقش مهمي در تلفات توان در مبدل خط لوله دارد. براي اينكه مقايسه گر آفست كمي داشته باشد، نياز به مقدار مشخصي انرژي دارد. آفست كم مقايسه گر باعث افزايش توان سيگنال به نويز (SNR)، سوئينگ ورودي و قابليت تفكيك مي گردد. به منظور داشتن ولتاژ آفست كوچكتر در مقايسه گرها، از يك پيش تقويت كننده استفاده مي شود. اشكال عمده اين روش اين است كه توان بالايي به صورت ثابت توسط پيش تقويت كننده مصرف مي شود. براي غلبه بر اين مشكل از مقايسه گرهاي ديناميكي كه توان مصرفي بسيار كمتري دارند استفاده مي شود. اين مقايسه گرها در هر پالس ساعت يك مقايسه انجام مي دهند. 

مشكل عمده مقايسه گرهاي ديناميكي، بالا بودن آفست در آن ها است كه در مبدل هاي خط لوله توسط مدار تصحيح خطاي ديجيتالي مرتفع مي گردد. اين كار به بهاي افزايش توان مصرفي و كاهش نسبت سيگنال به نويز تمام مي شود. بنابراين نياز به طراحي يك مقايسه گر ديناميكي با آفست كم وجود دارد. پس از طراحي دو بخش عمده مبدل يعني تقويت كننده و مقايسه گر، بايد به سراغ بهينه سازي توان كل براي آن رفت، كه با در نظر گرفتن توان مصرفي مورد نياز هر بلوك و با توجه به تعداد بيت ها انجام مي پذيرد. مقايسه ساختارهاي مختلف آپ امپ نشان مي دهد كه ساختار بهينه تقويت كننده وابسته به بهره حلقه بسته مطلوب است.