Принципы построения быстрых АЦП

Принципы построения быстрых АЦП

Существующие в настоящее время быстрые АЦП, скорость преобразования которых достигает 5 гигавыборок в секунду, построены с использованием различных принципов. В статье кратко рассматриваются варианты архитектуры и важнейшие особенности основных разновидностей таких АЦП.

Валерий Авербух

уа1ауегЬ@т!и-пв! ги

1. АЦП С АНАЛОГОВЫМ ЗАПОМИНАНИЕМ

1.1. С электронно-лучевыми трубками

Первые аналого-цифровые преобразователи бы-стропротекающих процессов использовали электронно-лучевые трубки с запоминанием видимого изображений и последующим его сканированием передающей телевизионной трубкой или матрицей весьма быстродействующих полупроводниковых приемников. Например, кодировщик на приборах с зарядовой связью С1001 производства Тесиотх с разрешением 512x512 точек может считывать с экрана осциллограмму одиночного импульса со скоростью квантования до 1 ГГц. Скорость записи определяется в основном свойствами запоминающей тоубки и достигает 500 ООО км в секунду при рабочем поле экрана порядка 40x60 мм. Более поздняя разновидность АЦП с электронно-лучевыми трубками, использует экран в виде матрицы диэлектрических или полупроводниковых ячеек, сохраняющих нанесенный лучом заряд. При этом в процессе записи луч отклонялся по одной оси генератором временной развертки, а по другой — напряжением исследуемого сигнала. После записи данные, также с помощью электронного луча, считываются относительно медленным устройством и декодируются. Хотя разрешение по амплитуде не превышает 8 разрядов, эквивалентная скорость дискретизации одиночного сигнала может превышать 100 ГГц.

1.2. С матрицей ПЗС

Следующим шагом было использование приборов с зарядовой связью (ПЗС), которые сначала запоминают выборки в виде пропорциональных регистрируемому сигналу зарядов емкостей, а затем перемещают заряд из одной ячейки в другую до заполнения всей матрицы. Для увеличения частоты дискретизации несколько линий с ПЗС по входу включаются параллельно, а тактируются с временным сдвигом относительно друг друга.

Цифровой регистратор импульсных сигналов АФИ-1700 разработки института ядерной физики

сибирского отделения АН СССР является примером использования метода многофазной дискретизации в АЦП с матрицей ПЗС. Для получения частоты дискретизации 850 МГц в нем использовано 12 линий ПЗС. Серьезным недостатком подобных устройств является порождаемый процессом перемещения зарядов высокий уровень шума, который может достигать величины 3...4 младших разрядов при 8-битном разрешении.

1.3. С аналоговой матрицей

Во многих современных осциллографах находит применение так называемая аналоговая матрица, состоящая из конденсаторов, запоминающих выборки в виде зарядов, пропорциональных регистрируемому сигналу. Ее можно рассматривать как развитие преобразователей с матрицей ПЗС. Основное преимущество этой архитектуры — высокая скорость преобразования при низкой цене устройства. Последнее достигается использованием относительно медленных устройств выборки, которые удается реализовать на недорогих КМОП и п-МОП технологиях БИС. С целью снижения высокочастотных помех практические устройства этого типа выполняются в виде нескольких схем выборки, работающих по очереди. Современная технология позволяет строить матрицы с очень большим числом устройств выборки и подключаемых к каждому и> них ячеек (конденсаторов) запоминания. например 99x99. Аналогово-цифровое преобразование содержимого матрицы производится относительно низкоскоростным АЦП (например, 10-мегагерцовым).

Отметим недостатки подобной архитектуры. Длина записи строго ограничена произведением числа схем выборки на число ячеек запоминания. которое не превышает 15 000. а обычно составляет 1000. Хотя здесь отсутствует основная причина высоких шумов матриц ПЗС — перемещение заряда, из-за взаимодействия зарядов между различными ячейками матрицы шумовые характеристики аналоговых и ПЗС-ма-триц близки.

Отметим, что такие устройства обычно используются только в изделиях компании-производителя и не поступают в широкую продажу.

2. АЦП ПРЯМОГО ВЗВЕШИВАНИЯ

2.1. Классический

смотря на появление ряда альтернативных тодов. для самых быстродействующих АЦП иболее распространенным является метод ямого взвешивания. Напомним его главные обенности и реализующую ею классичес-

о схему его реализации, представленную рис. 1.

Архитектура полностью параллельна, пре-разование выполняется всего за один такт. :иснал, и стробирующий импульс на все ком роторы подаются одновременно. Тем не ме-е небольшой разброс по времени их сраба-вания при работе на высоких частотах мо-т приводить к необходимости испольэова-я на входе устройства выборки-хранения, горое встроено в ряд таких АЦП. например * МОЇ производства компании MAXIM. Нажму уровню дискретизации соответствует им уровень опорного напряжения, получае-го с общего делителя, и один компаратор, сии образом, для N-разрядного АЦП число чпараторов, считая компаратор, сигнализи-ощий переполнение, равно 2N, причем быс-jc компараторы потребляют большой ток,

> порождает главные проблемы — высокие зжноегь. входную емкость и энергопотреб-чне.

1ли увеличения разрешения на один разряд їбходимо практически удвоить число компа-горов, логических элементов и фиггеров-за-Ш. При этом входная емкость и потребле-е также удвоятся. Практически достигнутое ело разрядов — 10. Такие АЦП, содержав-е 1024 компаратора, выпускались лет 10 на-\ ныне не существующей кампанией TRW )s. Сейчас приемлемым компромиссом ычно считают 8-разрядный АЦП прямого іешивания. требующий 256 компараторов. »дует отметить, что поскольку входная ем-лъ компаратора является функцией его ло-ісского состояния, то входная емкость всего Р зависит от напряжения на его входе, что бет к снижению точности преобразования с мичением частоты входного сигнала. Для мимнззции ее влияния на входе АЦП необ-вии буферный усилитель. Примером быстро-современного 8-разрядного АЦП прямого (вшивания может служить упомянутый выше Х101 с гарантированной интегральной нежностью 1/2 младшего разряда, частотой {образования 500 МГц и встроенной схемой борки-хранения, выполняющей также роль Сера. Hewlett-Packard в последнее время їлось в серийных устройствах такой архи-:туры (поставляемых только для осцилло-»фов собственного производства) достиг-частоты дискретизации 2 ГГц.

2.2. Интерполирующий

снижения числа компараторов вдвое иом-мя Analog Devices предложила так называли интерполирующую архитектуру (рис. 2). ^Ск кесто классических компараторов заня-іусилители с низким усилением, а защелки i«w выходах выполнены таким образом, что в

дополнение к основной функции выполняют также функции компараторов. При этом защелка 1А включена как сумматор прямого выхода А1 и инверсного выхода А2. При достижении входным сигналом значения, среднего между опорными напряжениями усилителей А1 и А2. когда напряжения на их выходах. подключенных к 1А, станут равны, произойдет его срабатывание. При этом важно равенство усиления А1 и А2, абсолютное же их значение несущественно. Защелки 1 и 2 работают обычным образом. В результате между двумя соседними уровнями квантования сигнала появляется еще один, интерполированный. Структура использована в ряде изделий компании. Например, в 10-разряд-ном АЦП А09060 использовано всего 512 компараторов, и такое же число компарато- РиС- ь Структурная схема «классического)» АЦП ров потребовалось для 8-разрядиого АЦП прямого взвешивания.

А09058 с двумя независимыми каналами.

Преимущества интерполирующей архитектуры очевидны — вдвое меньшая входная емкость, вдвое более высокое входное сопротивление и меньшее потребление. Устройство, выполненное по схеме на рис. 2. предъявляет низкие требования к разрешению компараторов-защелок, что позволяет использовать простые схемотехнические решения. Суммирование выходных напряжений можно выполнить не только с равными весами, как на рис. 2. но и с разными, получая между уровнями срабатывания защелок

1 и 2 большее количество интерполированных уровней, что повлечет за собой снижение необходимого числа компараторов при неизменной разрешающей способности АЦП. Правда, при этом повышаются требования к разрешению компараторов.

Продолжение следует

АРГУССОФТ Компани _______________

- официальный пістрибьюгор

I ANALOG DEVICES

ADu(8l2

законченная система сбора данных на одном кристалпе

ANAMMi DEVICES освоил сернГшыН нынче* уіІІІКЛЛІ.ІНЧІ микросхемы. СО*МСШЯКМІ|(НІ Mil ианоч крисіti.'Uic .Ч-ьліпілі.ііии 12-р.і ірк шип ЛИП. 2 І2-ри>р*дми» НМІ-з. неточнії», «ніорімнп напряжения, даічмк температуры окружающей срслы. міир>и.інііро.ілср 8051. фіяц-гимяп. и оемм мониторинга питании

Основные характеристики :

»рсм« лреобрл юнлши • 5 мкс(бсі остановки коні роллера): опюшсниссшнал/шуи - 70лВ(*іасіоіа І00 кГц); iuiicipu-it.ua* нсліиігіііихті. 10 5 МИ’ішпі

премя усыиоикн 15 мне: днфф.іісліііісПііосіі.±0.5 МЗР(імн).

*1 МІР І максі

♦ питанні- - ЗВ иди 5В. иаксниа її.пин тик 1 - 4

♦ чнкрокоіпро мер - стандарт null 8И5І с дополнительными фуіікііняин

♦ памяіь-Флзшlipotрами-8К6аЙ«.Фліиі.иііни\-64()ГіаИі.О)У 256ftatti

♦ 2 после.іопа гсліанах порга (І \К І ♦ SIMi

♦ iCMuqwiyptiwll uiailiiKui -40 Ч *85 С

♦ cioiivHKTi. - 25n рублей (с НЛО *

F.VAL-AI)uCHI2 • Сіаріср-Киї и іаіа. по.іклк»*іаема« к компьютер). б кж nuiuiiiia: npoiрамчиособеспечение («сссибаср.енмуляюр. міруічик.оілалчнк.С-компнли-юр). по ни* ии\vic-мі.щи« микросхемы \1>мСX12

• при ukujc от 1000 шт.

ЛИП

ЦАП

ша

BOURNS

СРОаге

•: Наш адрес і 290X5. Москва. Проспект Мира. 95 - Тел.: (095) 217-24X7.217-25IV. 217-2505 ; Факс (095)216-66-42 ;

- Ииісрнсі: lutp /Avwu urgusMift.ru . c-nwil. сопіропспьГ«;аг^и«оП.ги

прямого

Рис. 2. Интерполирующая структура АЦП взвешивания