O predmetu. III godina smer: EKIS časovi: Profesor : Branislav Petrović

Transcription

1

2 O predmetu III godina smer: EKIS časovi: Profesor : Branislav Petrović

3 Istorija konvertora podataka 1.1 Rana Istorija 1.2 Konvertori podataka 1950-tihi 1960-tih 1.3 Konvertori podataka 1970-tih 1.4 Konvertori podataka 1980-tih 1.5 Konvertori podataka 1990-tih 1.6 Konvertori podataka 2000-tih

4 1.1 Rana istorija Rani 18-ti vek Binarno težinski sistem za odmeravanje vode

5 Telegraf Ključni dogadjaji u razvoju telegrafa

6 Telefon Najznačajniji pronalazak u istoriji telekomunikacija

7 Jedan od najranijih prikaza kriterijuma za odredjivanje brzine uzorkovanja Elektromehanički rotirajući komutator za multipleksiranje nekoliko analognih signala na jedan par provodnika. Eksperimentalno utvrđeno da 4320 preklapanja po kanalu obezbeđuje očuvanje originalne boje i svih individualnosti glasa.

8 Pronalazak PCM Paul M. Rainez, Facsimile Telegraph System, 1921/1926

9 Matematička osnova PCM-a Harry Nyquist's Classic Theorem: 1924

10 PCM sistem za prenos signala - Predajnik - A. H. Reeves-ov 5-bitni brojački ADC

11 PCM sistem za prenos signala - Prijemnik - A. H. Reeves-ov 5-bitni Brojački DAC

12 Primena PCM do godina Project-X sistem za tajni prenos govornog signala korišćenjem PCM, Rezultati objavljeni posle rata: PCM sa 5-bitnim uzorkovanjem na 8 ksps korišćenjem ADC sa sukcesivnom aproksimacijom. Logaritamska kvantizacija govornog signala. Elektronska katodna cev kao koder signala, 7-bitni, 100 ksps. Shanon-Rack dekoder DAC. Uspešna instalacija terminala za prenos podataka Vašington, London, Severna Afrika.

13 Pronalazak vakumske cevi: 1906 Kolo za pojačanje slabih elektičnih struja

14 Prvi operacioni pojačava avači Harold Black-ov pojačavač sa reakcijom

15 Značajni ajni datumi u periodu Tranzistor (germanijumski), Bell Lab. : J. Bardeen, W. Brattain,W. Shockley, Praktična primena PCM-a: Repiter sa germanijumskim tranzistorima. SOLID STATE elektronika. Silicijumski tranzistor Gordon Teal, Texas Instruments, kanalni PCM link za prenos govora (T-1 carrier), MHz, 7-bit log. Encoder, 26dB kompresije, repiteri na 1.8 km. Integrisana kola: TI (veze bondiranjem), Fairchild (metalizacija, planarni proces).

16 Konvertori podataka 50-ih i 60-ih Bez komercijalne primene do sredine 50-tih. Specijalizovane primene. Prvi komercijalni uređaj: DATRAC Digitalni računar pokreće razvoj konvertora. ENIAC projekat započeo 1942., objavljen UNIVAC prvi komercijalno dostupni računar Vojne primene izračunavanje trajektorije projektila, Analiza podataka, kontrola industrijskih procesa. Od sredine do kraja 50-tih kombinacije vakumske tehnologije i SS. Od 60-tih lagani prelaz na SS. Za PCM razvijen 9-bitni 5 MSPS. Radarski sistem sa fazno umreženim radarima Koristi RTL tehnologiju, 8-bitni ADC, 10 MSPS. Pojava modularnih OP. OA125, FS 125. Komparatori ua710/711, TTL-7400, Prva instrumentacija niže brzine, štampane ploče - PCB CMOS RCA CD 4000 serija, šotki diode, zener diode, FET kao prekidač SA-registar 2502 (feedback substraction) postaje standard.

17 1.2 Konvertori podataka 50-ih i 60-ih 1954 "DATRAC" 11-bit, 50-kSPS Vacuum Tube ADC Designed by Bernard M. Gordon at EPSCO

18 Konvertori podataka 50-ih i 60-ih HS-810, 8-bit, 10-MSPS ADC Released by Computer Labs, Inc. in 1966

19 Konvertori podataka 50-ih i 60-ih ADC-12U 12-Bit, 10-μs SAR ADC from Pastoriza Division of Analog Devices, 1969

20 Konvertori podataka 50-ih i 60-ih A 1969 Vintage 12-bit "MiniDAC" Using Quad Current switches, a Thin Film Resistor Network, a Voltage Reference, and an Op Amp

21 Konvertori podataka 50-ih i 60-ih "Quad Switch" DAC Building Block with External Thin Film Resistor Network

22 Arhitektura konvertora podataka Successive Approximation ADC Algorithm Analogy Using Binary Weights

23 Arhitektura konvertora podataka The electronic implementation of the successive approximation ADC Basic Successive Approximation ADC (Feedback Subtraction ADC)

24 1.3 Konvertori podataka 70-ih Najdinamičniji period u razvoju konvertora. Mnogobrojne primene: Digitalni voltmetar visoke rezolucije. Kontrola industrijskih procesa. Vojne primene. Medicinski instrumenti za vizualizaciju. Vektorski i raster displeji. Nove kompanije: Analog Devices, Analog Corporation, Burr Brown, Datel, Computer Labs, Hzbrid Systems, National Semiconductor, i dr. Prvi DAC u bipolarnoj tehnologiji 1408, a zatim DAC08,

25 Konvertori podataka 70-ih Prvi compaund monolitic AD562, 1974, 12-bitni. Značajno unapređenje pojavom AD565 AD565, 12-Bit, 200-ns DAC, 1978

26 Konvertori podataka 70-ih Nedostaci bipolarnih konvertora: Konačno pojačanje ß mali prinos, visoka cena Uparivanje Vbe i otporne mreže (difuzija) Veća disipacija termalni gradijent CMOS DAC Nema ulazne struje, pada napona Vbe CMOS prekidač-čista otpornost zavisi od geometrije Primena thin film otpornika AD7520, the First Monolithic CMOS Multiplying 10-Bit DAC, 1974

27 Konvertori podataka 70-ih AD Bit Buffered μp Compatible DAC, 1978

28 Konvertori podataka 70-ih Summary: Monolithic DACs of the 1970s

29 Konvertori podataka 70-ih Prvi potpuno monolitni AD571 u bipolarnoj tehnologiji AD571 Complete 10-Bit, 25-μs IC ADC, 1978

30 Konvertori podataka 70-ih Najznačajniji SAR ADC: AD574 u početku compaund monolitic realizacija The Industry-Standard AD Bit, 35-μs IC ADC, 1978

31 Konvertori podataka 70-ih Summary: Monolithic ADCs of the 1970s

32 Hibridni konvertori 70-ih DAC Bit DAC Evolution

33 Konvertori podataka 70-ih AD Bit, 25-μs Mil-Approved Hybrid ADC, 1977

34 Konvertori podataka 70-ih Modularni konvertori Early Modular ADCs of the 1970s

35 Konvertori podataka 70-ih MOD-1020, 10-Bit, 20-MSPS Sampling ADC Introduced in 1979

36 1.4 Konvertori podataka 80-ih Dalji razvoj IC, hibridnih i modularnih konvertora. Instrumentcija, akvizicija, medicina, audio/video, computerska grafika... Pojava low-cost mikroprocesora, memorija, DSP, interes za procesiranje signala, poboljšanje k-ka ADC: veći dinamički opseg, više frekvencije. Specificiraju se nove k-ke: signal-to-noise ratio (SNR), signal-to-noise and distortion (SINAD), effective number of bits (ENOB), noise power ratio (NPR), spurious free dynamic range (SFDR), aperture time jitter. Pojava CMOS ADC velike brzine sa 4-, 6-, 8-, 9-, and 10-bitnom rezolucijom sa uzorkovanjem od 20 MSPS to 100 MSPS. Za grafičke displeje razvijaju se high-speed video RAM-DAC u CMOS-u.

37 Konvertori podataka 80-ih Monolithic DACs of the 1980s

38 Konvertori podataka 80-ih Monolithic ADCs of the 1980s

39 Monolithic Flash ADCs of the 1980s Konvertori podataka 80-ih

40 Konvertori podataka 80-ih Hybrid and Modular DACs and ADCs of the 1980s

41 1.5 Konvertori podataka 90-ih Pored već naglašenih primena, komunikacije postaju najveća oblast primene konvertora. Modemi, celularni telefoni (mobilni), bežična infrastruktura. Smanjenje napona napajanja, manji aplitudni opseg signala, veća osetljivost na šumove. Nova pakovanja, SMD tehnologija, BGA (ball grid array), CSP (chipscale pacakges). Na tržištu konvertora opšte namene javljaju se kompletni DAS sistemi na čipu (multiplekser, programabilni pojačavač, SH, ADC). Pojava CODEC-a, funkcije ADC i DAC na jednom čipu. Specijalno razvijeni analogni ulazni moduli (analog front ends - AFE) i mixedsignal front ends (MxFE ) u primenama kao što su CCD procesori slike and MF prijemnici.

42 DA konvertori Raznovrstnost U/I stepena. Multiplying struktura Duplo baferovanje Konvertori podataka 90-ih AD7568 Octal 12-Bit LC2MOS MDAC, 1991

43 Konvertori podataka 90-ih Direktna digitalna sinteza (DDS) na jednom čipu. Digitalni potenciometar: DigiPOT AD8402 8bit/2ch, AD8404 8b/4c AD Bit, 50-MSPS Complete CMOS DDS, 1993

44 Konvertori podataka 90-ih Summary: Monolithic DACs of the 1990s

45 AD konvertori Konvertori podataka 90-ih AD1674, 12-Bit, 100-kSPS Sampling ADC (AD574 Pin-Compatible), 1990

46 Konvertori podataka 90-ih AD Bit, 66-kSPS, Single +5 V, LC2MOS Sampling SAR ADC, 1990

47 Konvertori podataka 90-ih AD Bit, 1.25-MSPS Sampling BiCMOS ADC, 1992

48 Konvertori podataka 90-ih AD Bit 10-MSPS BiCMOS Sampling ADC, 1992

49 Konvertori podataka 90-ih AD Bit 41-MSPS XFCB, Sampling ADC,1995

50 Konvertori podataka 90-ih AD Bit Signal-Conditioning Σ-Δ ADC, 1997

51 Konvertori podataka 90-ih The data converter trends started in the 1990s shown in Figures 1.56 and 1.57 have continued into the 2000s. Power dissipation has dropped, and along with it, power supply voltages. Supplies of 5-V, 3.3-V, 2.5-V, and 1.8-V parts have followed as CMOS line spacings shrank to 0.6 μm, 0.35 μm, 0.25μm, and 0.18 μm. Smaller surface mount and chip-scale packages have also emerged as the modern replacement for the nearly obsolete DIP packages of the 1970s and 1980s. In the 2000s, general purpose multiple DAC offerings expanded to include 16-channels (AD5390, AD5391), 32-channels (AD5382, AD5383) and 40- channels (AD5380, AD5381). High speed DACs reached 1-GSPS update rates with the AD bit DDS system.

52 Konvertori podataka 2000-ih Nastavljen razvoj konvertora iz 90-ih. Uzorkovanje MF signala, AD bit 80- /105-MSPS ADC (2000), AD bit, 210-MSPS ADC (2002). Multičip moduli (MCM) AD bit, 65-/80-/105-MSPS ADC (2003), AD bit, 400-MSPS ADC (2003). Digitalna kola za post procesiranje signala. Konvertori postaju sastavni deo popularnog ARM7 -microcontrolera.

53 1.6 Konvertori podataka 2000-ih Data Converter Highlights of the 2000s

54

55 Osnove sistema za uzorkovanje podataka 2.1 Kodiranje i kvantizacija 2.2 Teorija uzorkovanja 2.3 AC greške kod konvertora podataka 2.4 Opšta specifikacija konvertora podataka 2.5 Definicija specifikacija

56 2.1 Kodiranje i kvantizacija Električne veličine kao konvertovane vrednosti fizičkih veličina. 1. U vremenskom domenu kao sporo ili brzo promenljive direktne vrednosti (DC). Termopar, potenciometar Kao modulisani naizmenični signali (AC). Čopirana optička merenja, merni mostovi sa AC pob. 3. Kao kombinacije prostorno konfigurisanih promenljivih. Synhro, Resolveri Definicije ulaza i izlaza kod DA I AD konvertora

57 FS i (ne)zavisnost od broja bitova Predstavljanje brojeva sa osnovom 10 pomoću binarnrnih brojeva

58 Kodiranje i odgovarajući analogni ulazni opseg (span) kod ADC-a ili izlazni opseg kod DAC-a Unipolarni binarni kodovi, 4-bitni konvertor

59 Idealni 3-bitni DAC diskretna priroda ulaza i izlaza Idealni 3-bitni ADC kvantizaciona neodređenost

60 Predstavljanje pozitivnih i negativnih brojeva bipolarni kodovi

61 Prenosne karakteristike idealnih 3-bitnih konvertora Konverzija u dvoični komplement?

62 Relacije između bipolarnih kodova

63 BCD kod

64 Statičke karakteristike i statičke greške AD i DA konvertora Rezolucija

65 Prenosne karakteristike idealnih konvertora

66 Karakteristike unipolarnih i bipolarnih konvertora Statičke greške: Greška ofseta, Greška pojačanja, Greška linearnosti (diferencijalna i integralna)

67 Greška ofseta i Greška pojačanja bipolarnog konvertora

68 Integralna greška linearnosti (integralna nelinearnost): Maksimalno odstupanje stvarne karakteristike konvertora od prave linije. Metoda procene integralne greške linearnosti

69 Diferencijalna nelinearnost (DNL): Maksimalno odstupanje iznosa kvanta u celom opsegu od njegove idealne vrednosti 1 LSB.

70 Detaljni prikaz DNL kod DA konvertora

71 Detaljni prikaz DNL kod AD konvertora Pojava nedostajućih kodova kao posledica DNL

72 Kombinacija nemonotonosti i nedostajućih kodova kao posledica DNL

73 Efekat tranzicionih šumova u kombinaciji sa DNL

74

75 Osnove sistema za uzorkovanje podataka 2.1 Kodiranje i kvantizacija 2.2 Teorija uzorkovanja 2.3 AC greške kod konvertora podataka 2.4 Opšta specifikacija konvertora podataka 2.5 Definicija specifikacija

76 Tipična struktura sistema Uloga LPF (kondicioniranje) na ulazu. Brzina obrade u DSP. Uloga LPF na izlazu (simetrične frekvencije, anti-image). Ključni koncepti: Diskretno odmeravanje i konačna rezolucija.

77 Neophodnost sample-hold funkcije Razmatranje slučaja konverzije AC signala. Konvertori sa i bez ugrađenoh SH kola AD574: 12bit, 8uS, bez SH

78 Sample and Hold Track and Hold Princip SH funkcije

79 Greške kao posledica nepostojanja SH kola

80 Nikvistovi i kriterijumi Signal sa maksimalnom frekvencijom f a mora bit uzorkovan brzinom f s za koju važi f s > 2f a. U suprotnom signal može biti Izgubljen zbog aliazing efekta. Do aliazig efekta dolazi ako važi fs < 2f a. Signal čiji je frekventni opseg ograničen između f a i f b mora biti uzorkovan brzinom za koju važi fs > 2(f b -f a )

81 Aliazing u vremenskom domenu

82 Aliazing u frekventnom domenu

83 Antialiazing filtri u osnovnom opsegu (baseband( baseband) Uticaj komponenata signala ili šumova iz opsega van 1. NZ. Važnost spec. filtra (u odnosu na f s /2) A : ulazni signal sa komponentama iznad f a, granična frekvencija filtra - f a za f a =1 MHz i f s =2 MHz, 60 db potiskivanja sa filtrom 10 reda Povećanje frekvencije uzorkovanja kompromis. Inicijalno biranje f 2.5 do 5 prut veće od f s a. (Sigma delta konvertori) Ograničenje amplitude siganala van propusnog opsega.

84 Proizvodnja analognih filtera po narudžbini TTE Inc., LE polni eliptični antialiazing filter Od f c do 1.2 f c slabljenje bolje od 80 db Realizacija do 100 MHz

85 Pododmeravanje - Undersampling Proces odmeravanja signala van prve Nikvistove zone (undersampling, harmonic sampling) Inverzija spektra. Ograničenje: Opseg ulaznog signala ograničen na jednu zonu. Primena u komunikacionim sistemima, uzorkovanje MF signala. Dinamičke k-ke ADC adekvatne MF frekvenciji

86 Antialiazing filtri u sistemu sa pododmeravanjem Osnovne relacije za određivanje f s Nikvistov kriterijum f s >2Δf f c smešten u centar nikv. zone f s 4 fc = 2 NZ 1 Za f c u neparnim zonama nema inverzije spektra

87 Centriranje poduzorkovanog signala u sredinu NZ Primer: signal čiji je nosilac na 71 MHz sa spektrom širine 4-MHz. Minimalna frekvencija uzorkovaja iznosi 8 MSPS. Koristeći fc = 71 MHz i fs = 8 MSPS dobijamo NZ = Usvajamo NZ = 18 i određujemo fs = MSPS.

88

89 Osnove sistema za uzorkovanje podataka 2.1 Kodiranje i kvantizacija 2.2 Teorija odmeravanja 2.3 Naizmenine (AC) greške 2.4 Opšta specifikacija konvertora 2.5 Definicija specifikacija

90 Šum kvantizacije idealnog konvertora Jedina greška idealnog konvertora. Aproksimacija signala greške kada na ulaz deluje naizmenični (AC) signal.

91 Kvantizacioni šum u f-ji vremena Uniformni Gausov šum u opsegu od 0 do f s /2 (nekorelisan sa ulaznim signalom) Slučaj kada postoji korelacija između frekvencije odmeravanja i ulaznog signala!

92 Za slučaj sinusoidalnog ulaznog signala sa amplitudom pune skale Teoretska vrednost odnosa signal/šum idealnog konvertora u punom Nikvistovom opsegu.

93 Smanjenje opsega i povećanje SNR. gustina spektra šumova Primer: Analogni celularni radio sistem (AMPS USA) 416 kanala širine 30 khz (12.5 MHz) odmerava se sa 65 MSPS. Jednovremeno odmeravanje svih kanala ADC sa 65 db SNR Process Gain = 30 db

94 Kombinacija oversampling i undersampling

95 Uticaj korelacije između frekvencije ulaznog signala i frekvencije odmeravanja. Širokopojasna priroda ulaznog signala kvantizacioni šum kao uniformni. Dither i randomizacija. (= )

96

97 Prag šumova idealnog 12 bitnog ADC sa FFT u 4096 tačaka FFT kao analogni analizator spektra sa propusnin opsegom od f s /M

98 Izvori šumova u AD konvertorima

99 Generisanje šumova unutar samog ADC termički šum kt/c Grounded input histogram Gausov šum standardna devijacija u odnosu na RMS šumova

100 Efektivna rezolucija ADC noise free code resolution Odnos opsega pune FS skale prema rms vrednosti šumova ER > NFCR

101 Uticaj nelinearnosti konvertora na izobličenja Ukupna integralna nelinearnost ulazni stepen, SH, ADC Veličina izovličenja zavisi od amplitude ulaznog signala. Pri porastu ulaznog signala za 1 db intermodulacioni produkti: drugog reda rastu za 2 db, trećeg reda za 3 db Diferencijalna nelinearnost proces enkodiranja, zavisi od arhitekture

102 Intermodulaciona izobličenja IMD (Intermodulation Distortion) Dva ulazna signala, (frekvencija, amplituda: FS - 6 db) Problemi filtriranja

103 Vreme aperture: Vreme raskidanja veze sa ulaznim signalom. Zanemereni SH pedestal i prelazne pojave kod preklapanja. Kašnjenje aperture, Jitter aperture Moguć slučaj: t e < 0

104 Merenje vremena aperture: Ulazni signal sinusoidalni (bipolarni). Podešavanje faze signala za odmeravanje tako da se na izlazu očita Vrednost polovine skale (nula). Od važnosti za detekciju IQ signala

105 Tranizijentni odziv ADC Značaju u DAS sistemima. Vreme smirivanja ADC nakon promene ulaznog signala Pojava preslušavanja pri merenju DC i NF signalima (channel-to-channel crosstalk) Uticaj vremenske konstante na Ulazu ADC Vreme smirivanja izraženo u vr.konst. Rez Ts

106 Vreme oporavka nakon preopterećenja (overvoltage recovery time) Vreme potrebno AD konvertoru da dostigne potrebnu tačnost nakon prestanka Delovanja ulaznog signala koji je veći od FS. Slučajne greške konverzije (Sparkle Codes, Bit Error Rate - BER) Metastabilnost, Primer 3-bitnog fleš ADC Između stanja 011 i 100

107 Dinamičke osobine DAC Vreme smirivanja settling time Poseban značaj za video displeje: 1024x768/60 Hz piksel 47.2 MHz Uz overhed od 35% osvežavanje sa 64 MHz piksel traje 15.6 ns.

108 Gličevi nekontrolisana promena izlaza DAC-a. Uzroci: Kapacitivna veza analognog izlaza sa digitalnim signalima. Nesinhronizam u nekim prekidačima DAC-a. Kapacitivna presl. Tajming preklapanja Karakterizacija gličeva: Površina glič impulsa

109

110 Arhitekture konvertora podataka 3.1 Arhitekture DAC 3.2 Arhitekture ADC 3.3 Sigma-Delta konvertori

111 Arhitekture DAC Definicija. Refereni ulaz (ugrađeni,spoljašnji), opseg ref. signala. Množački DAC MDAC: Opseg referentnog napona obuhvata V ref =0 (V refmax /V refmin =5)

112 Ugrađeni generatori referentnog napona. Baferovanje referentnog signala. Ulazna impedansa funkcija digitalne reči na ulazu Tip izlaza (U,I) i veličina izlazne impedanse. Zavisnost od digitalnog koda.

113 Osnovna struktura 1-bitnog DA konvertora. SPDT (Single-Pole, Double Throw) preklopnik.

114 Kelvinov delitelj (String DAC) Naponski izlaz, zavisnost izlazne impedanse od ulaznog koda. Inherentna monotonost. Nelinearne funkcije. Arhitektura sa malim gličevima DA konvertor opšte namene i Digitalni potenciometar (0-V ref ). DNL i INL

115 Metode podešavanja INL fizička mogućnost laserskog trimovanja Smanjenje INL za faktor 4

116 Termometarski DA konvertor Strujni izlaz (virtualna masa) (compliance = 0)

117 Termometrski sa aktivnim strujnim izvorima Inherentna monotonost. Vreme smirivanja (settling time) intersymbol interference.

118 Termometarski sa komplementarnim izlazima Veće brzine. Manji gličevi.

119 Binarno-težinski DA konvertori Facsimile Telegraph System, 1921.

120 Binarno-težinski DA konvertori John Schelleng, 1948.

121 Binarno-težinski DA konvertor naponskog tipa B. D. Smith, Monotonost pri većim rezolucijama. Izlazna impedansa

122 Binarno-težinski DA konvertor strujnog tipa

123 Binarno-težinski DA konvertor kapacitivnog tipa Struja curnja tačnost u okviru nekoliko milisekundi. Ugrađena SH funkcija.

124 R-2R DA konvertor lestvičasta mreža

125 R-2R DA konvertor naponskog tipa Izlazna impedansa ne zavisi od koda. Prekidači se uključuju na izvore male impedanse mali gličevi. Prekidači moraju da rade u širokom naponskom opsegu. Nemogućnost trimovanje ubacivanjem otpornika na red sa V ref.

126 R-2R DA konvertor strujnog tipa Pojačanje DA konvertora ubacivanjem otpornika na red sa V ref. Izlazna impedansa varira sa kodom stabilizacija opamp. Veći glič kod preklapanja. Prekidači rada sa vrlo malim naponima mogućnost AC tipa V ref

127 R-2R DA konvertor strujnog tipa Izlazna impedansa R. DA konvertor velike brzine video aplikacije.

128 DA konvertor sa težinskim strujnim izvorima Visoka izlazna impedansa. Otežana realizacija.

129 4-bitni DA konvertor sa težinskim strujnim izvorima - AD550 Težinski otpornici spolja.

130 4-bitni DA konvertor sa R-2R meržom i težinskim strujnim izvorima

131 Realizacija 12 bitnog DA konvertora pomoću tri kola tipa AD550

132

133 Segmentni DA konvertori sa naponskim izlazom Veće rezolucije. Utican ofseta bafera nemonotonost. Kompenzacija ofleta A-A, B-B

134 Patentirana arhitektura segmentnog DA konvertora Nema baferovanja. Jednostavnija realizacija u CMOS-u. Monotonost. Izlazna impedansa.

135 Brzi segmentni DA konvertori Struja se nikada ne isključuje i uključuje. Napon za pobudu prekidača što manji.

136 Brzi segmentni DA konvertori Potiskivanje skew gličeva.

137 Oversempling interpolacioni DA konvertor K=4, poboljšanje 6 db

138 Nelinearni DA konvertori PCM sistemi za prenos govornog signala Logaritamska funkcija μ-law, A-law. Dinamički opseg 4000:1.

139 Nelinearni DA konvertori Struktura sa DA konvertotom visoke rezolucije.

140 Nelinearni DA konvertori Osnovna struktura savremenih nelinearnih konvertora

141 DA konvertori brojačkog tipa PWM princip

142 Serijski ciklični DA konvertori Početak primene PCM sistema.

143 RC=T/ln2 (pražnjenje na polovinu za vreme pauze između impulsa

144 Logička struktura DA konvertora Veliki broj različitih struktura.

145 DA konvertor velike brzine sa dvostrukim pristupom

146

147 Arhitekture konvertora podataka 3.1 DAC arhitekture 3.2 ADC arhitekture 3.3 Sigma-Delta konvertori

148 Osnovna struktura AD konvertora

149 Stroži zahtevi za V ref. Sampling clock, convert-start, encode. Inicijalna nedefinisanost! Standby, power-down, sleep - recovery time Razlika: EOC,DRDY

150 1-bitni ADC (komparator) bitni ADC (komparator) Dobra rezolucija veliko pojačanje nekontrolisane oscilacije hysteresis reda milivolti

151 Komparator sa ugrađenim lečom uzorkovanje Omogućava track and hold funkciju detekcija kratkih impulsa

152 Pojava metastabilnosti

153 Brzi AD konvertori Brzi AD konvertori Fleš Konvertori (paralelni)

154 Interpolacioni redukcija potrošnje minimizacijom broja komparatora

155 AD konvertor sa sukcesivnom aproksimaciojom

156 Vreme konverzije kod 8-bitnog i 16-bitnog (2x?)

157 Prekidači u track režimu, start sa otvaranjem S IN Otvaranje S C, S1 S4 se spajaju na masu, V A = -V IN. S1 se spaja na V REF i dodaje V REF /2, definisanje MSB i S1. Potreba za ekstra LSB kondenzatorom

158 ADC sa podopsezima (Subranging ADC) Gruba konverzija (coarse) (N1 bitova) u MSB sub-adc (SADC) I fina converzija (N2 bitova) u LSB sub-adc. N1 SADC i SDAC (iako imaju N1 bitnu rezoluciju) ali N-bitnu tačnost

159 Greške u subranging ADC

160 4+4 rezolucija realna granica ovakve arhitekture.

161 Korekcija grešaka Uvođenje ekstra kvantizacionih nivoa (X) Digital corrected subranging, digital error correction, overlap bits

162

163 Greške koje se koriguju: SH drop error, SH settling time error, N1 SADC gain and offset error, N1 SDAC offset error, N1 SADC linearity error, Residue amplifier offset error.

164 Pipeline strukture u AD konvertorima sa podopsezima

165 Vremenski dijagram tipičnog subranging pipelined ADC

166 Serijski višestepeni AD konvertori

167 Struktura jednog stepena

168 Tro bitni serijski AD konvertor

169

170 Serijski Gray-ov AD konvertor (folding) MAGAMP Magnitude Amplifier

171 Tro bitni folding AD konvertor

172

173 AD konvertori sa integratorima Princip pražnjenja kondenzatora

174 Princip punjenja kondenzatora

175 Prateći ADC

176 Konvertori napona u frekvenciju - VFC

177 Strujom upravljani VFC current steering VFC

178 Princip balansiranog naelektrisanja charge balanced

179 Sinhnoni VFC - SVFC

180 Talasni oblici VFC i SVFC

181 Nelinearnost SVFC

182 AD konvertor sa dvostrukom integracijom

183

184 Frekventna karakteristika konvertora

185 Optički konvertori

186 Resolver to digital (RDC) i Synchro

187

188 ΣΔ ADC (Sigma( Sigma-Delta Konvertori) Nastanak u ranoj fazi razvoja PCM Delta modulacija i differencijalni PCM Veća efikasnost prenosa (razlike - delta)

189 Mogućnost praćenja ulaznog signala bez ograničenja amplitude. Ograničenje u brzini promene ulaznog signala. Za isti kvalitet prenosa delta modulacija zahteva 20x veću frekvenciju odmeravanja.

190 1954. Princip: oversampling i noise shaping Povećanje ukupnog odnosa signal-šum na niskim frekvencijama. Digitalno filtriranje i decimacija. Dilema oko imena delta-sigma i sigma-delta.

191 Osnove sigma-delta konvertora Neophodno znanje: Oversampling, quantization noise shaping, digital filtering, decimation

192 Struktura SD ADC prvog reda Kvantizacioni šum van opsega digitalnog filtra. Negativna reakcija: srednja vrednost U B = V IN. Gustina jedina u izlaznom nizu (ones-density). Jedna period odmeravanja bez značaja.

193 Dekodiranje izlaza kao usrednjavanje određenog broja bitova. SD konvertor kao sinhroni VF konvertor i brojač. Brojanje jedinica u toku 2 N ciklusa za N bitnu rezoluciju. Dalja analiza u vremenskom domenu neproduktivna.

194 Analiza u frekventnom domenu: Integrator kao NF filter sa prenosnom funkcijom H(f)=1/f. Jednobitni kvantizer generiše šum Q koji se utiskuje u signal. Za f=0 => Y=X (nema šumova), kada f raste ostaje samo šum.

195 Karakteristika uobličavanja šumova. Mogućnost primene filtera višeg reda. Korišćenje većeg broja stepena za integraciju i sbiranje.

196 SD ADC drugog reda

197 Iznos oversemplinga potreban za dobijanje odnosa signal-šum Za K=64 idealni sistem drugog reda SNR=80 db (ENOB=13).

198 Razmatranje tzv IDLE tona (idle tone) Analiza za dva stanja ulaznog signala. Za K<16 ton upada u propusni opseg. Korelisani idle patern za sistem prvog reda.

199 Relativno nekorelisani idle patern za sistem drugog reda. Petlje većeg redane garantuju stabilan odziv za sve ulazne signale. Uzrok komparator čije se pojačanje menja sa ulaznim signalom. Preopterećenja komparatora (u trenutku uključenja).

200 Multi bit Sigma Delta konvertori Veći dinamički opseg za dato K i red filtra u petlji. Lakša stabilizacija primena petlje drugog reda. Idle ton je manje korelisan sa ulaznim signalom. Linearnost zavisi od linearnosti DAC-a lasersko trimovanje Primena termometarskih DA konvertora.

201 Digitalno filtriranje Neizostavni deo sigma delta ADC. Vreme smirivanja filtra. Multipleksiranje. SINC 3 filter za merenja na niskim frekvencijama.

202

203 MASH višestepeni konvertori Multistage niose shaping MASH Alternativa petljama većeg reda i višebitnim sistemima. Kaskadna veza više stabilnih petlji prvog reda. Q 1 kvantizacioni šum prvog stepena. Ekvivalentno potiskivanje šumova kao petlja trećeg reda.

204 Sigma Delta AD konvertor sa propusnikom opsega Primer: Radio prijemnik, centralna frekvencija 455 khz, opseg signala 10 khz, Kf s =2 MSPS, f s =20 khz, dinamički opseg 70 db.

205 Sigma Delta DA konvertor

206

207 4. Kola za podršku konvertora 4.1 Referentni izvori 4.2 Low Dropout Linearni regulatori 4.3 Analogni prekikači i multiplekseri 4.4 Sample-and-Hold kola

208 4.1 Referentni izvori Veliki uticaj na performanse i tačnost analognih sistema ±5-mV tolerancija / 5-V ref. / ±0.1% tačnost - 10 bitova. Za 16 bitnu tačnost inicijalna tačnost i kalibracija. Pogodnost relativnih merenja kratkoročna stabilnost. Temperaturni drift i starenje komponenata. Šumovi zanemarivanje od strane projektanata. Dinamičke pojave: Ponašenje u toku uključenja. Impulsno opterećenje.

209 Tipovi referentnih izvora Serijski - sa tri izvoda - za pozitivne napone. Paralelni (shant) sa dva izvoda. TC = 0.3%/ C, TC = 100 ppm/ C

210 Bandgap refenentni izvor ΔVBE propocionalan apsolutnoj temperaturi (PTAT), VBE komplementaran apsolutnoj temperaturi (CTAT). VR = V (silicon bandgap voltage).

211 Relativna jednostavnost. Izbegnut zenerov efekat šumovi! Rad na niskim naponima (low voltage systems). Osetljivost na struju opterećenja. Potreba za skaliranjem na standardne napone. AD REF01, REF02, REF03

212 Refenentni izvori sa zener diodama (buried zener) Nestabilnost površinski formiranh dioda na kristalu. Veći šumovi. Ukopavanje (sub-surface) Mali temperaturni drift (1-2 ppm/ C AD588) Mali šumovi nv/ Hz

213 XFET Refenentni izvori extra implantation junction Field Effect Transistor Sličnost sa bandgap izvorima. Različiti naponi praga (pinchoff voltages). Tačnost: 0.1% % TC: 3 8 ppm Šum: nv/ Hz Izl. Struja_ 5 10 ma

214

215 Specifikacije:

216 Šumovi: Peak-to-peak šum u opsegu 0.1 Hz do 10Hz. Dijagram gustine spektra u funkciji frekvencije. 6.6 rms = maksimalna vrednost šumova 0.1% vremena. Zahtevana vrednaost gustine šumova:

217 Metode za redukciju šumova Kombinacija malošumnog pojačavača i dobrog filtra 1.5 do 5 nv / 1 khz

218 Odziv referentnih izvora na dinamičko opterećenje Značaj u primenama pobude AD i DA konvertora. Referentni ulazi konvertora premošteni kondenzatorima. Pojava oscilovanja i gubljenja tačnosti.

219 SAR ADC kao dinamičko opterećenje

220 4.2 Linearni regulatori Standardni blokovi za napajanje. Razlika između ulaznog i izlaznog napona - dropout. Minimalna razlika napona pri kojoj izlazni napon padne za 2% ispod nominalne vrdnosti. Efikasnost regulatora. Redni elemenat (pass device) za kontrolu izlaznog napona.

221 Disipacija snage od 1 W zahteva primenu hladnjaka! P D = (V IN V OUT )(I L ) + (V IN )(I ground ) Efikasnost regulatora. LDO regulatori i pojava špica u struji carrot Uvođenje novih funkcija: shutdown control, saturation sensor, thermal overload.

222

223 Potrošnja neopterećenog regulatora. povećenje vrednosti otpora. pojačavači male potrošnje. male referentne struje. Struktura rednog elementa od velikog uticaja na performanse

224

225 Struktura standardnog regulatora - LM309, 7805, 7815 Darlington pass connection - Q18-Q19 (dropout ~ 1.5 V) Struja neopterećenog regulatora ~ 5 ma Povećena stabilnost interna kompenzacija C 1 Na R8 PTAT napon, negativni TC V BE Q9-Q10 i Q12-Q13

226 Arhitektura Low Dropout regulatora Invertujuće način rada redni elemenat u zasićenju. Izraženija nestabilnost. Lateralni PNP malo β (10). Eliminacija spajkova upotrebom PMOS elementa. Nekompatibilnost PMOS-a sa IC tehnologijom. LDO kontroleri.

227 Izbor vrednosti kondenzatora za kompenzaciju

228 4.3 Analogni multiplekseri U elektronskim sistema koji zahtevaju mogućnost kontrole i selekcije specificiranog prenosnog puta za analogni signal. Razvoj CMOS tehnologije PMOS i NMOS na istom substratu. CMOS prekidač

229

230

231 Izvori grešaka u CMOS prekidačima Ekvivalenta šema dva susedna CMOS prekidača

232 Jednosmerne greške prekidača u zatvorenom stanju

233 Jednosmerne greške prekidača u otvorenom stanju

234 Dinamičke osobine prekidača u zatvorenom stanju

235

236 Dinamičke osobine prekidača u otvorenom stanju

237

238 Ubacivanje naelektrisanja charge injection promena naponskog nivoa kontrolnog signala. uzrokuje promenu izlaznog napona u toku promene.

239

240 Uticaj zaostalog naelektrisanja pri preklapanju kanala

241 Preslušavanje između kanala crosstalk

242

243 Vreme smirivanja settling time Vremenski interval izražen u broju vremenskih konstanti potrebnih za dostizanje željene sistemske talčnosti.

244 Broj vremenskih konstanti potrebnih za smirivanje na 1 LSB Tačnosti za sistem prvog reda (Single-Pole System)

245 Vreme preklapanja switching time

246 Primena analognih prekidača Povezivanje na invertujući pojačavač Uticaj R ON i njegove nelinearnosti. Uticaj struje curenja.

247 Minimizacija uticaja promene R ON Modulacija sa oko ±100 mv umesto sa ±10 V Posebni otpornici za svaki ulaz. Uticaj parazitne kapacitivnosti koja je sada dodata. Uticaj R ON na tačnost (1000 puta manja)

248

249 Metoda smanjenja greške pojačanja

250

251 CMOS prekidač u pojačavaču sa programibilnim pojačanjem Povećenje otpornosti dovodi do većih šumova i ofseta

252 Kolo neosetljivo na RON

253 Prekidači za visoke frekvencije (1 GHz)

254

255 Latchup parazitni efekat u CMOS prekidačima Pojava kritična u DAS sistemima preopterećenje ulaza Parazitni tiristor (SCR silicon controlled rectifier) Latchup se dešava kada je analogni ulaz na naponu većem od VDD ili manjem od VSS.

256 Zaštita od letchup efekta

257 Metoda Trench izolacije Smanjenje parazitnih kapacitivnosti, Povećanje: Switching time, Struje curenja, Opseg ulaznog anlognog napona do napona napajanja

258

259 4. Kola za podršku konvertora 4.1 Referentni izvori 4.2 Low Dropout Linearni regulatori 4.3 Analogni prekikači i multiplekseri 4.4 Sample-and-Hold kola

260 4.4 Kola za odmeravanje i održavanje Najkritičniji deo DAS sistema. Najčešće već ugrađeni u savremene ADC. Sampling - Tracking. Osnovna primena održati ulaz ADC konstantnim. Prvi ADC (PWM) bez SH kola (Reeves 1939).

261 Osnovni princip rada 1. Kondenzator za čuvanje energije srce kola 2. Ulazni pojačavač visoke impedanse. 3. Izlazni pojačavač visoke ulazne impedase. 4. Prekidački elemenat.

262 Specifikacije grupisane u zavisnosti od stanja SH kola. U svakom stanju dve grupe karaketristika:

263 Neki od izvora grešaka u SH kolu

264 Specifikacije u režimu praćenja (odmeravanja) Radi kao pojačavač. Ofset, pojačanje, nelinearnost, propusni opseg brzina, vreme smirivanja, izobličenja, šumovi. Specifikacije za prelaz sa praćenja na držanje Pedestal - utiskivanje malog iznosa naelektrisnja. Nelinearnost pedestala ako zavisi od ulaznog sig. Redukcija: Povećanjem C Veće vreme akviz. Manji propusni ops.

265 Apertura

266 Model prvog reda srednja vrednost ulaznog signala

267 Džiter aperture

268 Efekti ukupnog džitera na povećenje šumova

269 Specifikacije u režimu držanja Nesavršenost kondenzatora droop - V/μs Temperaturna zavisnost struje curenja. Diferencijalne tehnike za smanjenje uticaja. Struje curenja na štampanoj ploči.

270

271 Dielektrična apsorpcija Obnavljanje naelektrisanja na kondenzatoru nakon ciklusa punjenja i pražnjenja. Polistirenski, polipropilenski. Elektrolitski kondenzator, neki tipovi keramičkih.

272 Izobličenja u režimu držanja Merenja u režimu praćenja analognim analizatorom. U režimu držanja digitalne metode: digitalizacija SHA izlaza pri kraju vremena držanja.

273 Specifikacije za: Prelaz držanje - praćenje Vreme akvizicije: Vremenski interval potreban da SH kolo prihvati signal sa zahtevanom tačnošću. Početak intervala: 50% takta za odmeravanje Kraj intervala: Izlaz SH kola unutar definisang pojasa greške

274 Arhitekture SH kola Otvorene petlje Diodni most velike brzine (šotki diode) Ključna uloga kola za bootstrap impulsa za držanje

275 Zatvorene petlje Prekidači uvek na virtuelnoj masi.

276 Minimizacija efekta ubacivanja naelektrisanja. Tehnika diferencijalnog preklapanja.

277 Primena SH kola Veliki broj ADC poseduje ugrađena SH kola sa optimalnim karakteristikama. Mali broj primena gde se zahteva izuzetno širok opseg i mala izobličenja gde se mora koristiti diskretna struktura. 1) Smanjenje gličeva kod DA konvertora. 2) Simultana konverzija pomoću jednog ADC. 3) Distribucija signala. 4) Kašnjenje analognog signala.

278 Smanjenje gličeva kod DA konvertora

279 Simultana konverzija pomoću jednog ADC

280 Distribucija signala

281 Kašnjenje analognog signala