“ستناقش هذه المقالة بإيجاز القضايا المتعلقة بتحويلات SAR ADC مستقرة ودقيقة. بعد ذلك ، يتم وصف المرجع المناسب لقيادة SAR ADC ، وكيفية تنفيذ دارة محرك الإدخال الضرورية. سنستخدم حل الأجهزة التناظرية كمثال.
“
ملاحظة المحرر: المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) يربط بين العالمين التناظري والرقمي ، وبالتالي فهو مكون أساسي في توصيل أي نظام إلكتروني في العالم الحقيقي. كما أنها عوامل رئيسية في تحديد أداء النظام. تستكشف هذه السلسلة من المقالات أساسيات ADC وأنواعها وتطبيقاتها. ناقش الجزء الأول من هذه السلسلة حول الأساسيات التناظرية ADCs SAR. الجزء الثاني يناقش محول دلتا سيغما. الجزء 3 يناقش ADCs الأنابيب. يصف الجزء 4 كيف ينتج ADC دلتا سيغما نتائج ضوضاء منخفضة للغاية. في الجزء الخامس من هذه المقالة ، سوف نستكشف تحديات محرك الإدخال من ADCs SAR.
تتطلب العديد من تطبيقات الحصول على البيانات ، والتحكم الصناعي ، والأجهزة ، محولات فائقة السرعة من التناظرية إلى الرقمية (ADCs) ، ومحولات سجل التقريب المتتالية (SAR) تلبي هذا المطلب بالكامل. ومع ذلك ، يجب أن نتأكد من أن الدوائر الخارجية حول محول SAR هي أيضًا على مستوى المهمة لضمان نتائج تحويل ناجحة. بالنسبة لمحولات SAR ، فإن المحطات الرئيسية التي تتطلب اهتمامًا خاصًا هي مدخلات الإشارة التناظرية الخاصة بهم – إذا لم يتم أخذها على محمل الجد ، يمكن أن تخلق دبابيس الإدخال مشاكل الاستقرار و “إرتداد” الشحن بالسعة ، مما يؤدي إلى تحويلات غير دقيقة ووقت طويل للحصول على الإشارة.
في تطبيقات محول SAR ، يكمن حل التحكم الدقيق في إشارة الإدخال في قيادة مضخم تشغيلي (المرجع أمبير). عند إقرانها بمقاوم إخراج مناسب وقيم مكثف ، فإن هذه الأجهزة هي الأساس لحلول عالية الدقة وقوية لأنظمة تحويل SAR عالية الدقة 16 بت و 20 بت.
ستناقش هذه المقالة بإيجاز القضايا المتعلقة بتحويلات SAR ADC مستقرة ودقيقة. بعد ذلك ، يتم وصف المرجع المناسب لقيادة SAR ADC ، وكيفية تنفيذ دارة محرك الإدخال الضرورية. سنستخدم حل الأجهزة التناظرية كمثال.
دائرة إدخال SAR ADC
تحتوي دائرة مشغل SAR ADC على مضخمات تشغيلية (A1 و A2) تعزل ADC عن مصدر إشاراتها (الشكل 1). في هذه الدائرة ، يتم الاحتفاظ بـ Rext مستقرًا عن طريق عزل مرحلة إخراج مكبر الصوت “المعزول” من الأحمال السعوية ADC (CIN + و CIN-) و Cext. يوفر Cext و CREF مصدر إدخال شبه مثالي لـ ADC لامتصاص حقن شحن التبديل من أطراف الإدخال IN + و IN- و REF. تقوم أطراف الإدخال (IN + ، IN-) بتتبع جهد إشارة الإدخال (VSIG + ، VSIG-) أثناء الحصول على المحول ، وشحن مكثفات أخذ عينات الإدخال ADC CIN + و CIN-.
الشكل 1: في هذه الدائرة ، “يعزل” Rext Cext من مرحلة إخراج المرجع أمبير. يوفر Cext و CREF احتياطي شحن لتفاضل SAR ADC أثناء أخذ العينات. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
بأخذ AD7915 للجهاز التناظري (16 بت) و AD4021 (20 بت) SAR ADCs كأمثلة لمراقبة داخل ADC ، يمكننا أن نرى أن الجهاز يستخدم محولًا رقميًا إلى تناظري لإعادة توزيع الشحن (DAC). يحتوي DAC السعوي على صفيفتين متطابقتين من المكثفات الثنائية المرجحة. تقوم صفيفتا المكثفات بتوصيل مدخلات المقارنة غير المقلوبة والمقلوبة (الشكل 2).
الشكل 2: تخطيطي مبسط لـ SAR ADC بناءً على AD7915 و AD4021 ، حيث N هو عدد البتات في المحول. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics ، معدل من مواد المصدر الأصلية من الأجهزة التناظرية)
أثناء مرحلة الاستحواذ ، يتم تحويل المدخلات (IN + و IN-) إلى مجموعة المكثف. بالإضافة إلى ذلك ، SW + و SW- مغلقان ، لتوصيل مكثف بت الأقل أهمية (LSB) بالأرض (GND). في هذه الحالة ، تصبح صفيف المكثف مكثف أخذ العينات ، ويأخذ عينات من الإشارات التناظرية IN + و IN-. بعد انتهاء مرحلة الاستحواذ ، يرتفع إدخال CNV لمنطق التحكم (الجانب الأيمن) لبدء مرحلة التحويل.
تبدأ مرحلة التحويل بفصل SW + و SW- وتحويل صفيفتي المكثف إلى GND. في هذا التكوين ، تتسبب الفولتية التفاضلية IN + و IN التي تم التقاطها في أن يصبح المقارن غير متوازن. تقوم DAC بإعادة توزيع الشحنة بشكل منهجي بتبديل كل عنصر من عناصر مصفوفة المكثف من البت الأكثر أهمية (MSB) إلى LSB بين GND و REF. تختلف مدخلات المقارنة في خطوات الجهد الموزون الثنائي (VREF / 2N-1 ، VREF / 2N-2 … VREF / 4 ، VREF / 2). يقوم منطق التحكم بتبديل التبديل من MSB إلى LSB ، ويعيد المقارنة إلى حالة متوازنة. بعد هذه العملية ، تعود ADC إلى مرحلة التحصيل ويقوم منطق التحكم بإنشاء أكواد إخراج ADC.
حقن شحن المدخلات ، واستقرار الدائرة ، وقيادة AD7915 ADC
مفتاح عملية التحويل هو الحصول على جهد إشارة دخل دقيق. عندما يشحن مضخم المحرك بدقة مكثفات الإدخال CIN + و CIN- ، تستمر عملية تحويل بيانات ADC بسلاسة وتظل مستقرة حتى نهاية وقت اكتساب ADC. تكمن مشكلة المصمم في إدخال مكثف (CIN + ، CIN-) عند مدخل ADC وتبديل الضوضاء أو حقن الشحن “الارتجالي” الذي يحتاج إلى إدارته بواسطة مكبر صوت السائق.
تضخيم مخطط Bode للدائرة لتقدير استقرار الدائرة بسرعة. يمكن لأداة Bode plot تقريب حجم وظائف نقل مكبرات الصوت ذات الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة للنظام (الشكل 3).
الشكل 3: وظائف النقل ذات الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة للمضخم في الشكل 1 ، بدون Rext و Cext كأحمال مكبر للصوت ، مع ADC SAR أدناه. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
يحدد المحور y كسب الحلقة المفتوحة (AOL) وكسب الحلقة المغلقة (ACL) لدائرة مكبر الصوت ، حيث يبدأ منحنى AOL للمضخم عند 130 ديسيبل (ديسيبل) وكسب الحلقة المغلقة ACL يساوي 0 ديسيبل. تحدد الوحدات على طول المحور X ترددات كسب الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة من 100 هرتز (هرتز) إلى 1 جيجا هرتز (جيجاهرتز) في شكل لوغاريتمي.
في الشكل 3 ، ينخفض كسب الحلقة المفتوحة لمضخم التيار المستمر عند حوالي 220 هرتز (f O) من 130 ديسيبل بمعدل -20 ديسيبل / عقد. يستمر هذا التوهين ويتجاوز 0 ديسيبل عند حوالي 180 ميغا هرتز (MHz) مع زيادة التردد. نظرًا لأن هذا المنحنى يمثل نظامًا أحادي القطب ، فإن تردد المقسم ، fU ، يساوي منتج عرض النطاق الترددي للكسب (GBWP) لمضخم الكسب المستقر. يمثل الرسم البياني نظامًا مستقرًا لأن قطع AOL و ACL تبلغ 20 ديسيبل / عقد.
بعد إضافة Rext و Cext و SAR ADC ، قم بتعديل دائرة مكبر الصوت عن طريق إنشاء أصفار وأعمدة النظام (الشكل 4). يشتمل النظام على 16 بت ، 1 ميغاوات في الثانية (MSPS) AD7915 تفاضلي PulSAR ADC ومكبر صوت ADA4807-1 من الأجهزة التناظرية. تتطلب تركيبة مكبر الصوت و ADC Rext بسبب 30 بيكوفاراد (نوع) تحميل بالسعة ADC. تتطلب الدائرة أيضًا Cext كخرطوشة شحن لتوفير شحنة كافية عند إدخال ADC لمطابقة جهد الإدخال بدقة.
الشكل 4: الظاهر هو استجابة مؤامرة Bode لمضخمي تشغيل ADA4807 يقودان ADC 7915 SAR ADC مع اثنين من أزواج Rext / Cext المستقلة. تعمل ترددات الزاوية fP1 و fZ1 على تغيير كسب الحلقة المفتوحة لمكبر الصوت ، مما يؤدي إلى استجابة مستقرة للنظام. تعمل ترددات الزاوية لـ fP2 و fZ2 على تغيير كسب الحلقة المفتوحة لمكبر الصوت ، مما يؤدي إلى استجابة مستقرة إلى حد ما. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
كما هو مبين في الشكل 4 ، يكون التذبذب ممكنًا بسبب التحميل بالسعة لـ ADC وحقن شحنة التبديل لـ ADC أثناء الاستحواذ الأولي للدائرة. تضمن الأعمدة والأصفار الإضافية التي تم إنشاؤها بواسطة مكونات خرج مكبر الصوت Rext / Cext استقرار النظام ، وبالتالي فإن تقاطع منحنيات كسب الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة أكبر من 20 ديسيبل / عقد ، مما ينتج عنه هامش طور أقل من 45 درجة. يشكل هذا التكوين مع fP2 و fZ2 دائرة غير مستقرة.
لتجنب عدم الاستقرار ، يحتاج المصمم إلى النظر في تأثير مقاومة خرج الحلقة المفتوحة للمكبر ، RO ، عند تقييم منحنى كسب الحلقة المفتوحة لمكبر الصوت باستخدام Rext و Cext في الدائرة. يؤدي الجمع بين RO و Rext و Cext بقيمة مقاومة تبلغ 50 أوم (W) إلى تعديل منحنى استجابة الحلقة المفتوحة عن طريق إدخال قطب (fP ، المعادلة 1) وصفر (fZ ، المعادلة 2). تحدد قيم RO و Rext و Cext تردد الزاوية لـ fP. تحدد قيم Rext و Cext تردد الزاوية الصفري fZ.
المعادلة 1
المعادلة 2
نتيجة حساب fP و fZ هي:
fP1 = 842 كيلو هرتز
fZ1 = 2.95 ميجا هرتز
حيث: RO = 50 وات
Rext = 20 واط
Cext = 2.7 نانوفاراد (nF)
fP2 = 22.7 ميجا هرتز
fZ2 = 79.5 ميجا هرتز
حيث: RO = 50 وات
Rext = 20 واط
Cext = 0.1 nF
القيم أعلاه لـ fP1 و fZ1 تجعل AD7915 و ADA4807-1 نظامًا مستقرًا.
القيادة السهل ADC 4021 ريال سعودي ADC
بديل لـ AD7915 هو محول AD4021 20 بت 1 MSPS Easy Drive SAR. تقلل عائلة الأجهزة AD4021 بشكل كبير من ارتداد المدخلات وتيار الإدخال إلى 0.5 ميكرو أمبير (μA) / MSPS. تتميز أجهزة Easy Drive بانخفاض استهلاك الطاقة وتعقيد سلسلة الإشارات.
يستخدم الإدخال التناظري لـ AD4021 دارة تقلل من ارتداد الشحن غير الخطي لمدخل SAR النموذجي لمكثف التبديل. عرض النطاق الترددي المنخفض ، يمكن استخدام مكبرات الصوت منخفضة الطاقة بسبب انخفاض الرشوة ومرحلة الاستحواذ الأطول (الشكل 5).
الشكل 5: دارة الإدخال وتوقيت الاستحواذ في AD4021 يقلل من تيار تبديل الارتداد ويخفف من المتطلبات الصارمة لمضخم الصوت. (رصيد الصورة: الأجهزة التناظرية)
يؤدي تقليل فترة الاسترداد وإطالة وقت الاستحواذ أيضًا إلى زيادة قيمة المقاوم Rext في مرشح مكثف مقاومة الإدخال (RC) مع انخفاض مقابل في مكثف Cext. يعمل هذا المزيج من مضخم الصوت Cext الأصغر على تحسين الاستقرار ويقلل من استهلاك الطاقة.
يبدو أن مخطط التوصيل الموصى به لـ AD4021 باستخدام مصدر 5 فولت واحد يحتوي على مخطط دائرة مماثل. ولكن يتم تقليل الطلب على مكبر الصوت وتكون قيم Rext / Cext (R و C) أصغر (الشكل 6).
الشكل 6: مخطط تطبيق نموذجي لـ AD4021 و ADA4807-1 ، مدعوم بمصدر واحد 5 فولت ، مع متطلبات مضخم أقل وقيم Rext أعلى من برنامج التشغيل AD7915 الذي تمت مناقشته أعلاه. (رصيد الصورة: الأجهزة التناظرية)
في الشكل 6 ، يستخدم AD4021 المستند إلى SAR أيضًا أداة DAC لأخذ عينات إعادة توزيع الشحن. يحتوي ADC على ساعة تحويل مدمجة وساعة تسلسلية. لذلك ، لا تتطلب عملية التحويل إدخال ساعة متزامنة (SCK). يعمل تكوين الساعة هذا على إطالة وقت الاستحواذ وتحسين الدقة من خلال منح إشارة الإدخال وقتًا أطول للاستقرار في قيمتها النهائية.
الشاغل الرئيسي لمكبرات الصوت في AD7915 و AD4021 هو الضوضاء ، حيث يجب أن ينتقل مكبر الصوت / Rext / Cext من النطاق الكامل إلى AD7915 عند مستوى 16 بت (0.0015٪ ، 15ppm) و AD4021 عند 20- مستوى البت (0.00001٪ ، 1 جزء في المليون).
للحفاظ على أداء نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في AD7915 و AD4021 ، يجب أن تكون ضوضاء مكبر الصوت أقل من ثلث ضوضاء ADC. تبلغ ضوضاء AD4021 60 ميكرو فولت rms (mVrms) ، مما يتطلب أن يكون لمضخم الصوت / Rext / Cext أقل من 20mVrms من الضوضاء. تبلغ ضوضاء AD4021 31.5 mVrms ، مما يتطلب أن يكون لمضخم الصوت / Rext / Cext أقل من 10.5 mVrms من الضوضاء.
تساعد أدوات محرك ADC الدقيقة للأجهزة التناظرية المصممين على حساب قيم Rext و Cext الصحيحة بسرعة. مع برامج التشغيل المحددة و ADC ، تحاكي الأداة وقت الاستقرار والضوضاء وسلوك التشويه للدائرة.
الخاتمة
ستستمر ADCs SAR في الهيمنة على عمليات الحصول على البيانات فائقة السرعة ، والتحكم الصناعي ، وتطبيقات الأجهزة. ومع ذلك ، نحتاج إلى النظر في دوائر الإدخال الخارجية لهذا النوع من الأجهزة – مضخم المحرك ومرشح الإدخال – لاستيعاب مشكلات حقن شحنة التحويل المحتملة واستقرار مكبر الصوت.
تعتمد معظم حلول محولات SAR مثل AD7916 و AD4021 للتحكم بدقة في إشارة الإدخال على برنامج تشغيل op amp ، مثل ADA4807-1 في هذا المثال. كما هو موضح ، فإن هذه الأجهزة ، المدعومة بمقاوم خرج مناسب وقيم مكثف ، تشكل أساسًا صلبًا لبناء نظام محول SAR عالي الدقة وقوي وعالي الدقة و 16 أو 20 بت.