Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 12 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Как синхронизировать выборку высокоскоростных АЦП и ЦАП в современных системах связи

Новые поколения систем связи требуют обеспечить точную синхронизацию каналов передачи данных, в которых используются высокоскоростные АЦП и ЦАП. В статье рассмотрены требования к синхронизации выборки преобразователей данных нисходящего канала связи OFDM-системы, а также методы синхронизации, установленные в новом стандарте сопряжения высокоскоростных преобразователей данных и логических устройств JEDEC JESD204A.

Высоковольтный оптический ЦАП с USB-интерфейсом для управления пьезоэлектрическим микросхватом

В статье представлена архитектура и схемотехника системы управле­ния пьезоэлектрическим микросхватом для мобильной микроробототехники и манипуляторов систем автоматической микросборки с получением точных перемещений. Ядро системы управления построено на микроконтроллере MSP430F1121A фирмы Texas Instruments. Приводится краткое описание микросхвата, системы управления напряжением питания, подаваемого на пьезоэлектрические биморфы, и рекомендации по применению.

Время задержки аналого-цифрового преобразователя

При использовании дельта-сигма АЦП с мультиплексором на входе, для увеличения быстродействия систем с высоким разрешением необходимо учитывать время ожидания АЦП. В статье рассмотрены вопросы выбора АЦП с малым временем задержки в многоканальных системах с датчиками. Статья представляет собой перевод [1].

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

10 марта

Конвейерные или сигма-дельта АЦП для телекома

АЦП является ключевым компонентом в приемных каналах цифровой связи, и его правильный выбор имеет решающее значение в оптимизации разрабатываемой системы. В статье обсуждается вопрос о том, какие факторы определяют выбор АЦП, как задать его параметры и чему отдать предпочтение в том или ином случае — конвейерному либо сигма-дельта АЦП.



Основные сведения об АЦП

На сегодняшний день наиболее популярными стали две архитектуры АЦП — конвейерная и сигма-дельта. Традиционно, каждая из них имеет собственные четко определенные области применения и, что интересно, в некоторых из них используется и та, и другая архитектура. Рассмотрим эти сферы применения и попытаемся определить, как сделать правильный выбор АЦП.

Для правильного преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный цифровой частота выборки АЦП должна в два раза превышать ширину полосы сигнала. На практике ширина полосы входного сигнала должна ограничиваться аналоговым фильтром, предотвращающим наложение спектров. Минимально допустимая частота выборки АЦП называется частотой Найквиста.

Как мы увидим, АЦП часто работает с высокой частотой выборки, чтобы ослабить требования к фильтрации, а дискретизация с уменьшением шага (Over-Sampling Ratio, OSR) представляет собой отношение фактической частоты дискретизации к частоте Найквиста. Преобразование непрерывного аналогового сигнала в цифровой код приводит к неизбежным ошибкам, обусловленным шумом квантования, шумом устройства и неидеальностью цепи.

Разрядность АЦП зависит от отношения сигнал/(шум + искажения) (Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio, SNDR), характеризующего цифровой модем. Точное определение параметра SNDR необходимо для выбора лучшего АЦП: чем он выше, тем больше потребляемая мощность и площадь кристалла АЦП. Другим ключевым и связанным с предыдущим параметром АЦП является эффективная разрядность (Effective Number of Bits, ENOB), которая характеризует реально достижимое разрешение этого преобразователя.

Конвейерный АЦП

Конвейерный АЦП состоит из последовательного ряда каскадов, каждый из которых содержит АЦП низкого разрешения, ЦАП и усилитель. Они последовательно преобразуют аналоговый входной сигнал в цифровой, осуществляя конвейерную обработку данных. Конвейерные АЦП обычно применяются для энергоэффективного высокоскоростного преобразования широкополосных входных сигналов (например, в диапазоне 10…100 МГц). Частота выборки АЦП выбирается из того расчета, чтобы отношение OSR было малым (т.е. равнялось 2—4), а стандартное разрешение АЦП находится в диапазоне 8—14 бит.

Архитектура конвейерного АЦП является разомкнутой; собственная задержка составляет всего 4—6 циклов; имеется прямая связь между входным и выходным сигналами. Конвейерные АЦП, как правило, выполнены по КМОП-технологии с дискретной цепью (Discrete-Time, DT) переключаемого конденсатора (Switched Capacitor, SC). Конвейерному АЦП требуется нетривиальный аналоговый фильтр защиты от наложения спектров, который вносит свой вклад в энергопотребление и занимаемую площадь устройства.

Сигма-дельта АЦП

Эти АЦП значительно отличаются от конвейерных преобразователей и не допускают прямого использования некоторых стандартных характеристик. Сигма-дельта АЦП обеспечивают высокое соотношение ENOB/SNDR (например, до 10—12 и выше) при ширине полосы входного сигнала между низкой и средней (например, 100 кГц…10 МГц).

Σ/Δ-архитектура использует обратную связь между цифровой и аналоговой частями и высокое отношение OSR (например, 10—128). Высокое значение передискретизации позволяет использовать очень простые аналоговые фильтры защиты от наложения спектров, что экономит потребляемую энергию и занимаемую площадь. Однако при этом требуется дополнительная цифровая фильтрация. В результате использования петли обратной связи
Σ/Δ-АЦП могут быть неустойчивыми при больших входных сигналах и терять в производительности. По этой причине требуется установить диагностику перегрузки. Кроме того, в этих АЦП отсутствует прямая связь между входным и выходным сигналами, поэтому для характеристики работы АЦП часто вместо таких показателей как дифференциальная/интегральная нелинейность (Differential/Integral Non-Linearity, DNL/INL) используется динамический диапазон без паразитных составляющих (Spurious Free Dynamic Range, SFDR).

Рисунок 1 иллюстрирует архитектуры конвейерного и сигма-дельта АЦП.

Σ/Δ-АЦП выполнен в виде цепей с дискретным (Discrete Time, DT) и непрерывным временем (Continuous Time, CT). DT SC Σ/Δ-АЦП (дискретная цепь с переключаемым конденсатором) легко программируется на разные полосы частот, не требует калибровки и относительно нечувствительна к дрожанию тактовых импульсов, которые ухудшают производительность. Рассмотрим эти АЦП подробнее.

Рис. 1. Архитектуры конвейерного и сигма-дельта АЦП

Схема приемного тракта

Стандартная схема приемного тракта в цифровых системах связи показана на рисунке 2.

Мы рассмотрим аналоговый сигнал в основной полосе частот, который требуется усилить. Фильтрация необходима для того, чтобы обеспечить защиту от наложения спектров. Она достигается за счет ограничения полосы поступающего на АЦП сигнала, что позволяет снизить шум и ослабить сигналы помех (что особенно важно в беспроводных приложениях). При создании такой системы необходимо достичь компромисса между коэффициентом усиления, линейностью шума и ограничениями на потребление энергии и площадь кристалла.

Рис. 2. Стандартный приемный тракт цифровой системы связи

Функции усиления и фильтрации можно задать в разных точках приемного тракта. Следует заметить, что цифровые каналы связи достаточно просто реализуются путем разделения сигнала на два компонента — I и Q. В случае приложений с монополосными каналами, например в проводной связи, такое разделение осуществляется цифровым модемом, поэтому требуется лишь один приемный тракт (и АЦП). В беспроводных применениях, например WLAN/WiMAX/LTE, преобразование с понижением радиочастоты вызывает необходимость в двух приемных трактах и двух АЦП, которые в таком случае называются АЦП IQ.

В цифровой области обычно применяется прореживающий фильтр, позволяющий уменьшить частоту выборки до частоты Найквиста, независимо от архитектуры АЦП.

Определение параметров АЦП

В зависимости от приложения, рассчитывается требуемое соотношение ENOB/SNDR. Фильтрация играет большую роль в определении ENOB АЦП. Например, в беспроводных приложениях для устранения возможных помех часто достаточно половины значения ENOB. Мы рассмотрим три следующих приложения: широкополосное проводное; широкополосное беспроводное и узкополосное беспроводное с высоким разрешением.

Широкополосные проводные приложения

Примерами таких приложений выступает связь по линиям электросети и кабельные модемы. Ширина полосы порядка 40…100 МГц, а ENOB находится в диапазоне 9,0…10 и выше. Для этих приложений хорошо подходит конвейерный АЦП.

Для разрядности ENOB = 9 и немного выше можно использовать 10-разрядный АЦП площадью 0,3 мм2 с частотой дискретизации 8—80 Мвыб./с и рассеиваемой мощностью менее 20 мВт [устройство 1, список «Ссылки» в конце статьи]. Для ENOB = 10 и более рекомендуется использовать 12-разрядный конвейерный АЦП площадью 0,6 мм2 с частотой 64 Мвыб./с и рассеиваемой мощностью 60 мВт [2].

Следует также учесть то обстоятельство, что входной сигнал является композитным многотональным OFDM-сигналом, а не синусоидой, которая обычно используется для определения характеристик АЦП. Многотональный OFDM-сигнал состоит из ряда синусоид низкой амплитуды, что, например, играет решающую роль в ослаблении джиттера дискретизации.

Сложность и стоимость АЦП с неоправданно высоким значением ENOB очень велики. Высокие значения ENOB при частотах дискретизации выше 100 Мвыб./с поддерживаются с помощью метода чередующегося конвейера [3].

Широкополосные беспроводные приложения

Мы рассмотрим две полосы частот входного сигнала: 4 МГц (мобильное телевидение) и 10 МГц (технология LTE). В обоих трактах основной полосы после преобразования вслед за синхронным ресивером применяется АЦП IQ.

Стандартными решениями для приложений мобильного телевидения является конвейерный АЦП (ENOB = 9; OSR = 4; 32 Мвыб./с; 4 МГц) или сигма-дельта АЦП (ENOB = 10; OSR = 15; 120 Мвыб./с; 4 МГц). В примерах c конвейерным и сигма-дельта АЦП [4, 5] их площадь составляет 0,65 мм2, но у конвейерного АЦП рассеиваемая мощность равна 15 мВт, а у преобразователя с архитектурой второго типа — 37 мВт, что, главным образом, объясняется меньшей ENOB. Таким образом, выбор архитектуры АЦП в данном случае, в основном, происходит на уровне архитектуры системы.

Сигма-дельта АЦП позволяет снизить порядок аналогового фильтра защиты от наложения спектров на три, что дает экономию занимаемой площади до 1,0 мм2 и 10 мВт мощности. Для обоих типов АЦП требуется прореживающий цифровой фильтр, причем сигма-дельта АЦП требуется дополнительный цифровой фильтрующий каскад, который потребляет 1 мВт, но занимает крайне незначительную площадь. Перед обоими АЦП следует поставить буфер для управления конденсатором выборки, и в случае с сигма-дельта АЦП в этот буфер легко установить дополнительный недорогой фильтр защиты от наложения спектров. В таком решении у сигма-дельта АЦП приемный тракт занимает меньшую площадь.

В системе с входным 10-МГц сигналом, как правило, используется конвейерный АЦП IQ (ENOB = 9; 80 Mвыб./с; OSR = 4; потребление — 40 мВт) [4] или сигма-дельта АЦП (ENOB = 9; 180 Mвыб./с; OSR = 9; потребление — 45 мВт) [6]. В этом случае выбор в большей мере зависит от предпочтений заказчика и обусловлен возможной потребностью в совместимости с более широкополосными сигналами, что может склонить чашу весов в сторону конвейерного АЦП.

При необходимости в более высоких ENOB, например ENOB = 10,5 для LTE-приложений с частотой входного сигнала 10 МГц, хорошим решением является выбор 12-разрядного конвейерного АЦП IQ с двумя входами и частотой выборки каждого из них равной 32 Мвыб./c. У такого АЦП потребление составляет 58 мВт; занимаемая площадь — 0,65 мм2 [7].

Узкополосные беспроводные приложения

Для полос шириной несколько сотен кГц в таких стандартах как GSM требуется, чтобы ENOB = 11—12. Для реализации такой высокой производительности требуется калибровка АЦП, тогда как сигма-дельта IQ АЦП обеспечивает это разрешение, потребляя лишь 7,5 мВт [8].

Для таких многостандартных ресиверов как программно-определяемые радиосистемы, предпочтительнее использовать сигма-дельта АЦП благодаря возможности легко программировать их в широком диапазоне требований к параметрам ENOB/SNDR.

Вывод

Выбор правильного АЦП является решающим этапом разработки оптимального приемного тракта. При этом следует правильно указать параметры АЦП с учетом требований всей системы в целом. В таблице 1 приведены основные критерии сравнения при выборе той или иной архитектуры, а на рисунке 3 показан диапазон рабочих параметров современных конвейерных и сигма-дельта АЦП.

Рис. 3. Диапазон рабочих параметров конвейерного и сигма-дельта АЦП

Таблица 1. Критерии сравнения при выборе между конвейерными и сигма-дельта АЦП

Архитектура АЦП

Конвейерная

Сигма-дельта

Ширина полосы вх. сигнала

До 100 МГц

До 10 МГц

ENOB

9—10,5 (без калибровки) 11 (с калибровкой)

10—12 (без калибровки)

Фильтр

Аналоговый цифровой КИХ-фильтр защиты

от наложения спектров

Значительно снижены требования к аналоговой фильтрации

Цифровой КИХ-фильтр + доп. CIC-фильтр

Коэффициент усиления системы

Аналоговый с программируемым

коэффициентом усиления

Возможно снижение программно

задаваемого коэффициента усиления

Задержка

5—6 такт. импульсов

Ниже, чем у конвейерного типа

Макс. вх. сигнал

Нет проблем с устойчивостью

Большие вх. сигналы могут привести к ухудшению ENOB из-за
перегрузки АЦП, что вызывает необходимость установить ее диагностику

Область применения

802.11х, DVB-TH, DMB, WiMax, LTE, Docsis, HDTV, HomePlug, формирование изображения

DVB-H, DMB, WiMax, SDR, DAB, UMTS, CDMA, GSM, LTE

Ссылки

1. S3AD88M10BC90.

2. S3AD64M12BT65D.

3. S3AD256M12BT65.

4. S3ADIQ88M10BC90.

5. S3AD120M11BC90.

6. S3ADIQ180M10BSM90LP.

7. S3AD64MD12BT65D.

8. S3ADIQ160MSDC13.

ЛИТЕРАТУРА

1. Noel O'Riordan. Pipeline vs. sigma delta ADCs for communications applications//www.design-reuse.com/articles/20284/pipeline-sigma-delta-adc.html.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Ноэл O’Риордан, ст. инженер-разработчик, Silicon & Software Systems (S3)



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты