Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 19 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Уменьшение помех на входе широкополосного АЦП

В статье приведена схема входного усилительного каскада с ФНЧ второго порядка, которая позволяет ослабить шумы и искажения на входе АЦП.

Динамические характеристики быстродействующих АЦП

В статье рассматривается вопрос о том, как проверить поведение быстродействующих АЦП во временной области, чтобы оценить и сравнить их характеристики для использования в конкретных приложениях.

АЦП с большой частотой опроса, высоким разрешением и низкой мощностью

В статье с использованием расчетных соотношений подробно рассказывается о выборе частоты преобразования для быстродействующих АЦП. В качестве параметров для оптимизации используются соотношение сигнал/шум (SNR) и динамический диапазон, свободный от паразитных выбросов (SFDR). Примеры иллюстрированы графиками.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

19 октября

Компрессионные АЦП: как достичь рекордно низкого энергопотребления

В статье обсуждается технология сжатия (компрессии) сигнала на основе его временных и частотных характеристик, которая используется при аналого-цифровом преобразовании. Данный метод компании ZeroWatt позволяет существенно снизить энергопотребление АЦП, что имеет решающее значение в портативных и многоканальных системах различного назначения. Статья представляет собой перевод [1].



О

бычный процесс аналого-цифрового преобразования сигнала не учитывает вид сигнала или какие-либо статистические данные. В результате в процессе преобразования много энергии рассеивается впустую. Если грамотно использовать данные о типе сигнала, то мощность, потребляемую АЦП, можно радикально уменьшить. В новом подходе к построению АЦП, предложенному компанией ZeroWatt Technologies, используется фирменный метод сжатия (компрессии) сигнала — Z-press, который обеспечивает значительно меньшую потребляемую мощность по сравнению с традиционными АЦП. Причем такой результат получен не за счет ухудшения отношения сигнала к шуму и искажениям (SINAD) и скорости преобразования АЦП. Кроме того, в технологии Z-press не требуются предварительные знания о типе сигнала. После подачи сигнала на вход компрессионного АЦП он автоматически адаптируется к данному сигналу и обеспечивает оптимальный режим энергопотребления.
Коммерческая отдача таких АЦП на рынке связана с увеличением срока службы батарей, сокращением затрат на разработку, достижением более высокой плотности канала преобразования данных и упрощением конфигурации системы во многих электронных системах, в частности, в системах диагностической визуализации в медицине, в беспроводной инфраструктуре, в контрольно-измерительных приборах и приложениях военного назначения. Например, в системах, где требуется цифровое формирование диаграммы направленности антенны и приложениях на базе фазированных антенных решеток могут применяться тысячи АЦП. Поэтому критически важной задачей для них является снижение энергопотребления. С помощью более совершенных АЦП, которые потребляют гораздо меньше энергии, можно решить несколько ключевых задач: 1) срок службы портативных устройств в ряде устройств можно удвоить; или 2) число каналов в одном устройстве можно увеличить вдвое; и/или 3) можно увеличить разрешение системы или быстродействие; и/или 4) можно уменьшить габариты устройства за счет более высокой плотности каналов на кристалле. Благодаря таким преимуществам конечные пользователи могут улучшить точность измерений при меньшей стоимости и улучшенной мобильности системы.

Принцип работы

При традиционном аналого-цифровом преобразовании происходит квантование напряжения полной шкалы и входного спектра вплоть до половины частоты Найквиста (в данном случае представляющей собой эквивалентную частоту выборки АЦП), как показано на рисунке 1. Как видно из рисунка 1а, вся область, ограниченная красной линией, представляет собой пространство, которое не заполняется мгновенно сигналом в области амплитуд. Квантование этого пустого пространства приводит к низкой энергоэффективности. На рисунке 1б показано, как используются подсистемы компрессии-декомпрессии для того, чтобы выполнять преобразование исключительно сигнала, что приводит к существенному сокращению впустую обрабатываемой области и значительному улучшению энергоэффективности. Подобным же образом в обычных АЦП оцифровка сигнала по частоте также неэффективна, поскольку сигнал не всегда занимает весь спектр частот вплоть до половины частоты Найквиста, а в большинстве приложений расположен в области определенных частот, как показано на рисунке 1а. Новый подход способен определить, что имеются пустые участки спектра, которые не заполняются мгновенно сигналом, в результате чего квантование спектра сигнала выполняется с высокой энергоэффективностью (см. рис. 1б).

 

Рис. 1. Традиционное квантование сигнала по амплитуде и частоте (а) и квантование сигнала со сжатием по амплитуде и частоте (б)


На рисунке 2а показан график потребляемой мощности обычного 10-разрядного АЦП последовательного приближения с частотой выборки 50 Мвыб./с, который оцифровывает ультразвуковой сигнал с распределением Рэлея, показанный на рисунке 3. Для сравнения на рисунке 2б показан профиль потреб­ляемой мощности 10-разрядного компрессионного АЦП с такой же частотой выборки. Обычный АЦП не адаптивен и не использует сжатия, в то время как компрессия сигнала позволяет достичь минимального уровня энергопотребления. Видно, что метод квантования со сжатием обеспечивает значительную экономию энергии, и в зависимости от условий может дать более чем 10-кратный выигрыш по сравнению с традиционным методом.

 

Рис. 2. Профиль потребляемой мощности традиционных АЦП (а) и компрессионных АЦП (б)

Рис. 3. Интегральная функция распределения (CDF) сигнала с распределением Рэлея

 

Компрессионный АЦП и реальные сигналы

Действительно ли компрессионный АЦП обеспечивает преимущества при работе с реальными сигналами, ведь в случайном распределении присутствуют сигналы как с большой, так и с малой амплитудой? То же самое можно сказать и о частоте сигнала. Чтобы убедиться, что компрессионный АЦП обеспечивает существенный выигрыш по энергопотреблению и при этом позволяет достичь высоких характеристик в реальных условиях, рассмотрим интегральную функцию распределения (Cumulative Distribution Function — CDF) простого сигнала с распределением Рэлея, показанного на рисунке 3. Этот тип сигнала часто встречается в беспроводных приложениях и системах диагностической визуализации в медицине. Большую часть времени амплитуда такого сигнала поддерживается на уровне, в четыре раза меньшем средней амплитуды полной шкалы, чтобы избежать отсечки сигнала. Как можно видеть из графика, более 85% времени амплитуда такого сигнала составляет менее 0,5 В, поэтому компрессионный АЦП должен обеспечить значительные преимущества.
Достоинства компрессионного АЦП можно лучше представить на примере реального приложения — ультразвуковой системы. В таких системах сигнал на входе АЦП может иметь вид, показанный на рисунке 4. Ультразвуковые волны, многократно отраженные от перегородок человеческого тела и органов, поступают в АЦП в виде импульсов разной амплитуды в произвольные моменты времени. Как можно заметить, имеются «пустые» участки между импульсами, так что сжатие сигнала может обеспечить выигрыш. Обычные АЦП не могут просто выключиться во время этих «пустых» участков, поскольку они не знают, когда поступит следующий эхо-сигнал, и время включения/выключения АЦП изменялось бы от нескольких сот нс до нескольких мкс. Кроме того, ультразвук обычно генерирует несущую волну с частотой от 2 до 15 МГц, в то время как АЦП работает на частоте 20…80 Мвыб./с. В результате сигнал в АЦП передискретизируется в 4–8 раз. Поэтому большая часть спектра сигнала оказывается намного ниже частоты Найквиста, где, опять же, частотное сжатие может обеспечить существенный выигрыш.

 

Рис. 4. Ультразвуковой сигнал с распределением Рэлея

 

Результаты измерения параметров компрессионных АЦП и новые разработки

Занимаясь разработками АЦП с низким потреблением, компания ZeroWatt создала АЦП первого поколения на основе собственной технологии сжатия. Частично блоки этого базового варианты АЦП будут использоваться и в следующем поколении адаптивных компрессионных АЦП, в которых потребляемая мощность будет снижена еще больше.
Предполагается, что с помощью сочетания схем, используемых в компрессионных АЦП первого поколения, и новых методов сжатия можно достичь 10-кратного снижения энергопотребления для определенных сигналов по сравнению с лучшими в отрасли АЦП. В таблице 1 представлены результаты измерения параметров компрессионного АЦП первого поколения, а на рисунке 5 показаны данные измерений динамического диапазона без паразитных составляющих (SFDR) этих АЦП.

Таблица 1. Результаты измерения параметров компрессионного АЦП первого поколения

Параметр

Режим 10 МВыб./с

Режим 20 МВыб./с

Единица измерения

Разрешение

10

10

бит

Статическая погрешность:

Дифференциальная нелинейность (DNL)

+0,38/–0,44

+0,47/–0,52

МЗР

Интегральная нелинейность (INL)

+0,24/–0,51

+0,29/–0,61

МЗР

Погрешность смещения

не более 1

не более 1

МЗР

Погрешность коэффициента усиления

1,2

1,7

% ПШ

Динамическая погрешность:

Отношение сигнала к шуму и искажениям (SNDR) при:

– Fin = Fsample/7

– Fin = Fsample/4

57,8

57,2

56,2

54,7

дБc

дБc

Эффективное число бит (ENOB) при:

– Fin = Fsample/7

– Fin = Fsample/4

9,3

9,2

9,0

8,8

бит

бит

Динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR) при:

– Fin = Fsample/7,1

– Fin = Fsample/4,1

71,1

72,3

66,7

64,6

дБc

дБc

Мощность потребления:

– VDD_A

– VDD_D

– IVDD_A 1

– VDD_D 1

1,8

1,8

0,71

0,42

1,8

1,8

0,71

1,1

В

В

мА

мА

Общая потребляемая мощность при постоянном смещении на входе:

– синусоиде с частотой Fin = Fsample/7

– синусоиде с частотой Fin = Fsample/4

1,9

2,0

2,0

3,2

3,3

3,4

мВт

мВт

мВт

Показатель качества при:

– Fin = Fsample/7

– Fin = Fsample/4

0,317

0,340

0,325

0,381

пДж/ступень

пДж/ступень

Входной тактовый сигнал

10-МГц синусоида с размахом 1,8 В

20-МГц синусоида с размахом 1,8 В

Цифровой выход

10 парал. бит. потоков каждый с частотой 10/20 МВыб/с

Площадь ядра кристалла

0,138

мм2

Технология

0,18-мкм БиКМОП-процесс только
с КМОП-транз.

1 При частоте Fsample.

В адаптивных компрессионных АЦП второго поколения используется фирменный метод сжатия, который позволяет еще больше уменьшить потребляемую мощность. Адаптивный метод позволит динамически изменять энергопотребление в соответствии с видом сигнала. Для оптимизации энергопотребления диапазон адаптации и другие параметры АЦП могут быть установлены пользователем. На этих АЦП достигнуты следующие показатели по частоте выборки, разрешению и потребляемой мощности — 50 Мвыб./с, 12 разрядов и менее 5 мВт, соответственно. Эти параметры отвечают требованиям приложений, использующих каналы цифрового формирования диаграммы направленности и фазированные антенные решетки. На настоящий момент компрессионный АЦП второго поколения обеспечивает характеристики, представленные в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики компрессионного АЦП второго поколения

Частота выборки

50 выб./с

Разрешение

12 бит

Эффективное число бит (ENOB) на частоте 10 МГц

не менее 11,5 бит

Потребляемый ток (для типового сигнала с распределением Рэлея) при напряжении питания 1,2 В

аналоговый: 1,4 мА, цифровой: 2,3 мА

Показатель качества

30,4 фДж/преобразование

Площадь ядра АЦП

не более 0,25 мм2

Динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR)

не более 72 дБc

Дифференциальная нелинейность (DNL)

не более 1 МЗР

Интегральная нелинейность (INL)

измерения будут проведены

Входной диапазон напряжения полной шкалы

1-В дифференциальный сигнал

Конфигурации цифрового выхода

программируемый последовательный выход

Технологический процесс

0,13-мкм КМОП-процесс для цифровых схем

 

Технология и конкурирующие приборы

Использование схем компрессии и декомпрессии сигнала позволяет выполнять процесс аналого-цифрового преобразования с минимальным энергопотреблением. Даже лучшие схемные решения в области АЦП намного отстают от компрессионных АЦП по энергопотреблению, поскольку данный метод преобразования учитывает мгновенное изменение сигнала во времени.
На рисунке 6 показано, как технология сжатия обеспечивает превосходство по сравнению с обычными АЦП по показателю качества (FoM), который рассчитывается по формуле:

 

,

 

где ENOB — эффективное число бит, а fCLK — частота выборки.
На рисунке сравниваются показатели качества различных конкурирующих АЦП по сравнению с АЦП производства ZeroWatt. Данные по потребляемой мощности, показанные на рисунке, получены при преобразовании сигнала с распределением Рэлея с 8-кратной передискретизацией и 4-кратным снижением амплитуды сигнала относительно среднеквадратичного уровня полной шкалы на АЦП, изготовленном по КМОП-технологии с 0,13-мкм нормами.

Литература

1. Fred Tzeng. Compression-based A-to-D Converters: Reaching New Low Power Limits in Quantization//RTC Magazine, December 2010.



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

Автор: Фред Цзэн (Fred Tzeng), президент и генеральный директор, ZeroWatt Technologies



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