3.3 Ацп последовательного приближения[д13]
АЦП последовательного приближения являются популярной архитектурой для аналого-цифрового преобразования с разрешением от среднего до высокого и производительностью до 5 Msps. Обычный диапазон разрешения составляет у них от 8 до 16 бит при малом энергопотреблении и габаритах. Такая комбинация характеристик делает АЦП последовательного приближения идеальным для широкого круга применений, таких как портативные приборы с батарейным питанием, устройства промышленной автоматики и системы сбора и обработки информации.
Как следует из названия, АЦП последовательного приближения используют алгоритм двоичного перебора, поэтому у них частота преобразования составляет лишь часть от тактовой частоты (несколько мегагерц), на которой работает внутренняя структура.
Архитектура АЦП последовательного приближения
Базовая блок-схема АЦП последовательного приближения приведена на рис.3.3.1. Входной сигнал Vin выбирается и сохраняется на время преобразования устройством выборки/хранения. Реализуя алгоритм двоичного выбора N-разрядный регистр сначала устанавливается на середину шкалы (т.е. в состояние 1000…00, устанавливая в 1 старший разряд). Этот код устанавливает на выходе ЦАП напряжение, равное половине опорного напряжения Vref. Компаратор производит сравнение напряжений чтобы определить, больше входное напряжение Vin выходного напряжения Vref/2 ЦАП или меньше. Если оно больше, на выходе компаратора «1» и старший разряд регистра остается в состоянии «1», если меньше - на выходе компаратора «0» и старший разряд регистра устанавливается в состоянии «0». Затем управляющая логика сдвигается на один бит вниз и устанавливает в единицу соответствующий бит регистра, т.е. на середину выбранной в первом такте половины шкалы, и производится следующее сравнение напряжений и так до младшего разряда регистра. По окончании процесса в регистре оказывается N-разрядный код, соответствующий Vin.
Рис.3.3.2 иллюстрирует процесс преобразования в 4-разрядном АЦП. Видно как жирная линия, отображающая выходное напряжение VDAC ЦАП приближается к линии входного напряжения Vin. В этом примере результат сравнения напряжений в первом такте Vin <VDAC и бит 3 регистра устанавливается в «0». ЦАП затем устанавливается во втором такте в состояние 0100 и производится следующее сравнение, результат которого Vin >VDAC и бит 2 остается в состоянии «1». ЦАП затем устанавливается в третьем такте в состояние 0110 и производится третье сравнение. Поскольку результат сравнения Vin <VDAC бит 3 устанавливается в состояние «0» и на ЦАП в четвертом такте подается 0101 для последнего сравнения, в результате которого бит 0 остается в состоянии «1» поскольку Vin >VDAC.
Рис.3.3.1
Заметим, что для формирования кода АЦП потребовалось четыре такта. В общем случае АЦП последовательного приближения требуется N тактов для полного цикла преобразования и следующий цикл не может начаться ранее, чем закончится предыдущий. Это объясняет, почему этот тип АЦП эффективен по энергопотреблению и габаритам, но трудно найти приборы с быстродействием несколько Msps при разрешении 14-16 разрядов.
Рис.3.3.2
Одни из самых малогабаритных АЦП, представленных на рынке, базируются на архитектуре последовательного приближения. Например, семейство МАХ1115 – МАХ1118 8-разрядных АЦП и их аналоги с большим разрешением МАХ1086 и МАХ1286 (10 и 12 разрядов, соответственно) упакованы в корпус SOT23 с размерами 3х3 мм.
Другой особенностью АЦП последовательного приближения является зависимость потребления от тактовой частоты, что отличает их от АЦП считывания и конвейерных АЦП с постоянной потребляемой мощностью. Это свойство особенно полезно в маломощной аппаратуре или там, где частота выборки не постоянна.
Анализ компонентов АЦП последовательного приближения
Наиболее критичными компонентами АЦП последовательного приближения являются компаратор и ЦАП. Как будет показано ниже, устройство выборки хранения может быть совмещено с ЦАП.
Быстродействие АЦП последовательного приближения ограничивается следующими факторами:
временем установления ЦАП, который должен устанавливаться с точностью всего АЦП, например 1/2LSB;
компаратором, который должен различать малые разности между Vin и VDAC за определенное время;
задержками в логике.
ЦАП
Максимальное время установления ЦАП определяется процессом установления при переключении старшего разряда – этот скачек напряжения самый большой на выходе ЦАП. Линейность АЦП также определяется линейностью ЦАП. При разрешении АЦП 12 и более разрядов линейность обеспечивается применением подгонки и/или калибровки, поскольку полупроводниковая технология не может обеспечить требуемый технологический разброс параметров компонентов. Хота это зависит от конкретных технологий и разработок согласование параметров компонентов ограничивает линейность АЦП на уровне 12 разрядов. Многие АЦП последовательного приближения используют конденсаторный ЦАП, который также выполняет функцию выборки/хранения входного сигнала. Конденсаторные ЦАП основаны на принципе перераспределения заряда и превалируют в современных АЦП.
Рис.3.3.3
Конденсаторные ЦАП содержат матрицу конденсаторов с двоичновзвешенными величинами плюс дополнительный конденсатор LSB. На рис.3.3.3 приведен пример 16-разрядного ЦАП, подключенного к компаратору. В течение фазы выборки общий вывод матрицы конденсаторов подключен к земле, а вторые (свободные) выводы конденсаторов соединены с источником сигнала Vin. После окончания выборки общий вывод отключается от земли, а вторые выводы от входа, эффективно сохраняя заряд, пропорциональный входному напряжению на конденсаторах. Вторые выводы затем соединяются с землей, создавая на общем выводе конденсаторной матрицы потенциал -Vin.
На первом такте двоичного выбора свободный вывод MSB-конденсатора (с максимальным весом) отключается от земли и подключается к источнику опорного напряжения Vref, смещая общий вывод матрицы на напряжение, равное половине опорного Vref/2. Например, если Vin= 3Vref/4, то подключение свободного вывода MSB-конденсатора к источнику опорного напряжения Vref, а остальных конденсаторов к земле, установит на общем выводе конденсаторов потенциал, равный (-3Vref/4+Vref/2)=-Vref/4. Когда это напряжение сравнивается компаратором с потенциалом земли, выход компаратора устанавливается в состояние «1», сигнализируя, что входное напряжение больше половины опорного. Напротив, если Vin= Vref/4, то подключение свободного вывода MSB-конденсатора к источнику опорного напряжения Vref, а остальных конденсаторов к земле, установит на общем выводе конденсаторов потенциал, равный (-Vref/4+Vref/2)=Vref/4, и выход компаратора устанавливается в состояние «0», сигнализируя, что входное напряжение меньше половины опорного. В зависимости от и записанного в MSB регистра состояния выхода компаратора MSB-конденсатор остается подключенным к источнику опорного напряжения Vref («1»), или подключается к земле («0»). Затем следующий конденсатор отключается от земли и подключается к источнику опорного напряжения Vref и компаратор определяет значение следующего бита и т.д., пока не будут определены все биты.
Калибровка ЦАП
В идеальном ЦАП каждый конденсатор в конденсаторной матрице должен быть точно в два раза больше конденсатора, связанного с соседним, меньшим по весу битом. В многоразрядных АЦП (например, 16 бит) это приводит к слишком широкому диапазону величин конденсаторов, который невозможно реализовать экономически приемлемым способом. 16-разрядные АЦП (например, в МАХ195) используют конденсаторную матрицу, которая в действительности состоит из двух матриц – старшей и младшей, связанных между собой емкостной связью с целью уменьшения эффективной величины младшей матрицы. Конденсаторы в старшей матрице подгоняются при производстве для уменьшения разброса. Малые разбросы величин конденсаторов в младшей матрице оказывают незначительное влияние на 16-разрядный результат. К сожалению одной подгонкой не обеспечить 16-разрядное качество и не скомпенсировать его понижение под воздействием изменения температуры, питающего напряжения и других параметров. По этим причинам МАХ195 содержит калибровочные ЦАП для каждого из конденсаторов старшей матрицы. Эти ЦАП связаны емкостной связью с выходом главного ЦАП и смещают выход главного ЦАП в соответствии с управляющими ими кодами.
В течение калибровки определяются и сохраняются поправочные коды для каждого из конденсаторов старшей матрицы. Поправочный код подается на соответствующий поправочный ЦАП, когда соответствующий бит главного ЦАП находится в состоянии «1», компенсируя отклонение величины соответствующего конденсатора. Калибровка обычно инициируется пользователем или выполняется автоматически при включении питания. Чтобы снизить влияние шумов каждое калибровочное измерение повторяется много раз (около 14000 раз в МАХ195) и результаты измерений усредняются. Калибровку высокоточных АЦП необходимо повторять всякий раз, когда происходят значительные изменения напряжения питания, температуры, опорного напряжения или тактовой частоты, поскольку эти параметры влияют на смещение ЦАП. Если важна только линейность характеристики, то могут быть допущены без перекалибровки значительно большие изменения этих параметров. Поскольку калибровочные данные сохраняются в цифровой форме и нет необходимости повторять калибровку для сохранения точности.
Компаратор
Главными требованиями к компаратору являются быстродействие и точность. Смещение компаратора не влияет на линейность АЦП, поскольку оно проявляется как смещение характеристики преобразования. Кроме того, обычным является применение способов уменьшения смещения нуля. Шум, однако, остается и компаратор обычно разрабатывается так, чтобы иметь шум не более 1 LSB. Дополнительно от компаратора требуется различать напряжения с точностью всей системы, т.е. компаратор должен быть настолько же точным, как весь АЦП.