всё о микросхемах / Микросхемы для АЦП и мультимедиа

+VS

100

ENCODE 8

улучшить характеристики радиоприемника. При высоких ПЧ применение АЦП является ключевым для улучшения характер истик приемника.

радиочастотных системах. Характеристики АЦП чаще всего задаются в терминах SNR и суммарного коэффициента гармоник .

К сожалению, характеристики, используемые разработчикам и приемников и производителями АЦП, часто очень сильно различаются. Шумовое Число и Точка Пересечения (Intercept Point) являются обычными мерами шума и линейности в аналоговых

ØÓÌ

Шумовое Число (NF – Noise Figure) – это мера чувствительности приемника; оно определяется как ухудшение отношения сигнал/шум (SNR) по мере прохождения сигнала через прибор. В

математической форме:

NF = SNR(на входе) – SNR(на выходе)

Шумовое число является инвариантным относительно ширин ы полосы частот параметром для достаточно узких частотных полос в большинстве приборов. Системное шумовое число, например, для комбинации усилителей и микшеров, может быть проанализировано безотносительно к информационной поло се частот.

Вклад теплового шума АЦП проявляется аналогичным образо м; однако спектральная плотность шума квантования являетс я функцией частоты отсчетов. В дополнение к этому спектраль ная плотность шума квантования является постоянной по часто те только для АЦП с идеальной линейностью, т.е. со ступеньками, точно равными 1 МЗР (т.е. разность входных уровней, соответствующих соседним переключениям кода, в точности равна 1 МЗР = “Полная шкала” / 4096 ).

Чтобы проанализировать шумовые характеристики системы, вычисляем шумовое число АЦП, нормализуя SNR выходного сигнала АЦП к полосе частот шириной 1 Гц. Результат получается из формулы:

SNR(1Ãö) = SNR + 10 log10(FS/2), ãäå FS – частота дискретизации.

Это будет верным только для преобразователей, в которых доминирует идеальный шум квантования. АЦП может иметь некоторую верхнюю граничную частоту отсчетов, выше котор ой тепловой шум АЦП является доминирующим. В этом случае нормализация будет основываться на шумовой полосе часто т АЦП. Для AD9022 с типичным значением SNR 64 = дБ и частотой отсчетов 20 MSPS нормализованное значение SNR равно 134 дБ (64+70). Это значение учитывает вклад как теплового шума, так и шума квантования.

Предполагается, что SNR на входе ограничивается тепловым шумом входного сопротивления: –174 дБm/Гц. Уровень входного сигнала равен 10 дБm (размах 2 В на сопротивлении 50 Ом). Шумовое число АЦП может быть вычислено по формуле:

NF = SNR(на входе) - SNR(на выходе) = [+10 – (174)] – 134 = 50 дБ

Большинство АЦП фиксируют уровень входного напряжения, а не мощность. Следовательно, можно определить входное SNR более точно, если найти отношение напряжения сигнала к шумовому напряжению выходного сопротивления. Однако как входной с игнал, так и шумовое напряжение, подаваемые на вход АЦП, зависят т акже от импеданса источника. Зависимость NF от частоты дискретизации, линейности, импеданса источника и оконечн ого

Рис. 5. Отношение Сигнал/Шум (SNR) в зависимости от частоты входного сигнала

SNR, äÁ

Рис.6. Динамический диапазон, свободный от паразитных компонент (SFDR) и Отношение Сигнал/Шум (SNR) в зависимости от уровня входного сигнала (AIN = 1.2 ÌÃö)

SFDR, SNR, äÁ

Рис. 7. Динамический диапазон, свободный от паразитных компонент (SFDR) и Отношение Сигнал/Шум (SNR) в зависимости от уровня входного сигнала (AIN = 9.6 ÌÃö)

SFDR, SNR, äÁ

Рис. 8. Диаграмма БПФ (AIN = 1.2 ÌÃö)

Полная шкала, дБ

0

0 10

Рис. 9. Диаграмма БПФ (AIN = 9.6 ÌÃö)

Полная шкала, дБ 0

A= 9.6 ÌÃö

–10

–20

–30

–40

–50

–60

–70

–80

–90

–100

Рис. 10. Диаграмма БПФ для двух входных тонов

Полная шкала, дБ 0

A= 8.9 ÌÃö

импеданса, а также целый ряд допущений, которые необходим о сделать, делают очевидным неудобство использования NF для оценки качества АЦП. Довольно большое получаемое в результате вычислений значение также свидетельствует об этом, указы вая на то, что АЦП часто является слабейшим элементом в цепи обра ботки сигнала.

ЛИНЕЙНОСТЬ

Для линейного устройства (с небольшой нелинейностью) мет од точки пересечения третьего порядка является хорошим спо собом предсказания паразитных сигналов 3 –его порядка как функц ии от уровня входного сигнала. Для АЦП этот метод, однако, являет ся неправильным, кроме случая, когда амплитуда сигнала почти равна полной шкале. По мере того как амплитуда входного сигнала снижается, характеристики преобразования определяются все более не входным УВХ, а собственно схемой преобразования. Следствием этого является нелинейная функция, в противоположность поведению точки пересечения третьего порядка, которое предсказывает увеличение динамическог о диапазона по мере уменьшения уровня сигнала.

Для сигналов с амплитудой, почти равной полной шкале, точк а пересечения вычисляется так же, как и для любого другого прибора:

Точка пересечения = [Подавление гармоник/(N –1)] + Входная мощность, где N = порядку IMD –компоненты (в нашем случае 3)

Для AD9022 точка пересечения = 80/2 + 3 дБm (–7 дБm от полной шкалы) = 43 дБm.

Для сигналов ниже этого уровня кривые динамического диап азона, свободного от паразитных компонент (Spurious Free Dynamic Range

– SFDR), приводимые в этом описании, более точно предсказывают динамический диапазон. Кривая SFDR представляет собой отношение амплитуды сигнала (любого из двух тонов при двухтональных измерениях) к амплитуде максимальной наблюдаемой паразитной компоненты, измеренное при разли чных значениях амплитуды сигнала.

Максимальным паразитным сигналом обычно является втора я гармоника или интермодуляционная компонента 3-его порядк а. Результаты измерений показаны на нескольких графиках.

Проводится прямая линия с наклоном, равным 1, касающаяся кривой SFDR снизу, т.е. в точке касания будет наихудшее значение SFDR. Эта прямая, экстраполированная до амплитуды сигнала, равной полной шкале, дает значение SFDR АЦП. На основании этой величины можно далее предсказывать динамический диапаз он, просто вычитая уровень входного сигнала из значения SFDR. Например, как показано на графике двухтонового SFDR, сигнал с амплитудой –20 дБ от полной шкалы будет всегда иметь динамический диапазон как минимум 67 дБ (87 дБ – 20 дБ).

Следует отметить, что все графики SFDR по построению верны только для сигналов с амплитудой ниже определенного уров ня. Для сигналов с большими амплитудами характеристики линейно сти прибора определяются в основном нелинейностями входног о каскада и более точно предсказываются точкой пересечени я.

ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ AD9022

Быстродействующие широкополосные АЦП, такие как AD9022, оптимизированы для достижения лучших динамических характеристик в широком диапазоне частот входного сигна ла. Однако есть целый ряд применений (обработка изображений, измерительные приборы и т.д.), в которых также важна статическая точность. Вследствие широкой входной полосы частот AD9022, для заданного входного напряжения существует определенный диапазон выходных кодов, которые могут получиться в резул ьтате преобразования. Это вызвано неизбежным внутрисхемным шу мом в широкополосных цепях АЦП. Если подать на вход АЦП постоя нный сигнал и записать результаты нескольких тысяч преобразований, то будет получено распределение кодов, аналогичное приведе нной ниже гистограмме.

В большинстве случаев мы имеем правильное значение кода, но появляются также и соседние коды, хотя и с меньшей вероятностью. Если к этому гауссовскому распределению ко дов подогнать кривую плотности вероятности нормального распределения, то стандартное отклонение будет эквивале нтно среднеквадратическому значению (rms) входного шума АЦП. Приближенную величину rms шума можно также найти, преобразовав SNR, измеренное при помощи низкочастотного БП Ф, в эквивалентный входной шум. Этот метод точен только если SNR определяется главным образом хаотичным тепловым шумом (наилучшим параметром является SNR для низкой частоты без гармоник). 63 дБ эквивалентно среднеквадратическому значе нию младшего значащего разряда для входного сигнала с размах ом 2 В (0.707 В rms). AD9022 имеет шум (rms) примерно 0.5 МЗР, или ограниченное шумом значение SNR = 69 дБ, что указывает на то, что один шум сам по себе не ограничивает параметр SNR AD9022 (шум квантования и нелинейности также вносят существенный вк лад).

Есть несколько источников теплового шума. Дискретизирую щие АЦП обычно имеют входную полосу частот, которая превышает найквистовскую частоту, т.е. больше 1/2 частоты дискретизации. AD9022 имеет входную полосу частот более 100 МГц, хотя частота дискретизации ограничена значением 20 MSPS. Широкая полоса частот требуется для того, чтобы свести к минимуму погреш ности усиления и фазовые искажения, и чтобы иметь приемлимые времена установления во внутренних усилителях и УВХ. Одна ко в УВХ и в других широкополосных схемах внутри АЦП неизбежно генерируется определенное количество шума; это приводит к вариациям выходного кода для постоянных входных сигнало в.

Для уменьшения влияния теплового шума импеданс источник а сигнала должен быть низким.

РАЗВОДКА ПЛАТЫ

Преобразование в AD9022 инициируется передним фронтом тактового сигнала ENCODE (#8). Все необходимые управляющие сигналы генерируются внутри АЦП. Следует обратить вниман ие на то, чтобы тактовый сигнал ENCODE AD9022 не имел фазового дрожания, которое может ухудшить динамические характери стики. Драйвер тактового сигнала должен быть совместим с логиче скими ИС серии LS (маломощные ТТЛШ). Драйверы с очень большой скоростью нарастания выходного напряжения и, следовател ьно выбросами, приведут к ухудшению динамических характерис тик AD9022.

Чтобы полностью реализовать характеристики АЦП, необход имо также контролировать длительность импульса ENCODE (т.е. длительность полупериода ENCODE =”1”). Динамические характеристики гарантируются для длительности импульса ENCODE =”1” как минимум 25 нс. Меньшая длительность тактового импульса приведет к ухудшению SNR и динамических характеристик. С точки зрения разработки схемы это в обще м случае не приведет к затруднениям, так как если системный тактовый сигнал имеет длительность полупериода с высоки м уровнем меньше 25 нс, то можно использовать обычный инверто р для генерации подходящего тактового сигнала АЦП. При выво де из AD9022 данные фиксируются в выходном регистре –фиксаторе.

ANALOG DEVICES

AD9040A

10-РАЗРЯДНЫЙ АЦП С ЧАСТОТОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ 40 MSPS

ОСОБЕННОСТИ

ωОтношение Сигнал/Шум (SNR) для входного сигнала 10 МГц . . . . 53 дБ

ωРасположенные на кристалле УВХ и ИОН

ωРазмах аналогового входного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . до 2 В

ωПолный контроль динамических характеристик при изготов лении

ωТТЛ/МОП-совместимые логические сигналы

ПРИМЕНЕНИЕ

ωУльтразвуковое медицинское оборудование для получения изображений внутренних органов

ωЦифровые осциллографы

ωПрофессиональное видеооборудование

ωЦифровые средства связи

ωСовременные TV-системы (декодеры типа MUSE)

ωИзмерительные устройства

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ

D9040A — это монолитный 10-разрядный дискретизирующий АЦП с расположенными на кристалле устройством выборки–хранен ия, (УВХ) и источником опорного напряжения (ИОН). ИС предназнач ена для недорогих, но имеющих высокое качество и быстродейств ие схем, работающих с частотой дискретизации до 40 MSPS и разрешением 10 разрядов. Для работы AD9040A необходим только один управляющий сигнал ENCODE.

Логические входные и выходные сигналы МОП-совместимы; размах сигнала на аналоговом входе — до 2 В. Использованная в AD9040A двухкаскадная архитектура оптимизирована для достижения наилучших возможных динамических характерис тик,

сохраняя при этом низкое среднее потребление мощности — 940 мВт. Максимальное потребление составляет 1.1 Вт.

Отношение Сигнал/Шум (SNR), включая гармоники, составляет 53 дБ или 8.5 эффективных разрядов (ENOB) при дискретизации входного сигнала 10.3 МГц с частотой дискретизации 40 MSPS. Другие аналогичные АЦП едва достигают значения 7.5 ENOB, и при этом требуют внешних опорных напряжений и большей амплит уды сигнала.

AD9040A