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ElapD5
15/11/2014
Ingegneria dell’Informazione
Sistema completo di acquisizione
ELETTRONICA APPLICATA
E MISURE
A
Dante DEL CORSO
PROT
Protezione
D5 – MULTIPLEXER E SAMPLE/HOLD
»
»
»
»
Sistemi multicanale
Parametri ed errori di S/H
Circuiti Sample/Hold
Errori del S/H
Amplificatore
MUX
Filtro antialiasing
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Multiplexer
acquisizione
ADC
S/H
Sample/Hold
(Track/Hold)
Filtro di
ricostruzione
Convertitore
D/A
D’
AA 2014-15
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Questa
lezione
condizionamento
D
Convertitore
A/D
Amplificatore
di uscita
DAC
A’
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Lezione D5: multiplexer e S/H
Sistema per più canali
MULTIPLEXER
• Multiplexer
– Parametri
– Cause di errore
• Circuiti Sample/Hold
– Parametri
– Cause di errore
– Esempi di circuiti
• Riferimenti:
– D. Del Corso: Elettronica per Telecomunicazioni: cap. 4.4/6
– M. Zamboni: Elettronica dei sist. di interc. e acq.: cap. 4.4/5/6
– F. Maloberti: Understanding Microelectr…: Chapt. 7.3
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FILTRO SU
OGNI CANALE
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Multiplexer
• Deve selezionare un canale tra N
Multiplexer
• Struttura del multiplexer
– Non modificare il segnale in transito ( modificare poco)
– Bloccare completamente gli altri
( attenuare molto)
– Banco di interruttori realizzato con transistori MOS
• Parametri di un multiplexer
–
–
–
–
–
–
SW
I1
Ron
Ioff
Isolamento/feedthrough
Tempo di assetto
Frequenza massima
….
Per abbassare e linearizzare
Ron ogni interruttore è realizzato
con una coppia MOSp-MOSn
I2
VU
IN
Comando di selezione canale
• Ogni canale deve avere un proprio filtro (lezione D6)
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Errore da Ron
SW
RS
VS
VU
L’interruttore chiuso ha una
resistenza equivalente RON.
Tra VS e VU si forma un
partitore con la resistenza
del carico RL.
Nel multiplexer viene
chiuso un solo interruttore
SW per selezionare il
canale VS di ingresso da
collegare all’uscita VU.
RS
IOFF
RS
VS
VU
VS
RL
VU
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Nel multiplexer viene
chiuso un solo interruttore
SW per selezionare il
canale VS di ingresso da
collegare all’uscita VU.
RS
Ogni interruttore aperto ha
una corrente di perdita IOFF.
RON
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Errore da Ioff
RON
Le IOFF percorrono
RL// (RON+ RS), e generano
un offset VUOFF in uscita.
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Limite di banda
• Valori di Ron
RS
VS
RON
VU
CP
• Valori di Ioff
– A 25° C  Ioff = 10 nA …. 10 μA
– X 10 ogni 40° C
Le capacità parassite CDS
(ingresso-uscita) e CGD (segnale
di comando-uscita) causano un
errore di offset (piedestallo) e un
trasferimento di segnale non
previsto (feedthrough).
• Entrambe specificate come valore massimo
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Le capacità parassite del
multiplexer e del carico
limitano la banda del
segnale trasferito
RS, RON e CP formano una
cella bassa basso
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Indice della lezione D5
• Multiplexer
VUOFF
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Parametri tipici: Ron e Ioff
– MOS di potenza 0,1 …. 10 Ω
– MOS di segnale 10 …. 1000 Ω
– MUX integrati
1 …. 100 Ω
RL
IOFF
Comportamento ideale: Sample-Hold
• Funzione
– Parametri
– Cause di errore
– Campionare il segnale analogico I(t)
» Campionamento a t = ts (moltiplica I(t) per d(ts))
– Mantenere il segnale presentato al convertitore A/D costante
per la durata della conversione
• Modulo di Sample/Hold
– Parametri
– Cause di errore
– Esempi di circuiti
» Mantenimento: U(t) = I(ts)
tS
I(t)
U(t)
t
tS1
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tS2
tS3
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Comportamento reale: Track-Hold
• Circuiti reali:
Fasi e transizioni
1. Acquisizione e inseguimento (track)
– Due fasi, separate dal campionamento
– Uscita eguale all’ingresso
» Inseguimento (tracking): U(t) = I(t)
» Campionamento (sampling) a t = tS
» Mantenimento (hold): U(t) = I(ts), per tH < tS
2. Campionamento (Sample)
– Da inseguimento a mantenimento (Track  Hold)
tS
I(t)
3. Mantenimento (Hold)
tH
tH
– Uscita costante, corrispondente all’ingresso campionato
U(t)
4. Nuova acquisizione e inseguimento
– Da mantenimento a inseguimento (Hold  Track),
fino a uscita = ingresso
t
tS1
tS2
tS3
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Sequenza operativa
Campionamento
(sampling):
fase 2, campione A
Mantenimento
(Hold): 3 A
Circuito Track/Hold (Sample/Hold)
Acquisizione e
inseguimento: 1 B
Secondo
camp. : 2 B
V
Inseguimento
(track): fase 1
Funzione
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– Interruttore chiuso (ON): Vo(t) = V’i(t)
– Interruttore aperto (OFF): Vo(t) = V’i(ts)
t
TRACK HOLD TRACK HOLD
VI
VO (in HOLD)
Hold II camp.:
3B
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 TRACK
 HOLD
• Il Sample/Hold o TRACK/HOLD può essere
interpretato come una memoria analogica
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Acquisizione e inseguimento (1.A)
Errori in acquisizione (1.A)
• In fase di tracking Vu = Vi:
• S/H diventa un amplificatore (guadagno unitario)
– Errori statici
» Guadagno,
» Offset,
» (nonlinearità)
• Carica del condensatore attraverso Rg
– Tempo di acquisizione
– Parametri/errori dinamici
» Tempo di assetto (settling time)
» Banda
• Partizione di Vi tra Rg e RL
– Errore di guadagno
• La precisione complessiva dipende anche da questi
parametri
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Errori al campionamento (2.A)
• Errori in tempo
Mantenimento (3.A)
• La carica sul condensatore varia
– Ritardo di apertura di SW (aperture delay):  tA
– Variazioni del ritardo (aperture jitter):
 tJA
– Errore per jitter di apertura:
ΔVJA = tJA* SRmax
< errore di
quantizzazione
– TH in tS:
∆VJA
tempo di assetto
• Errori in ampiezza:
– Piedestallo:
iniezione di cariche
attraverso SW
ΔVP =
ΔVc Cp/(Cp+Cm) T
H
tJA
∆VP
Tempo di
assetto tS
tA
– Errore di decadimento
• Imperfetto isolamento dal segnale di ingresso
– Errore di
feedthrough
• Polarizzazione
del dielettrico
– Deriva a medio/
lungo termine
della tensione
su Cm
(non indicato)
ADC può
iniziare qui
∆VC
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Errori in fase di mantenimento (3.A)
Nuova acquisizione (1.B)
• L’uscita riprende l’ingresso (entro la precisione voluta)
dopo il tempo di acquisizione TACQ
– Banda (risposta al transitorio)
– Slew rate
TACQ
• Scarica del condensatore su RL
– Decadimento
• Passaggio cariche in SW aperto
– Feedthough
• Iniezione di cariche dal comando di SW
T
H
– Piedestallo
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S
H
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Capacità parassite SW e Cm
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Isolamento di generatore e carico
• Due voltage follower isolano generatore e carico
L’interruttore SW è
realizzato con
transistori MOS.
Le capacità parassite
del MOS formano
partitori capacitivi con
la capacità di
memoria Cm:
• Interruttore fluttuante
– Comando più complesso
Vi  Vo: feedthrough
(causato da CDS)
» Maggiore feedthrough e piedestallo
• Cumulo degli errori di offset e di guadagno
Vg  Vo: piedestallo
(causato da CGD)
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» Trasformare in unico voltage follower
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Errori di piedestallo e di feedthrough
• Errore di feedthrough
Jitter di campionamento
• Il passaggio S  H avviene con un ritardo di apertura
(TA) rispetto al comando di campionamento TS
– Partizione di Vi tra la capacità parassita CDS e Cm
• TA è affetto da rumore:
• Errore di piedestallo
– Jitter di campionamento (TJ)
– Partizione di Vg tra la capacità parassita CGD e Cm
» Produce errore sul segnale (rumore), pari alla variazione del
segnale in TJ
• Errore di decadimento
– Errore in ampiezza dovuto al jitter di campionamento:
– Scarica di Cm sul carico e perdite dell’interruttore
∆V pari a ∆T * slew rate: ∆Vj = SR·TJ
• Aumentando Cm
• SNRj:  rapporto segnale/rumore dovuto al
jitter di campionamento
– Diminuiscono gli errori di feedthrough e piedestallo
– Aumenta il tempo di acquisizione TACQ
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– Altri SNRx da altre cause
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Valutazione SNRtot
• SNRtotale è dato dalla somma di vari termini:
–
–
–
–
Rumore di quantizzazione (numero di bit),
Rumore di aliasing (cadenza di campionamento Fs e filtro),
Errore di jitter (jitter di apertura S/H e Slew Rate del segnale)
Errori della catena di condizionamento (offset, guadagno)
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Numero effettivo di bit: ENOB
• L’errore totale è espresso dal parametro ENOB
(Effective Number Of Bits)
– Si ricava a partire da SNR totale calcolato o misurato sul
sistema d’acquisizione con un segnale sinusoidale di
ampiezza pari al fondo scala (S) in ingresso:
– Tiene conto del rumore totale SNRtot (quantizzazione,
aliasing, jitter di campionamento, …)
• Errore totale:
– Somma di termini
statisticamente
indipendenti (Ai)
– Valutabile sommando
le varie potenze di
rumore
– Ricavabile risolvendo in N: SNRq = (6 N + 1,76) dB
 ENOB = (SNRtot -1,76)/6 = SNRtot/6-0,3
• Rappresenta il numero effettivo di bit significativi per il
convertitore in esame
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Verifica lezione D5
• Quali errori introduce il multiplexer?
• Quali parametri limitano il numero massimo di canali che può
essere gestito da un unico multiplexer?
• Quali parametri del multiplexer limitano la banda dei segnali che
può trattare?
• Come si può mettere in relazione l’errore dovuto al jitter di
campionamento con la frequenza del segnale?
• Quali errori introduce il modulo S/H?
• Quali parametri del S/H definiscono la banda del segnale che
può essere campionato correttamente?
• Quali vantaggi e quali inconvenienti porta aumentare la capacità
di mantenimento di un S/H?
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