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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 ElapD5 - © 2014 DDC Multiplexer acquisizione ADC S/H Sample/Hold (Track/Hold) Filtro di ricostruzione Convertitore D/A D’ AA 2014-15 15/11/2014 - 1 Questa lezione condizionamento D Convertitore A/D Amplificatore di uscita DAC A’ 15/11/2014 - 2 ElapD5 - © 2014 DDC 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 15/11/2014 - 3 ElapD5 - © 2014 DDC FILTRO SU OGNI CANALE 15/11/2014 - 4 ElapD5 - © 2014 DDC 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) 15/11/2014 - 5 2014 DDC ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 6 ElapD5 - © 2014 DDC 1 ElapD5 15/11/2014 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 ElapD5 - © 2014 DDC 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 15/11/2014 - 7 Errore da Ioff RON Le IOFF percorrono RL// (RON+ RS), e generano un offset VUOFF in uscita. 15/11/2014 - 8 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 15/11/2014 - 9 ElapD5 - © 2014 DDC Le capacità parassite del multiplexer e del carico limitano la banda del segnale trasferito RS, RON e CP formano una cella bassa basso 15/11/2014 - 10 ElapD5 - © 2014 DDC Indice della lezione D5 • Multiplexer VUOFF ElapD5 - © 2014 DDC 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 15/11/2014 - 11 2014 DDC ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 12 tS2 tS3 ElapD5 - © 2014 DDC 2 ElapD5 15/11/2014 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 15/11/2014 - 13 ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 14 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 ElapD5 - © 2014 DDC – 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 15/11/2014 - 15 ElapD5 - © 2014 DDC TRACK HOLD • Il Sample/Hold o TRACK/HOLD può essere interpretato come una memoria analogica 15/11/2014 - 16 ElapD5 - © 2014 DDC 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 15/11/2014 - 17 2014 DDC ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 18 ElapD5 - © 2014 DDC 3 ElapD5 15/11/2014 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 – TH 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 15/11/2014 - 19 ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 20 ElapD5 - © 2014 DDC 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 15/11/2014 - 21 ElapD5 - © 2014 DDC S H 15/11/2014 - 22 Capacità parassite SW e Cm ElapD5 - © 2014 DDC 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) 15/11/2014 - 23 2014 DDC » Trasformare in unico voltage follower ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 24 ElapD5 - © 2014 DDC 4 ElapD5 15/11/2014 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 15/11/2014 - 25 – Altri SNRx da altre cause ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 26 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) ElapD5 - © 2014 DDC 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 15/11/2014 - 27 ElapD5 - © 2014 DDC 15/11/2014 - 28 ElapD5 - © 2014 DDC 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? 15/11/2014 - 29 2014 DDC ElapD5 - © 2014 DDC 5