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ElapD4 04/11/2014 Ingegneria dell’Informazione Lezione D4 • Strutture per convertitori A/D veloci ELETTRONICA APPLICATA E MISURE – Convertitori a residui e pipeline – Analisi di complessità e velocità • Convertitori differenziali Dante DEL CORSO – Sovracampionamento – Convertitori delta e sigma-delta D4 – CONVERSIONE A/D - 2 » » » » Convertitori a residui Convertitori con pipeline Convertitori differenziali Sovracampionamento • Convertitori logaritmici • Riferimenti: » D. Del Corso: Elettronica per Telecomunicazioni: cap. 4.5 » M. Zamboni: Elettronica dei sistemi di interc. e acq.: cap. 4.7 » F. Maloberti: Understanding Microelectr…: Chapt. 7.6, 7.7 AA 2014-15 04/11/2014 - 1 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 2 ElapD4 - © 2014 DDC Classificazione dei convertitori A/D Complessità convers. • • • • • Parallelo (flash) Pipeline Residui Appross. Successive Inseguimento 2N Tempo di Approssimazioni successive • Il segnale di ingresso viene confrontato con S/2: il risultato determina il MSB – MSB = 0: confronto successivo con S/4 – MSB = 1: confronto successivo con 3S/4 1 » il risultato determina MSB - 1 » ….. 1 1 N 2N A + A’ - SAR: Logica di approssimazione CK D • Complessità: legata al numero di comparatori. • Tempo di conversione: legato al numero massimo di cicli di clock richiesti per eseguire una conversione. .04/11/2014 -3 ElapD4 - © 2014 DDC convertitore D/A 04/11/2014 - 4 ElapD4 - © 2014 DDC Confronti nel convertitore con SAR • Sequenza di confronti e decisioni eseguiti nel convertitore ad approssimazioni successive: • Al primo passo A viene confrontato con S/2 – dato che A > S/2 il MSB viene messo a 1 – 1 (MSB): A > S/2? – 2 (MSB-1) ovvero ovvero A > S/4 + S/2 MSB? A - S/2 MSB > S/4? 2(A - S/2 MSB) > S/2? (confronto con S/2) • Posto – Conversione a residui - 1 (confronto con S/2) S A - S/2 MSB = R1 (residuo del MSB) A S/2 2 R1 > S/2? • L’algoritmo delle approssimazioni successive esegue una catena di confronti tra il residuo Ri della conversione precedente e S/2. 04/11/2014 - 5 2014 DDC ElapD4 - © 2014 DDC t 0 S = S/2 A > S/2 ? 04/11/2014 - 6 ElapD4 - © 2014 DDC 1 ElapD4 04/11/2014 Conversione a residui - 2 • Il residuo della conversione del MSB è R1 Conversione a residui - 3 • Dato che 2R1 < S/2 il MSB-1 viene messo a 0 – R1 viene amplificato (x 2) e confrontato con S/2 – il residuo della conversione del MSB-1 è R2 – R2 viene amplificato (x 2) e confrontato con S/2 S S 2 R2 A S/2 A S/2 R1 2 R1 2 R1 t 0 S = S/2 MSB = 1 R1 S = S/2 2R1 > S/2 ? t S = S/2 MSB = 1 04/11/2014 - 7 R2 0 ElapD4 - © 2014 DDC S = S/2 2R2 > S/2 ? 04/11/2014 - 8 ElapD4 - © 2014 DDC Conversione a residui - 4 • Dato che 2R2 > S/2 il MSB-2 viene messo a 1 S = S/2 MSB-1 = 0 Conversione a residui - 5 • Ri = differenza tra A e sua approssimazione – il residuo della conversione del MSB-2 è R3 – il procedimento continua per i bit successivi – a ogni passo il residuo viene amplificato (x 2) e riconfrontato con S/2 S S 2 R2 A S/2 2 R2 R1 A S/2 R3 2 R1 2 R1 R2 t 0 S = S/2 MSB = 1 R1 S = S/2 MSB-1 = 0 R2 t 0 S = S/2 MSB = 1 S = S/2 MSB-2 = 1 04/11/2014 - 9 R3 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 10 S = S/2 MSB-1 = 0 S = S/2 MSB-2 = 1 ElapD4 - © 2014 DDC Convertitore a residui – singolo bit Convertitore a residui - complessivo • La struttura a residui richiede, per ciascun bit – – – – Amplificatore x 2 Comparatore D/A a 1 bit Sommatore (A; per riportare il residuo al fondo scala) (C; per decidere il valore del bit) (per ricostruire l’approssimazione) (S; per calcolare il residuo) Amplificatore R1 Comparatore 2*R1 R1 2*R1 R2 R2 Sommatore 04/11/2014 - 11 2014 DDC 2*R2 D/A 1 bit ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 12 ElapD4 - © 2014 DDC 2 ElapD4 04/11/2014 Confronto con altre tecniche • Convertitore a residui su N bit: – N comparatori; N cicli di confronto • Convertitore ad approssimazioni successive su N bit: – 1 comparatori; Convertitori pipeline • Inserendo elementi di memoria nei convertitori a più stadi, è possibile operarare su campioni successivi nello stesso tempo: – Sequenza di campioni all’ingresso : A, B, C, D, ... N cicli di confronto • Confronto residui approssimazioni successive – Maggiore complessità: – Stessa velocità: stadio N comparatori contro 1 N cicli 1 2 3 4 • ADC a residui: nessun vantaggio rispetto a quelli noti – Svantaggio: maggior numero di comparatori tempo: t1 t2 t3 t4 A X X X B A X X C B A X D C B A – A t4 è disponibile il risultato della conversione di A • Diventa interessante con la tecnica pipeline – Tempo di conversione “equivalente” più breve 04/11/2014 - 13 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 14 ElapD4 - © 2014 DDC Struttura di convertitore pipeline Confronto con altre tecniche • Un convertitore con pipeline su N bit richiede: – N comparatori – N cicli di confronto (per completare la conversione di un campione) – Fornisce un risultato completo a ogni confronto • Tempo di conversione: – Conversione in 1 ciclo (throughput) – Latenza di N cicli • Velocità del flash con N comparatori (contro 2N) • Ritardo nella disponibilità del risultato (non rilevante) 04/11/2014 - 15 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 16 Classificazione dei convertitori A/D Complessità • • • • • Parallelo (flash) Pipeline Residui Appross. Successive Inseguimento 2N N N 1 1 Tempo convers. 1 1 N N 2N ElapD4 - © 2014 DDC Generalizzazione • I convertitori a residui possono essere con o senza pipeline – Il ritardo di conversione non cambia – Il throughput (inverso di Tc “equivalente”) aumenta • Le tecniche a residui (con o senza pipeline) possono essere usate su più bit • Complessità: legata al numero di comparatori. • Tc: max di cicli di clock per eseguire una conversione. – Il comparatore diventa un A/D a N bit – La ricostruzione del valore approssimato richiede D/A da N bit – L’amplificatore guadagna 2N • Possibili diversi compromessi complessità/velocità • Alcune tecniche di scarso interesse, altre “ottime” .04/11/2014 - 17 2014 DDC ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 18 ElapD4 - © 2014 DDC 3 ElapD4 04/11/2014 Esempi: A/D da 8 bit Convertitori a residui multibit • Flash a 8 bit: » Numero di comparatori: » Tempo di conversione: 28-1 = TC MSB, ….. (D7, 6, 5, 4) A/D - 4bit 255 + 4 A/D - 4bit 4 2 celle da 4 bit Tc(A/D) + Ta(D/A) + Tc(A/D) 4(22-1) = 12 4TC + 3 TDA + Convertitore A/D 8 bit a residui 04/11/2014 - 19 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 20 • Strutture per convertitori A/D – Strutture a residui e pipeline – Analisi di complessità e velocità – Strutture miste 2(24-1) = 30 1/(TC + TDA + TSH) 2(TC +TDA +TSH) • Convertitori differenziali – Sovracampionamento – Delta e sigma-delta – Quattro flash da 2 bit in cascata: 4(22-1) = 12 1/(TC + TDA + TSH) 4(TC+TDA +TSH) 04/11/2014 - 21 • Conversone nonlineare – Applicazioni a segnale vocale ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 22 Conversione differenziale • Viene quantizzata la differenza tra valore attuale e valore precedente (ricostruito) 2014 DDC ElapD4 - © 2014 DDC ElapD4 - © 2014 DDC Convertitore delta (∆) • Convertitore differenziale a integratore – L è una serie di impulsi positivi o negativi, a cadenza Tck – Il segnale ricostruito AR è l’integrale di L » Conversione A/D a 1 bit (comparatore) » Flusso seriale di bit non pesati (comando U/D di A/D a inseguimento) 04/11/2014 - 23 LSB+1, LSB (D1, D0) Lezione D4 – Due flash da 4 bit in cascata: » Numero di comparatori: » Cadenza di conversione: » Tempo di latenza A/D - 2bit ElapD4 - © 2014 DDC Esempio: A/D da 8 bit con pipeline • Strutture a residui con memoria (analogica) all’ingresso di ogni stadio (pipeline) D/A - 2bit 4 4 celle da 2 bit » Numero di comparatori: » Cadenza di conversione: » Tempo di latenza D3, D2 A/D - 2bit Tc complessivo: – Quattro flash da 2 bit in cascata: » Numero di comparatori: » Tempo di conversione: D/A - 2bit + Convertitore A/D 8 bit a residui 2(24-1) = 30 2TC + TDA D5, D4 A/D - 2bit D3, 2, 1, 0 – Due flash da 4 bit in cascata: » Numero di comparatori: » Tempo di conversione: D/A - 2bit + D/A - 4bit 16 • Tecniche a residui: MSB, MSB-1 (D7, D6) A/D - 2bit 04/11/2014 - 24 ElapD4 - © 2014 DDC 4 ElapD4 04/11/2014 Segnali nel convertitore ∆ Dinamica del convertitore ∆ • L è una serie di impulsi + o -, a cadenza Fck = 1/Tck • Il segnale ricostruito R è l’integrale di L • A ogni impulso R si sposta di γ . • dinamica: – Vi minimo rilevato (idle noise): γ/2 – Slew rate massimo: γ/Tck 04/11/2014 - 25 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 26 ElapD4 - © 2014 DDC Vantaggi e limiti del convertitore ∆ • Un convertitore differenziale tipo ∆ Convertitore differenziale Σ∆ • Dinamica legata allo slew rate del segnale – Non richiede componenti precisi – Il convertitore ∆ ha una dinamica limitata, – Per ampliare la dinamica: limitare lo slew rate ridurre l’ampiezza al crescere della frequenza – Integratore all’ingresso – Derivatore in uscita • Limiti per i segnali trattati – Livello minimo rilevabile: γ – Limite superiore (dinamico): overload – γ corrisponde a AD di un convertitore standard • Dinamica legata alla cadenza di clock – Non dipende da γ – Dinamica pari a Fck/p Fs 04/11/2014 - 27 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 28 Convertitore Sigma-Delta • Per semplificare il sistema – Raggruppare i due integratori sugli ingressi del sommatore – Eliminare la coppia integratore/derivatore nel D/A A/D 2014 DDC Rumore di quantizzazione nel Σ-∆ • Nel Σ-∆ il rumore di quantizzazione εq viene introdotto dopo l’integratore D/A • La fdt tra rumore N e uscita Y è di tipo passa-alto – Rimangono i filtri anti-aliasing di ingresso e di uscita (non indicati) 04/11/2014 - 29 ElapD4 - © 2014 DDC ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 30 ElapD4 - © 2014 DDC 5 ElapD4 04/11/2014 Sovracampionamento e decimazione Schema a blocchi completo • Aumentando la cadenza di campionamento – Rumore di quantizzazione sparso su banda più ampia » Riduzione della potenza di rumore in banda base » Specifiche meno stringenti per i filtri anti aliasing A filtrato • Svantaggio: – Maggior numeri di bit da trattare, maggior consumo D seriale, cadenza alta D parallelo, cadenza bassa • Soluzione: decimazione – Filtraggio digitale dell’uscita – Sposta il filtro dalla parte analogica a quella digitale – Operazione inversa (interpolazione) al D/A 04/11/2014 - 31 DECIMATORE A – Allontanamento degli spettri secondari A’ ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 32 ElapD4 - © 2014 DDC Quantizzazione lineare e logaritmica • Conversione A/D con caratteristica lineare Quantizzazione nonlineare • Quantizzazione lineare (intervalli AD costanti) – Intervalli di quantizzazione costanti D – Potenza del rumore di quantizzazione costante – SNRq dipende dal livello del segnale • Conversione A/D con caratteristica logaritmica – Intervalli proporzionali all’ampiezza del segnale » Segnali di basso livello AD piccolo » Segnali di ampio livello AD grande A AD1 • Quantizz. nonlineare (AD variabile) – Potenza del rumore di quantizzazione variabile » Errore più piccolo per segnali di basso livello (quantizzazione più fine per livelli bassi) – Stessa “qualità” per segnali di ampiezze differenti ElapD4 - © 2014 DDC AD2 SNRq – Potenza del rumore di quantizzazione legata al livello del segnale – SNRq indipendente dal livello del segnale • SNRq indipendente dal livello del segnale 04/11/2014 - 33 INTERPOLATORE S 04/11/2014 - 34 ElapD4 - © 2014 DDC Conversione del segnale vocale Convertitori logaritmici reali • Per segnali piccoli la quantizzazione ritorna lineare, quindi SNRq varia con l’ampiezza (6 dB/ottava) • Segnale vocale caratterizzato da – Ampia dinamica » SNRq variabile con l’ampiezza del segnale Oltre il fondo scala, rumore di Overload SNRq – Distribuzione di ampiezza esponenziale » Livelli bassi maggiormente probabili » Basso SNRq “medio” • Conversione A/D con legge logaritmica Ampiezza – SNRq costante su ampia dinamica di segnale » SNRq medio più alto » Minor numero di bit (N) per un determinato SNRq 04/11/2014 - 35 2014 DDC Legge lineare, SNRq variabile ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 36 S Zona con passo di quantizzazione variabile: Legge logaritmica, SNRq costante ElapD4 - © 2014 DDC 6 ElapD4 04/11/2014 Esercitazione di laboratorio 3 • Funzionamento ed errori di un convertitore D/A • In un convertitore a residui con stadi da 2 bit, quale deve essere il guadagno degli amplificatori? – Convertitore D/A con resistenze pesate o rete a scala, deviatori di tensione, uscita in tensione – Pilotaggio con circuiti logici CMOS (contatore) – Misura della caratteristica di conversione A(D) – Calcolo della retta approssimante e degli errori • Quali sono i vantaggi e i difetti dei convertitori pipeline? • Tracciare lo schema a blocchi per un convertitore pipeline da 12 bit realizzato con A/D flash da 4 bit. • Elencare vantaggi e svantaggi della conversione differenziale • Passaggio a convertitore A/D a inseguimento • Quale parametro determina la dinamica di un convertitore differenziale? – Verifica della dinamica e dello slew rate • Quali sono i vantaggi del sovracampionamento? • Riferimenti – Del Corso: Convertitore con rete a scala – Manuale su sito Areeweb…. 04/11/2014 - 37 2014 DDC Verifica lezione D4 • Quale è il vantaggio principale della conversione logaritmica? 4.L1 ElapD4 - © 2014 DDC 04/11/2014 - 38 ElapD4 - © 2014 DDC 7