integrisana kola sa mešovitim signalimaintegrisana kola sa...

Integrisana kola sa mešovitim signalimaIntegrisana kola sa mešovitim signalima

Prof. Dr Predrag Petković,o . ed ag e ov ć,Dejan Mirković

Katedra za elektronikuElektronski fakultet Niš

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 1


Sadržaj:I Uvod - osnovni pojmoviI. Uvod - osnovni pojmoviII. Lejaut analognih modulaIIa Projektovanje CMOS operacionogIIa Projektovanje CMOS operacionog

pojačavačaIII. Projektovanje modula sa mešovitim

signalimaIV. Planiranje rasporeda modulaV VHDL AMSV. VHDL - AMS



Sadržaj:III Projektovanje modula sa mešovitim signalima3.1 Osnove konverzije signala 3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertore3.3 SC kola (Kola sa komutiranim kondenzatorima) 3.4 Kolo za uzorkovanje signala (sample and hold) 3.5 Razvođenje napajanja u kolima sa mešovitim signalima3.6 Praktična realizacija Sigma-Delta AD konvertora 3.7 Praktična realizacija DA konvertora

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

3

3.8 Budućnost integrisanih kola i sistema sa MS

Projektovanje modula sa mešovitim signalima

3.1 Osnove konverzije signala



• Statički parametri• Prenosna karakteristikaPrenosna karakteristika

• Dinamički parametri

P š j f k ij k d (š i )•Ponašanje u frekvencijskom domenu (šum, propusni opseg)






Idealna prenosna karakteristikaIdealna prenosna karakteristika


ADC DAC





Li i blič jRealna prenosna karakteristika

Linearna izobličenja:• Razdešenost - offset• Odstupanje pojačanjaOdstupanje pojačanja• Kombinovana greška

N li i blič jNelinearna izobličenja:• Integralna nelinearnost - INL• Diferencijalna nelinearnost - DNLDiferencijalna nelinearnost DNL






Razdešenost - offset Kombinovana greškaStatička - linearna izobličenja

Razdešenost offset Kombinovana greška

Odstupanje pojačanjaLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 7

p j p j j





INLStatička - nelinearna izobličenja

DNLINL DNL

DNL - ADC DNL -DACLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 8




3.1 Osnove konverzije signala Statička - nelinearna izobličenja DAC

INL = maksimalno odstupanje od prave koja povezuje srednje vrednosti krajnjih tačaka

az [V

]

DNL = max razlika i međ d a kôda

Anal

ogni

izla između dva kôda

veća od 0.5 LSB

A


Digitalni ulaz




3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenja

Kako nastaju?Kako nastaju?• Uzorkovanje• Diskretizovani nivoiDiskretizovani nivoi• Diskretizovano vreme











Diskretizovani nivoi+ Diskretizovano vremeDiskretizovano vreme= Šum kvantizacije





3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaGreške diskretizacijeGreške diskretizacije

q±


2±




3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaGreška kvantizacije Rezolucija konvertoraGreška kvantizacije

1=q O 0 < < V

Rezolucija konvertora

12 −= nq Opseg: 0 <v < Vmax

121−= nq Opseg: -Vmax < v < Vmax

za -Vmax < v < 0

q±


2±




3.1 Osnove konverzije signalaGreška kvantizacije

Primer 3 1:Primer 3.1: Analogni signal Va u opsegu od Vamin=0 do Vamax=10V treba konvertovati u n-bitni signal, n=8. Odrediti: a) Kolika je rezolucija konverzije u voltima, Δ=? b) K j di it l č d d ti d 6V D ?b) Koja digitalna reč odgovara vrednosti od 6V, D6V=? c) Koja reč odgovara vrednosti od 6.2V, D6.2V=? d) Kolika je apsolutna greška kvantizacije ε?d) Kolika je apsolutna greška kvantizacije ε? e) Kolika je relativna greška u odnosu na ulazni signal, εr? f) Kolika je relativna greška u odnosu na opseg pune skale, εrFS?


rFSg) Kolika je maksimalna greška kvantizacije u odnosu na opseg pune skale, εMAXFS =?




3.1 Osnove konverzije signalaGreška kvantizacije

Primer 3 1:Primer 3.1: Rešenje: a) Δ=(Vamax - Vamin)/(2n-1)=10V/(28-1)=10V/255=0.0392V b) 6V/Δ =153 <=> D6V=10011001 c) 6.2V/ Δ =158.1 ≈ 158 <=> D6.2V =10011110 d) 158*Δ 6 2V 0 0039Vd) ε=158*Δ - 6.2V= -0.0039V e) εr = (ε/6.2V)*100=(-0.0039V/6.2V)*100= -0.063% f) ε FS =(ε /(V - V i ))*100=(-0 0039V/10V)*100= -0 039%f) εrFS (ε /(Vamax Vamin)) 100 ( 0.0039V/10V) 100 0.039% g) εMAXFS=((Δ/2) /(Vamax - Vamin))*100=(0.0392/2)/10*100= εMAXFS=0.196%





3.1 Osnove konverzije signalaGreška diskretizacijeUticaj na rekonstrukciju signala - DACUticaj na rekonstrukciju signala DAC

NF filtar uklanja VF komponentu





3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaSa stanovišta frekvencije uzorkovanja konvertori se klasifikujuSa stanovišta frekvencije uzorkovanja konvertori se klasifikuju

na Nyquist-ove i oversampling

Nyquistova frekvencija = minimalna koja obezbeđuje

rekonstrukciju signala (na bazi Shannon’s Samplingrekonstrukciju signala (na bazi Shannon s Sampling

Theorem)

Nyquistova frekvencija = 2 x (širina propusnog opsega)





3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaNyquistova frekvencijaNyquistova frekvencija
















Oversamplingfrekvencija





3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaUticaj frekvencije j jsemplovanja na šum kvantizacije:

Nyquist fs=2fB

B

n

s

n

s fffqfN

⋅=

⋅=

⋅=

−−

62

32

12)(

222

Ako šum nije korelisan sa i l (b li š )signalom (beli šum) u

opsegu ±q.LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 23





fs=4fB

B

n

s

n

fffN

⋅=

⋅=

−−

122

32)(

22






fs=4fB

nn

fN ==−+− 22)(

2)1(2

nss

fN

fffN

=

⋅=

⋅=

−2)(

123)(

2

nB

fN

ffN

=

⋅⋅=

−2)(

124)(

2


BffN

⋅=

48)(




3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaUticaj šuma se jumanjuje povećanjem:broja bitova

121−= nq

121−

= nq

i frekvencije fs

q2

2 12

sfqfN⋅

=12

)(



3 1 Osnove konverzije signala


3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaMera kvaliteta konvertora: ⎤⎡VMera kvaliteta konvertora: odnos signal šum – SNR (Signal to Noise Ratio)

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

eff

eff

eV

SNR log20

1212

22

2

2 qqdttsqse

sq

sqeff ==⋅= ∫

/

/)(

2q sq− /

222

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ ⋅

⎥⎤

⎢⎡

qV

n

eff dB..loglog 761026

12

222020 +⋅=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣

=⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

= nqeSNR

eff

eff

⎤⎡ sf 2/LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 27

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++⋅=

B

sf

fnSNR 210761026 /log dB.. Za fs > 2fB.




3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaSpektar gustine snage:Spektar gustine snage:

Prag šuma (noise floor)g ( f )zavisi od broja tačaka M sa kojim se obavlja FFT

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡−=

2log10 MNF

⎦⎣ 2





3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaSpektar gustine snage:Spektar gustine snage:

SFDR Koristan signal, nosilac (carier)

(Spurious Free Dynamic Range) SFDR

Najveći neželjeni signalsignal



3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore


3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracija

Modulator decimacija


ΣΔADC




3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracijaDinamički model:Dinamički model:

YN1)YX( =+⋅−ff

NX1Y +f

⎧N1

X1

Y ⋅+

+⋅+

=f

ff

)()(

0 ; za

0;za

11

⎩⎨⎧

→∞→==

⋅+

=(f)Yf

X(f)YfX

f(f)Y

X

XX

)()(Y fNfYX +=0 0; za

⎩⎨⎧ ==

⋅=N(f)f

N fN(f)LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 31

; za1 ⎩⎨ →∞→+ NN(f)ff

(f)





f 1

N f

fN(f) ⋅+

=






Za funkcije višeg redaZa funkcije višeg reda

1 f

H(f) n=f

(f) n






Efektivni broj bitovajEffective Number Of Bits

761 dBSNR026

761.

. dBSNRENOB −=





3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracijaDinamički model:Dinamički model:Teoretske granice SNR






Realizacija jΣΔ konvertora višeg redaMASH arhitekturaM l i A i Sh iMultistAge noise Shaping


Projektovanje modula sa mešovitim signalimaProjektovanje modula sa mešovitim signalima

Šta smo naučili? Šta se očekuje da znamo?Šta se očekuje da znamo?1. Prenosne karakteristike idealnog

ADC i DACADC i DAC.2. Zavisnost šuma kvantizacije od

broja bitova i frekvencijebroja bitova i frekvencije uzorkovanja.

3 Osnovna konfiguracija jednobitnog3. Osnovna konfiguracija jednobitnog ΣΔ konvertora.


Projektovanje modula sa mešovitim signalimaProjektovanje modula sa mešovitim signalima

Šta smo naučili? Šta se očekuje da znamo?Šta se očekuje da znamo?1. Prenosne karakteristike idealnog

ADC i DACADC i DAC.2. Zavisnost šuma kvantizacije od

broja bitova i frekvencijebroja bitova i frekvencije uzorkovanja.

3 Osnovna konfiguracija jednobitnog3. Osnovna konfiguracija jednobitnog ΣΔ konvertora.



Šta se očekuje da znamo?


1. Statička linearna izobličenja.2 Statička nelinearna izobličenja2. Statička nelinearna izobličenja.3. Princip rada ADC.4. Frekvencijske karakteristike ADC-DAC sistema4. Frekvencijske karakteristike ADC DAC sistema

uzorkovanog Nyquistovom frekvencijom.5. Frekvencijske karakteristike ADC-DAC sistema

k f k ij ć j d N i tuzorkovanog frekvencijom većoj od Nyquistove.6. Modelovanje šuma i frekvencijske karakteristike

ΣΔ ADC-DAC sistema.

39


Projektovanje modula sa mešovitim signalimaj j g

Sledeće nedeljej

Projektovanje modula sa MS (str. 207-228)


Page:2 / 4

Page:3 / 4

Page:4 / 4

integrisana kola sa mešovitim signalimaintegrisana kola sa...

Documents