Παρουσίαση Διπλωματικής εργασίας με θέμα: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Παρουσίαση Διπλωματικής εργασίας με θέμα: Σχεδίαση και Εξομοίωση Συστήματος Συλλογής και Επεξεργασίας Δεδομένων σε ASIC ΡΑΜΦΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Α.Μ. 4620 Μάρτιος 2005
Δομή της παρουσίασης Παράμετροι του συστήματος Δομή της υλοποίησης Σχεδίαση, ανάλυση και επιδόσεις των blocks: SAR Τελεστικός ενισχυτής R-2R Ladder Συγκριτής ADC
Προδιαγραφές της μονάδας εισόδου Προδιαγραφές ενισχυτικής μονάδας 9 divisions στην οθόνη 10 mV/div 100 mV/div 1 V/div 20 mV/div 200 mV/div 2 V/div 50 mV/div 500 mV/div 5 V/div DC συνιστώσα -50 V ως 50 V AC συνιστώσα 45 Vp-p Αντίσταση εισόδου 1 MΩ Μεγάλο bandwidth
Προδιαγραφές της μονάδας μετατροπής Ακρίβεια μετατροπής 8-bit (μέγιστο σφάλμα μισό LSB) Μέγιστο σφάλμα για 10 mV/div 175 μV Μέγιστο σφάλμα για 5 V/div 88 mV Συχνότητα δειγματοληψίας 16MSamples/s
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης Block διάγραμμα
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης PGA (Programmable Gain Amplifier) Αποτελεί τη μονάδα εισόδου με ψηφιακά ρυθμιζόμενο κέρδος Έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου (1 MΩ) Προσφέρει δυνατότητα DC Offset για το σήμα εισόδου
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης PGA (Programmable Gain Amplifier) Χρησιμοποιεί τρία στάδια ενίσχυσης με τελεστικούς ενισχυτές σε συνδεσμολογία κλειστού βρόχου με μεταβλητό κέρδος
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης ADC (Analog to Digital Converter) Αποτελεί τη μονάδα μετατροπής του σήματος Δέχεται σαν είσοδο το ενισχυμένο ή εξασθενημένο σήμα από τον PGA Παράγει την έξοδο με γρήγορο και αποδοτικό τρόπο κάνοντας χρήση του SAR
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης ADC (Analog to Digital Converter)
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης Triggering Unit Αναλαμβάνει το συγχρονισμό των ψηφιακών δεδομένων προς απεικόνιση στην οθόνη ώστε να παράγονται σταθερές κυματομορφές Συγκρίνει την είσοδο με μια στάθμη αναφοράς (trigger level) και δίνει την έναυση της διαδικασίας απεικόνισης
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης Triggering Unit
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης Digital Controller Αποθηκεύει τα ψηφιακά δείγματα στη RAM Μεταφέρει τα δείγματα της RAM στην έξοδο Πραγματοποιεί τους χρονισμούς Καθορίζει το trigger position
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης RAM Αποθηκεύει τα ψηφιακά δείγματα Χρησιμοποιείται σαν FIFO
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης Control Registers Αποθηκεύουν τις παραμέτρους λειτουργίας του συστήματος Στέλνουν πληροφορίες για την κατάσταση του συστήματος στη μονάδα επικοινωνίας
Γενικό σχέδιο της υλοποίησης Analog Controller Παράγει το DC Offset των αναλογικών εισόδων και το trigger level του Triggering Unit
Υλοποιήσεις Ψηφιακά Κυκλώματα
Successive Approximation Register Το κύκλωμα του SAR
Successive Approximation Register Παράγει ψηφιακές τιμές που τροφοδοτούν το DAC Χρησιμοποιεί επαναληπτική διαδικασία για να προσεγγίσει την τελική τιμή, γνωρίζοντας το αποτέλεσμα της προηγούμενης σύγκρισης Κάνει την προσέγγιση σε n βήματα, όπου n η ακρίβεια του DAC
Successive Approximation Register Διαδικασία προσέγγισης Αρχικοποιείται στη μέση τιμή 10...00 Αλλάζει διαδοχικά κάθε ένα bit 01 Ελέγχει το αποτέλεσμα της σύγκρισης Αν ξεπέρασε την τιμή μηδενίζει το bit και επαναλαμβάνει τη διαδικασία για το επόμενο
Successive Approximation Register Το MSBit κύτταρο του SAR Τα transistors της λογικής ελέγχουν πότε και αν πρέπει να συμβεί μια μετάβαση
Successive Approximation Register Τα LSBit κύτταρα του SAR Τα transistors της λογικής ελέγχουν πότε και αν πρέπει να συμβεί μια μετάβαση
Υλοποιήσεις Αναλογικά Κυκλώματα
Τελεστικός ενισχυτής Το κύκλωμα του τελεστικού ενισχυτή
Τελεστικός ενισχυτής Το κύκλωμα πόλωσης του τελεστικού ενισχυτή Το ρεύμα αναφοράς παράγει ένα πολωμένο transistor
Τελεστικός ενισχυτής Το πρώτο στάδιο ενίσχυσης Χρησιμοποιεί διαφορικό ζεύγος Έχει καθρέπτη ρεύματος ως ενεργό φορτίο αύξηση κέρδους
Τελεστικός ενισχυτής Το δεύτερο στάδιο ενίσχυσης Χρησιμοποιεί ενισχυτή διαγωγιμότητας Πηγή ρεύματος σαν φορτίο μεγάλη τιμή φορτίου Cascode συνδεσμολογία για μείωση του φαινομένου Miller αύξηση του bandwidth Χωρητικότητα αντιστάθμισης για σταθεροποίηση λειτουργίας κλειστού βρόχου
Τελεστικός ενισχυτής Με φορτίο 50 kΩ χωρίς ανάδραση Κέρδος ανοιχτού βρόχου 62.32 dB Εύρος ζώνης (συχνότητα 3 dB) 92.78 kHz Συχνότητα μοναδιαίου κέρδους 116.09 MHz Περιθώριο φάσης 61.17˚
Τελεστικός ενισχυτής
Τελεστικός ενισχυτής
Τελεστικός ενισχυτής Σχέση κέρδους και bandwidth 10 mV/div 20 mV/div 33.27 MHz 11.62 MHz 4.90 MHz 100 mV/div 200 mV/div 500 mV/div 1 V/div 2 V/div 5 V/div 33.27 MHz 11.62 MHz 4.90 MHz 80.15 MHz
Τελεστικός ενισχυτής Η μεγάλη αντίσταση εισόδου του πρώτου σταδίου μειώνει σημαντικά το bandwidth Μπορεί να μειωθεί το φαινόμενο με την προσθήκη ενός πυκνωτή παράλληλα σε αυτή
Τελεστικός ενισχυτής Απόκριση συχνότητας με ανάδραση για τα τρία στάδια ενίσχυσης
Τελεστικός ενισχυτής
Τελεστικός ενισχυτής
Τελεστικός ενισχυτής
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Το κύκλωμα του R-2R Ladder Η βασική δομή για την υλοποίηση
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Το κύκλωμα του R-2R Ladder Η βασική δομή για την υλοποίηση
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Το τροποποιημένο κύκλωμα του R-2R Ladder με τη χρήση transistors για την υλοποίηση DAC
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Το τροποποιημένο κύκλωμα του R-2R Ladder με τη χρήση transistors για την υλοποίηση DAC Είναι γραμμικό μόνο ως προς το ρεύμα Τροφοδοτείται από πηγή ρεύματος Παρουσιάζει δύο συμπληρωματικές εξόδους ρεύματος Απλή τοπολογία
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Για τη σωστή λειτουργία πρέπει: Το δυναμικό στα gates όλων των transistors να είναι κοινό Ο συνθήκες πόλωσης να εξασφαλίζουν λειτουργία στην τρίοδο περιοχή τα transistors συμπεριφέρονται σαν αντιστάσεις Οι έξοδοι ρεύματος να βρίσκονται στο ίδιο δυναμικό Να υπάρχει μεγάλη ακρίβεια στις τιμές των στοιχείων
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Η πόλωση που εφαρμόζεται στο κύκλωμα πραγματοποιείται με χρήση μικρών ενεργών φορτίων χρησιμοποιούνται στο επόμενο στάδιο Στα φορτία εφαρμόζεται ένα σταθερό ρεύμα για να αποκτήσουν συγκεκριμένο δυναμικό στα άκρα τους
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό Η έλλειψη γραμμικότητας και μονοτονίας οφείλεται στη χρήση ενεργού φορτίου για την πόλωση του DAC Στο μέσο της δυναμικής περιοχής η συμπεριφορά είναι καλύτερη, διότι τα ρεύματα, άρα και οι τάσεις πόλωσης, έχουν παρόμοιες τιμές στους δύο κλάδους
Μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό
Συγκριτής
Συγκριτής Μονάδα εισόδου Κάνει μετατροπή τάσης σε ρεύμα Χρησιμοποιεί διαφορικό ζεύγος Έχει μια είσοδο Vref που αποτελεί την τάση αναφοράς κέντρο δυναμικής περιοχής
Συγκριτής Μονάδα εισόδου Ανάλογα με τη σχέση των τάσεων εισόδου, τα ρεύματα κατανέμονται ανάλογα στους κλάδους Για τα ρεύματα ισχύουν οι σχέσεις
Συγκριτής Πρώτο στάδιο σύγκρισης Το ρεύμα Iin παράγεται από το σήμα εισόδου Το ρεύμα Iref παράγεται από τον DAC Ισχύει:
Συγκριτής Πρώτο στάδιο σύγκρισης Όλα τα transistors λειτουργούν στο pinch-off πηγές ρεύματος
Συγκριτής Δεύτερο στάδιο σύγκρισης Επιταχύνει τα αποτελέσματα της σύγκρισης Θέτει πολύ γρήγορα μια κατάλληλη αρχική συνθήκη για τον κοινό κόμβο εξόδου του πρώτου σταδίου Περιορίζονται λοιπόν οι άσκοπες μεταβάσεις
Συγκριτής Δεύτερο στάδιο σύγκρισης Πρώτο βήμα: Βραχυκυκλώνονται οι αντιστροφείς Το δυναμικό στους κόμβους N+ και N- προσεγγίζει γρήγορα το δυναμικό κατωφλίου του αντιστροφέα
Συγκριτής Δεύτερο στάδιο σύγκρισης Για πιο σωστά αποτελέσματα, καθορίζουμε το δυναμικό κατωφλίου του αντιστροφέα ίσο με το δυναμικό ισορροπίας του πρώτου σταδίου
Συγκριτής Δεύτερο στάδιο σύγκρισης Δεύτερο βήμα: Ανοίγουν τα βραχυκυκλώματα του προηγούμενου βήματος Εφαρμόζεται η θετική ανάδραση
Συγκριτής Δεύτερο βήμα σύγκρισης Χρησιμοποιεί θετική ανάδραση και επιταχύνει σε μεγάλο βαθμό τη λειτουργία του συγκριτή Εκμεταλλεύεται μια μικρή διαφορά τάσης, και χρησιμοποιώντας τη σαν αρχική συνθήκη, κλειδώνει υπό μορφή latch στην τιμή του αποτελέσματος
Συγκριτής Τρίτο στάδιο σύγκρισης Τα βραχυκυκλώματα που δημιουργούν οι διακόπτες δεν είναι ιδανικά Προκαλείται πτώση τάσης ανάλογα με τη φορά του ρεύματος Η πτώση τάσης είναι πολύ μικρή, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αρχική συνθήκη για το latch Μόλις κλείσουν οι διακόπτες του latch, οι αντιστροφείς ενισχύουν συνεχώς το σήμα με κυκλική ανατροφοδότηση
Συγκριτής Βήματα λειτουργίας: Το πρώτο στάδιο παράγει τα δύο ρεύματα ανάλογα με τις τιμές εισόδου και αναφοράς Η διαφορά τους δημιουργεί μια μικρή πτώση τάσης στους κλειστούς διακόπτες του δεύτερου σταδίου Μόλις έρθει η φάση της εξαγωγής του αποτελέσματος: Ανοίγουν οι διακόπτες του δεύτερου σταδίου Κλείνουν οι διακόπτες του τρίτου σταδίου Το δυναμικό στους κόμβους εξόδου φτάνει την τελική του τιμή
Συγκριτής
Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό
Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό
Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό
Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Αποτελεί ένα αρκετά γρήγορο κύκλωμα συχνότητα ρολογιού 125MHz Μπορεί να χρησιμοποιηθούν πολλοί ADC’s με την τεχνική του interleaving, ώστε να αυξηθεί σημαντικά η συχνότητα δειγματοληψίας Ένα μέρος του μπορεί να υλοποιηθεί σαν flash ADC