eng
Выпуск #9/2018
Куликов Дмитрий Васильевич, Савельев Денис Ильич
Особенности влияния рассогласования каналов на параметры быстродействующих многоканальных АЦП
Особенности влияния рассогласования каналов на параметры быстродействующих многоканальных АЦП
Просмотры: 2917
Работа посвящена особым видам искажений спектра выходного сигнала многоканальных АЦП, вызванных рассогласованием параметров используемых каналов. Проведено исследование влияние факторов, ограничивающих достижение высоких динамических характеристик.
УДК 621.3.049.774, ББК 32.853.1
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.296.299
УДК 621.3.049.774, ББК 32.853.1
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.296.299
ВВЕДЕНИЕ
Современная электроника не может обойтись без быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП), поскольку в тракте обработки сигнала все чаще используется непосредственная обработка сигналов на высоких частотах без переноса спектра сигнала в область низких частот.
Для снижения требований по быстродействию к каскадам АЦП применяется многоканальная конвейерная архитектура с времяперемежением [1, 2], т. е. частичным перекрытием циклов нескольких параллельно работающих каналов (см. рис. 1). Такая архитектура дает возможность достичь высокого разрешения наряду с высокой скоростью преобразования, так как каждый из каналов работает на частоте меньшей, чем частота дискретизации всего АЦП в N раз, где N — число каналов.
В идеале характеристики каналов АЦП (напряжение смещения, наклон передаточной характеристики и т. д.) должны быть одинаковыми. Однако из-за разных напряжений смещения в каналах, разных наклонов передаточных характеристик каналов, а также наличия разброса задержек прихода тактовых сигналов в каналах АЦП, возникает особый вид искажений спектра выходного сигнала, существенно ухудшающих точностные параметры всего многоканального АЦП. Основным методом устранения данных искажений является калибровка каждого канала многоканального АЦП и тщательная разработка системы синхронизации каналов [3].
В данной статье рассмотрено влияние на спектр выходного сигнала двухканального АЦП следующих трех основных видов асимметрии между каналами:
разброс напряжения смещения между каналами;
разброс наклона передаточной характеристики между каналами;
разброс задержек прихода тактовых сигналов в каналах.
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ РАССОГЛАСОВАНИЯ МЕЖДУ КАНАЛАМИ АЦП И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СПЕКТР
Разброс напряжений смещения между каналами
Предположим, что в каналах многоканального АЦП различные напряжения смешения, а остальные параметры одинаковы. В этом случае каждый канал выдает свою ошибку кода в выходном коде всего АЦП. Период повторения ошибки для каждого из каналов равен N/fS, где N — количество каналов, fS — частота дискретизации АЦП. В этом случае сигнал ошибки можно представить в виде шума, величина которого не зависит от амплитуды и частоты входного сигнала.
Представление сигнала ошибки во временной области показано на рис. 2. В частотной области сигнал ошибки для многоканального АЦП проявляется в виде помех на частотах k · fS/N, где fS — частота дискретизации АЦП, N — количество каналов, k = 1, 2, 3, … (для двухканального АЦП см. рис. 7).
Разброс наклона передаточной характеристики между каналами АЦП
Предположим, что в каналах многоканального АЦП различны наклоны передаточной характеристики, а остальные параметры одинаковы. В этом случае, каждый канал выдает свою ошибку кода в выходном коде всего АЦП. Период повторения ошибки для каждого из каналов равен N/fS, где N — количество каналов, fS — частота дискретизации АЦП. В этом случае, в отличие от разброса напряжений смещения, величина сигнал ошибки будет коррелировать с амплитудой входного сигнала, вызывая эффект амплитудной модуляции сигнала ошибки входным сигналом. При этом, чем больше амплитуда входного сигнала, тем больше амплитуда сигнала ошибки.
Представление сигнала ошибки во временной области показано на рис. 3. В частотной области сигнал ошибки для многоканального АЦП проявляется в виде помех на частотах ±fIN + k · fS/N, где fIN — частота входного сигнала, fS — частота дискретизации АЦП, N — количество каналов, k = 1, 2, 3, … (для двухканального АЦП см. рис. 7).
Разброс задержек прихода тактовых сигналов в каналах АЦП (разброс фазового сдвига)
Предположим, что мы имеем многоканальный АЦП, параметры каналов которого абсолютно одинаковы, но тактовые сигналы приходят с разными задержками (см. рис. 4). В этом случае, каждый канал выдает свою ошибку кода в выходном коде всего АЦП. Период повторения ошибки для каждого из каналов равен N/fS, где N — количество каналов, fS — частота дискретизации АЦП. В этом случае величина сигнал ошибки будет коррелировать со скоростью изменения входного сигнала, при этом, чем больше скорость изменения входного сигнала, тем больше амплитуда сигнала ошибки.
Представление сигнала ошибки во временной области показано на рис. 5. В частотной области сигнал ошибки для многоканального АЦП проявляется в виде помех на частотах ±fIN + k · fS/N, где fIN — частота входного сигнала, fS — частота дискретизации АЦП, N — количество каналов, k = 1, 2, 3, … (для двухканального АЦП см. рис. 7).
Стоит заметить, что величина сигнал ошибки из-за разброса напряжений смещения и наклона передаточных характеристик каналов АЦП не зависит от частоты входного сигнала, а величина сигнала ошибки из-за разброса задержек прихода тактового сигнала увеличивается с ростом частоты входного сигнала (см. рис. 6).
Таким образом, зная особенности влияния тех или иных типов ошибки рассогласования каналов многоканального АЦП на спектр выходного сигнала АЦП, можно провести следующие оценки:
оценить доминирующие факторы и степень рассогласования между каналами до калибровки АЦП;
оценить качество калибровки АЦП по каждому из калибруемых параметров.
Исключением являются разброс фазового сдвига и наклона передаточной характеристики между каналами АЦП, которые имеют схожую спектральную структуру. Вследствие трудности калибровки разброса фазового сдвига, необходимо уделять особое внимание схемотехнической и топологической реализации системы синхронизации и деревьям тактового сигнала в многоканальных АЦП.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Waltari M. E., Halonen K. Circuits Techniques for Low-voltage and High-speed A/D Converters // Kluwer Academic Publishers. 2002.
2. Sandeep Gupta, Michael Choi. A 1Gs/s 11b Time-interleaved ADC in 0.13mm CMOS // ISSCC 2006 / Session 31 / Very High-speed ADCs and DACs / 10.4.
3. Petraglia A. and Mitra S. K. “Analysis of Mismatch Effects Among A/D Converters in a Time-interleaved Waveform Digitizers”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 40, pp. 831–835, Oct. 1991.
Современная электроника не может обойтись без быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП), поскольку в тракте обработки сигнала все чаще используется непосредственная обработка сигналов на высоких частотах без переноса спектра сигнала в область низких частот.
Для снижения требований по быстродействию к каскадам АЦП применяется многоканальная конвейерная архитектура с времяперемежением [1, 2], т. е. частичным перекрытием циклов нескольких параллельно работающих каналов (см. рис. 1). Такая архитектура дает возможность достичь высокого разрешения наряду с высокой скоростью преобразования, так как каждый из каналов работает на частоте меньшей, чем частота дискретизации всего АЦП в N раз, где N — число каналов.
В идеале характеристики каналов АЦП (напряжение смещения, наклон передаточной характеристики и т. д.) должны быть одинаковыми. Однако из-за разных напряжений смещения в каналах, разных наклонов передаточных характеристик каналов, а также наличия разброса задержек прихода тактовых сигналов в каналах АЦП, возникает особый вид искажений спектра выходного сигнала, существенно ухудшающих точностные параметры всего многоканального АЦП. Основным методом устранения данных искажений является калибровка каждого канала многоканального АЦП и тщательная разработка системы синхронизации каналов [3].
В данной статье рассмотрено влияние на спектр выходного сигнала двухканального АЦП следующих трех основных видов асимметрии между каналами:
разброс напряжения смещения между каналами;
разброс наклона передаточной характеристики между каналами;
разброс задержек прихода тактовых сигналов в каналах.
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ВИДОВ РАССОГЛАСОВАНИЯ МЕЖДУ КАНАЛАМИ АЦП И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СПЕКТР
Разброс напряжений смещения между каналами
Предположим, что в каналах многоканального АЦП различные напряжения смешения, а остальные параметры одинаковы. В этом случае каждый канал выдает свою ошибку кода в выходном коде всего АЦП. Период повторения ошибки для каждого из каналов равен N/fS, где N — количество каналов, fS — частота дискретизации АЦП. В этом случае сигнал ошибки можно представить в виде шума, величина которого не зависит от амплитуды и частоты входного сигнала.
Представление сигнала ошибки во временной области показано на рис. 2. В частотной области сигнал ошибки для многоканального АЦП проявляется в виде помех на частотах k · fS/N, где fS — частота дискретизации АЦП, N — количество каналов, k = 1, 2, 3, … (для двухканального АЦП см. рис. 7).
Разброс наклона передаточной характеристики между каналами АЦП
Предположим, что в каналах многоканального АЦП различны наклоны передаточной характеристики, а остальные параметры одинаковы. В этом случае, каждый канал выдает свою ошибку кода в выходном коде всего АЦП. Период повторения ошибки для каждого из каналов равен N/fS, где N — количество каналов, fS — частота дискретизации АЦП. В этом случае, в отличие от разброса напряжений смещения, величина сигнал ошибки будет коррелировать с амплитудой входного сигнала, вызывая эффект амплитудной модуляции сигнала ошибки входным сигналом. При этом, чем больше амплитуда входного сигнала, тем больше амплитуда сигнала ошибки.
Представление сигнала ошибки во временной области показано на рис. 3. В частотной области сигнал ошибки для многоканального АЦП проявляется в виде помех на частотах ±fIN + k · fS/N, где fIN — частота входного сигнала, fS — частота дискретизации АЦП, N — количество каналов, k = 1, 2, 3, … (для двухканального АЦП см. рис. 7).
Разброс задержек прихода тактовых сигналов в каналах АЦП (разброс фазового сдвига)
Предположим, что мы имеем многоканальный АЦП, параметры каналов которого абсолютно одинаковы, но тактовые сигналы приходят с разными задержками (см. рис. 4). В этом случае, каждый канал выдает свою ошибку кода в выходном коде всего АЦП. Период повторения ошибки для каждого из каналов равен N/fS, где N — количество каналов, fS — частота дискретизации АЦП. В этом случае величина сигнал ошибки будет коррелировать со скоростью изменения входного сигнала, при этом, чем больше скорость изменения входного сигнала, тем больше амплитуда сигнала ошибки.
Представление сигнала ошибки во временной области показано на рис. 5. В частотной области сигнал ошибки для многоканального АЦП проявляется в виде помех на частотах ±fIN + k · fS/N, где fIN — частота входного сигнала, fS — частота дискретизации АЦП, N — количество каналов, k = 1, 2, 3, … (для двухканального АЦП см. рис. 7).
Стоит заметить, что величина сигнал ошибки из-за разброса напряжений смещения и наклона передаточных характеристик каналов АЦП не зависит от частоты входного сигнала, а величина сигнала ошибки из-за разброса задержек прихода тактового сигнала увеличивается с ростом частоты входного сигнала (см. рис. 6).
Таким образом, зная особенности влияния тех или иных типов ошибки рассогласования каналов многоканального АЦП на спектр выходного сигнала АЦП, можно провести следующие оценки:
оценить доминирующие факторы и степень рассогласования между каналами до калибровки АЦП;
оценить качество калибровки АЦП по каждому из калибруемых параметров.
Исключением являются разброс фазового сдвига и наклона передаточной характеристики между каналами АЦП, которые имеют схожую спектральную структуру. Вследствие трудности калибровки разброса фазового сдвига, необходимо уделять особое внимание схемотехнической и топологической реализации системы синхронизации и деревьям тактового сигнала в многоканальных АЦП.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Waltari M. E., Halonen K. Circuits Techniques for Low-voltage and High-speed A/D Converters // Kluwer Academic Publishers. 2002.
2. Sandeep Gupta, Michael Choi. A 1Gs/s 11b Time-interleaved ADC in 0.13mm CMOS // ISSCC 2006 / Session 31 / Very High-speed ADCs and DACs / 10.4.
3. Petraglia A. and Mitra S. K. “Analysis of Mismatch Effects Among A/D Converters in a Time-interleaved Waveform Digitizers”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 40, pp. 831–835, Oct. 1991.
Отзывы читателей
