Аналого-цифровые преобразователи

Особенности построения и конструктивное исполнение аналого-цифровых преобразователей

По структуре построения аналого-цифровые преобразователи можно классифицировать на АЦП с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развертывающего типа. Развертывающий АЦП переводит аналоговый сигнал в цифровой последовательно, начиная с самого младшего значения до уровня, пока выходное аналоговое напряжение ЦАП не сравнится с входным аналоговым напряжением АЦП. К этому типу АЦП можно отнести АЦП последовательного приближения со счетчиком.

Параллельные АЦП построены на принципе одновременного преобразования сигнала пугем его квантования с помощью набора компараторов. Такие АЦП являются самыми быстродействующими и позволяют достичь частот преобразования 100—400 МГц. К недостаткам параллельных АЦП относится резкое увеличение числа компонентов при увеличении разрядности, что в свою очередь приводит к увеличению потребляемой мощности и размеров кристалла.

Параллельно-последовательные АЦП представляют собой комбинацию из малоразрядных параллельных АЦП, ЦАП, операционных усилителей (ОУ), устройств выборки-хранения (УВХ) и т.д. Принцип преобразования таких АЦП обычно сводится к двухступенчатому алгоритму — вначале производится определение старших разрядов значения входного напряжения с помощью первого малоразрядного параллельного АЦП, затем формируется разностный сигнал с помощью ЦАП и ОУ и осуществляется формирование младших разрядов с помощью второго малоразрядного параллельного АЦП. Такое построение позволяет уменьшить число элементов в преобразователе и получить высокую разрядность при частоте преобразования выше 10 МГц. Основными недостатками АЦП такого типа являются наличие большого числа линейных узлов, требования к точностным и динамическим характеристикам которых очень высоки, а также трудности, связанные с прецизионной стыковкой этих узлов друг с другом, что требует настройки каждого индивидуального преобразователя. По указанным причинам такие АЦП в полупроводниковом интегральном исполнении в настоящее время практически не выпускаются. Они изготавливаются в виде блоков, гибридных микросхем, печатных плат.

Рис.3. Обобщенная схема параллельного АЦП

В общем случае построение всех параллельных АЦП однотипно: делитель опорных напряжений, набор компараторов напряжения, шифратор, выходные каскады (рис. 3). Такой АЦП, без учета ряда погрешностей, работает следующим образом: входной сигнал подается одновременно на одни входы компараторов, в которых он сравнивается с опорными напряжениями, подаваемыми на другие входы компараторов от делителя опорных напряжений. В момент подачи на тактовый вход стробирующего сигнала на выходах компараторов фиксируется значение кода, соответствующее мгновенному значению входного сигнала. Далее результат кодирования с выходов компараторов подается на шифратор, в котором происходит преобразование в выбранный тип выходного кода АЦП. С выхода шифратора сформированный код подается на выходные каскады преобразователей внутрисхемных уровней в стандартные уровни ЭСЛ, ТТЛ или КМОП. В зависимости от конкретных реализаций АЦП может содержать различное число стробируемых блоков (штриховая линия на рис. 3).

Основным узлом параллельных АЦП являются компараторы напряжения. Как правило, в быстродействующих АЦП они выполняются стробируемыми, т. е. в состав компаратора входит устройство, переключающее компаратор из режима сравнения сигналов в режим хранения результата сравнения (стробирования). Особенностью стробируемых компараторов напряжения являются небольшой коэффициент усиления в режиме сравнения (единицы - десятки) и резкое его увеличение (в сотни раз) при стробировании, т. е.при переходе в режим хранения результатасравнения.

Такое построение позволяет получить большую полосу пропускания по аналоговому входу при большой его чувствительности. Компаратор, построенный по такому принципу, имеет весьма малое число компонентов, что принципиально важно для параллельных АЦП. Число компараторов в параллельном АЦП N_K=2^b-l.

Делитель опорных напряжений в параллельных АЦП служит для формирования опорных напряжений; их значения являются эталонами, с которыми сравнивается входнойисигнал. Обычно делитель выполняется по схеме последовательного делителя напряжений. Число резисторов в делителе напряжений параллельного АЦП Nr = 2^b. Номиналы резисторов делителя опорных напряжений одинаковы, за исключением первого и последнего резисторов, которые могут быть различны в конкретных реализациях АЦП. При этом получается линейная характеристика преобразования АЦП. Однако при Ь>8 для компенсации токовой составляющей нелинейности номинальные значения резисторов делителя опорных напряжений могут быть неодинаковы. Для уменьшения влияния входных токов компараторов на опорные напряжения необходимо использовать резисторы делителя с возможно меньшими номинальными значениями. В качестве материала для изготовления резисторов делителя в ИС используются разного рода сплавы металлов или низкоомные диффузионные области кремния. Конструктивно резисторы делителя опорных напряжений выполняются в виде прямоугольной конфигурации или конфигурации типа «меандр».

Шифратор в параллельных АЦП необходим для преобразования кода компараторов в выходной код АЦП заданного типа. Практически шифратор делается двух-трехступенчатым, что позволяет реализовать регулярность топологии. В состав шифратора могут входить регистры хранения, предназначенные для хранения промежуточных результатов шифрации. Выходные каскады АЦП служат для получения стандартных цифровых уровней (ЭСЛ или ТТЛ) выходного кода.

Параллельные АЦП имеют регулярную структуру кристалла, что позволяет упростить процесс проектирования и за счет равных длин межсоединений снизить статические и динамические погрешности АЦП. К конструктивным особенностям кристаллов следует отнести: расположение транзисторов дифференциальных каскадов компараторов в непосредственной близости друг к другу (для уменьшения напряжения смещения компараторов), группировку компараторов в линейки по 2", где п = 4, 5, 6... обеспечение равной длины проводников, по которым подводится тактовый сигнал к линейкам компараторов для обеспечения минимальной динамической погрешности при преобразовании сигналов с высокой скоростью изменения. Конструктивное исполнение АЦП определяется значительной рассеиваемой мощностью (до 3,0 Вт), что предъявляет определенные требования к конструкции корпусов. Используются преимущественно метатлокерамиче-ские корпуса, некоторые из них имеют дополнительный радиатор.