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
Integrisana kola sa mešovitim signalimaIntegrisana kola sa mešovitim signalima
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
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 2
Integrisana kola sa mešovitim signalimaIntegrisana kola sa mešovitim signalima
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
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)
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 4
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Idealna prenosna karakteristikaIdealna prenosna karakteristika
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 5
ADC DAC
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
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
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 6
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
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
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
INLStatička - nelinearna izobličenja
DNLINL DNL
DNL - ADC DNL -DACLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 8
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 9
Digitalni ulaz
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenja
Kako nastaju?Kako nastaju?• Uzorkovanje• Diskretizovani nivoiDiskretizovani nivoi• Diskretizovano vreme
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 10
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenja
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 11
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenja
Diskretizovani nivoi+ Diskretizovano vremeDiskretizovano vreme= Šum kvantizacije
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 12
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaGreške diskretizacijeGreške diskretizacije
q±
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 13
2±
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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±
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 14
2±
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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?
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 15
rFSg) Kolika je maksimalna greška kvantizacije u odnosu na opseg pune skale, εMAXFS =?
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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%
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 16
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaGreška diskretizacijeUticaj na rekonstrukciju signala - DACUticaj na rekonstrukciju signala DAC
NF filtar uklanja VF komponentu
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 17
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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)
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 18
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaNyquistova frekvencijaNyquistova frekvencija
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 19
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaNyquistova frekvencijaNyquistova frekvencija
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 20
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaNyquistova frekvencijaNyquistova frekvencija
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 21
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenja
Oversamplingfrekvencija
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 22
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaUticaj frekvencije j jsemplovanja na šum kvantizacije:
fs=4fB
B
n
s
n
fffN
⋅=
⋅=
−−
122
32)(
22
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 24
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaUticaj frekvencije j jsemplovanja na šum kvantizacije:
fs=4fB
nn
fN ==−+− 22)(
2)1(2
nss
fN
fffN
=
⋅=
⋅=
−2)(
123)(
2
nB
fN
ffN
=
⋅⋅=
−2)(
124)(
2
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 25
BffN
⋅=
48)(
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaUticaj šuma se jumanjuje povećanjem:broja bitova
121−= nq
121−
= nq
i frekvencije fs
q2
2 12
sfqfN⋅
=12
)(
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 26
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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.
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 28
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 1 Osnove konverzije signala
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.1 Osnove konverzije signalaDinamička izobličenjaSpektar gustine snage:Spektar gustine snage:
SFDR Koristan signal, nosilac (carier)
(Spurious Free Dynamic Range) SFDR
Najveći neželjeni signalsignal
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 29
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracija
Modulator decimacija
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 30
ΣΔADC
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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)
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracijaDinamički model:Dinamički model:
f 1
N f
fN(f) ⋅+
=
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 32
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracijaDinamički model:Dinamički model:
Za funkcije višeg redaZa funkcije višeg reda
1 f
H(f) n=f
(f) n
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 33
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracijaDinamički model:Dinamički model:
Efektivni broj bitovajEffective Number Of Bits
761 dBSNR026
761.
. dBSNRENOB −=
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 34
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracijaDinamički model:Dinamički model:Teoretske granice SNR
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 35
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3 2 Uvod u Sigma Delta konvertore
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
3.2 Uvod u Sigma-Delta konvertoreOsnovna konfiguracijaDinamički model:Dinamički model:
Realizacija jΣΔ konvertora višeg redaMASH arhitekturaM l i A i Sh iMultistAge noise Shaping
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/27.04.2011. 36
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.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
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.
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
Šta se očekuje da znamo?
Projektovanje modula sa mešovitim signalima
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
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Projektovanje modula sa mešovitim signalimaj j g
Sledeće nedeljej
Projektovanje modula sa MS (str. 207-228)
LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/