Błyskawiczny ADC

Flash ADC (znany również jako ADC z bezpośrednią konwersją ) to rodzaj przetwornika analogowo-cyfrowego , który wykorzystuje liniową drabinkę napięciową z komparatorem na każdym „szczeblu” drabinki do porównania napięcia wejściowego z kolejnymi napięciami odniesienia. Często te drabinki odniesienia są zbudowane z wielu rezystorów ; jednak współczesne implementacje pokazują, że możliwy jest również pojemnościowy podział napięcia. Wyjście tych komparatorów jest generalnie podawane do enkodera cyfrowego, który przetwarza dane wejściowe na wartość binarną (zebrane wyjścia z komparatorów można traktować jako wartość jednoargumentową ) .

Korzyści i wady

Konwertery Flash są niezwykle szybkie w porównaniu z wieloma innymi typami przetworników ADC, które zwykle zawężają „poprawną” odpowiedź w szeregu etapów. W porównaniu z nimi konwerter flash jest również dość prosty i poza komparatorami analogowymi wymaga jedynie logiki do ostatecznej konwersji na binarny .

Aby uzyskać najlepszą dokładność, często przed wejściem ADC umieszcza się obwód śledzenia i utrzymywania . Jest to potrzebne w przypadku wielu typów przetworników ADC (takich jak ADC z kolejnymi przybliżeniami ), ale w przypadku przetworników ADC typu flash nie ma takiej potrzeby, ponieważ komparatory są urządzeniami próbkującymi.

Konwerter flash wymaga ogromnej liczby komparatorów w porównaniu z innymi przetwornikami ADC, zwłaszcza w miarę wzrostu precyzji. Konwerter flash $-$ n konwersji . Rozmiar, pobór mocy i koszt wszystkich tych komparatorów sprawia, że konwertery flash są generalnie niepraktyczne dla precyzji znacznie większej niż 8 bitów (255 komparatorów). Zamiast tych komparatorów większość innych przetworników ADC zastępuje bardziej złożoną logikę i/lub obwody analogowe, które można łatwiej skalować w celu zwiększenia precyzji .

Realizacja

Przykładowa implementacja 2-bitowej pamięci flash ADC z korekcją błędów bąbelków i kodowaniem cyfrowym

Przetworniki ADC typu flash zostały zaimplementowane w wielu technologiach, począwszy od dwubiegunowych technologii opartych na krzemie (BJT) i komplementarnych technologii FET z tlenkiem metalu ( CMOS ), po rzadko stosowane technologie III-V . Często ten typ przetwornika ADC jest używany jako pierwsza średniej wielkości weryfikacja obwodu analogowego.

Najwcześniejsze implementacje składały się z drabinki odniesienia dobrze dobranych rezystorów podłączonych do napięcia odniesienia. Każdy zaczep na drabince rezystorowej jest wykorzystywany dla jednego komparatora, ewentualnie poprzedzony stopniem wzmacniającym , a tym samym generuje logiczne 0 lub 1 w zależności od tego, czy mierzone napięcie jest powyżej, czy poniżej napięcia odniesienia dzielnika napięcia . Powód dodania wzmacniacza jest dwojaki: wzmacnia różnicę napięć, a tym samym tłumi przesunięcie komparatora, a także silnie tłumiony jest odrzut komparatora w kierunku drabinki odniesienia. Zazwyczaj produkowane są projekty od 4-bitowych do 6-bitowych, a czasem 7-bitowych.

Zademonstrowano konstrukcje z energooszczędnymi pojemnościowymi drabinkami referencyjnymi. Oprócz taktowania komparatora (komparatorów), systemy te również próbkują wartość odniesienia na stopniu wejściowym. Ponieważ próbkowanie odbywa się z bardzo dużą szybkością, wyciek kondensatorów jest pomijalny.

Ostatnio kalibracja przesunięcia została wprowadzona do projektów Flash ADC. Zamiast precyzyjnych obwodów analogowych (które zwiększają rozmiar komponentów w celu wyeliminowania zmienności) mierzone i regulowane są komparatory ze stosunkowo dużymi błędami przesunięcia. Podawany jest sygnał testowy, a przesunięcie każdego komparatora jest kalibrowane poniżej LSB przetwornika ADC.

Kolejnym ulepszeniem wielu przetworników ADC typu flash jest włączenie cyfrowej korekcji błędów. Gdy ADC jest używany w trudnych warunkach lub zbudowany z bardzo małych układów scalonych, istnieje podwyższone ryzyko, że pojedynczy komparator losowo zmieni stan, co spowoduje błędny kod. Korekcja błędów bąbelkowych to cyfrowy mechanizm korekcji, który uniemożliwia komparatorowi, który na przykład wyłączył się z wysokim poziomem, zgłaszanie wysokiego poziomu logicznego, jeśli jest otoczony przez komparatory, które zgłaszają niski poziom logiczny.

Składany ADC

Liczbę komparatorów można nieco zmniejszyć, dodając składany obwód z przodu, tworząc tak zwany składany ADC . Zamiast używać komparatorów w flash ADC tylko raz, podczas sygnału wejściowego rampy, składany ADC ponownie wykorzystuje komparatory wielokrotnie. Jeśli n -bitowym przetworniku ADC używany jest m -krotny składany obwód , rzeczywistą liczbę komparatorów można zmniejszyć z ${\ Displaystyle 2 ^ {n} -1}$ do ${\ displaystyle {\ frac {2^{n}}{m}}}$ (zawsze potrzebny jest jeden do wykrycia przecięcia zakresu). Typowe obwody składane to mnożnik Gilberta i analogowe obwody przewodowe OR .

Aplikacja

Bardzo wysoka częstotliwość próbkowania tego typu przetworników ADC umożliwia zastosowania w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości (zwykle w zakresie kilku GHz), takich jak wykrywanie radarów , szerokopasmowe odbiorniki radiowe , elektroniczne urządzenia testujące i optyczne łącza komunikacyjne. Częściej flash ADC jest osadzony w dużym układzie scalonym zawierającym wiele cyfrowych funkcji dekodowania.

modulacji delta-sigma może znajdować się również mały obwód ADC typu flash .

Flash ADC są również używane w pamięci NAND flash , gdzie do 3 bitów jest przechowywanych na komórkę jako 8 poziomów napięć na ruchomych bramkach.

Konwersja analogowo-cyfrowa
Zrozumienie Flash ADC
„Zintegrowane przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe”, R. van de Plassche, ADC, Kluwer Academic Publishers, 1994.
„Precyzyjny mnożnik czterech kwadrantów z odpowiedzią poniżej nanosekundy”, Barrie Gilbert, IEEE Journal of Solid-State Circuits, tom. 3, nr 4 (1968), s. 365–373