ElapD4 06/11/2015 ELETTRONICA APPLICATA E MISURE 2015 DDC 1. Ingegneria dell Informazione. Lezione D4

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1 Ingegneria dell Informazione Lezione D4 ELETTRONIC PPLICT E MIURE Dane DEL CORO D4 CONVERIONE /D - 2» Converiori a residui» Converiori con pipeline» Converiori differenziali» ovracampionameno ruure per converiori /D veloci Converiori a residui e pipeline nalisi di complessià e velocià Converiori differenziali ovracampionameno Converiori dela e sigma-dela Converiori logarimici Riferimeni:» D. Del Corso: Eleronica per Telecomunicazioni: cap. 4.5» M. Zamboni: Eleronica dei sisemi di inerc. e acq.: cap. 4.7» F. Maloberi: Undersanding Microelecr : Chap. 7.6, 7.7 6/11/215-1 ElapD4-215 DDC 6/11/215-2 ElapD4-215 DDC Classificazione dei converiori /D pprossimazioni successive Complessià Parallelo (flash) 2 N 1 Pipeline Residui ppross. uccessive 1 N Inseguimeno 1 2 N Tempo di convers. Complessià: legaa al numero di comparaori. Tempo di conversione: legao al numero massimo di cicli di clock richiesi per eseguire una conversione. Il segnale di ingresso viene confronao con /2: il risulao deermina il MB MB = : confrono successivo con /4 MB = 1: confrono successivo con 3/4» il risulao deermina MB - 1».. - R: Logica di approssimazione converiore D/ CK D 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/215-4 ElapD4-215 DDC Confroni nel converiore con R Conversione a residui - 1 equenza di confroni e decisioni eseguii nel converiore ad approssimazioni successive: 1 (MB): > /2? (confrono con /2) 2 (MB-1) > /4 /2 MB? ovvero - /2 MB > /4? ovvero 2( - /2 MB) > /2? (confrono con /2) Poso - /2 MB = (residuo del MB) 2 > /2? L algorimo delle approssimazioni successive esegue una caena di confroni ra il residuo Ri della conversione precedene e /2. l primo passo viene confronao con /2 dao che > /2 il MB viene messo a 1 /2 = /2 > /2? 6/11/215-5 ElapD4-215 DDC 6/11/215-6 ElapD4-215 DDC 215 DDC 1

2 Conversione a residui - 2 Conversione a residui - 3 Il residuo della conversione del MB è viene amplificao (x 2) e confronao con /2 Dao che 2 < /2 il MB-1 viene messo a il residuo della conversione del MB-1 è viene amplificao (x 2) e confronao con /2 /2 /2 2 2 = /2 MB = 1 = /2 2 > /2? 2 = /2 MB = 1 = /2 MB-1 = = /2 2 > /2? 6/11/215-7 ElapD4-215 DDC 6/11/215-8 ElapD4-215 DDC Conversione a residui - 4 Conversione a residui - 5 Dao che 2 > /2 il MB-2 viene messo a 1 il residuo della conversione del MB-2 è R3 il procedimeno coninua per i bi successivi Ri = differenza ra e sua approssimazione a ogni passo il residuo viene amplificao (x 2) e riconfronao con /2 /2 2 R3 /2 2 R3 2 = /2 MB = 1 = /2 MB-1 = = /2 MB-2 = 1 2 = /2 MB = 1 = /2 MB-1 = = /2 MB-2 = 1 6/11/215-9 ElapD4-215 DDC 6/11/215-1 ElapD4-215 DDC Converiore a residui singolo bi Converiore a residui - complessivo La sruura a residui richiede, per ciascun bi mplificaore x 2 (; per riporare il residuo al fondo scala) Comparaore (C; per decidere il valore del bi) D/ a 1 bi (per ricosruire l approssimazione) ommaore (; per calcolare il residuo) mplificaore Comparaore mplificaore /D 1 bi (comparaore) 2* ommaore 2* D/ 1 bi ommaore D/ 1 bi 2* 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC 215 DDC 2

3 Confrono con alre ecniche Converiori pipeline Converiore a residui su N bi: N comparaori; N cicli di confrono Converiore ad approssimazioni successive su N bi: 1 comparaori; N cicli di confrono Confrono residui approssimazioni successive Maggiore complessià: N comparaori conro 1 essa velocià: N cicli DC a residui: nessun vanaggio rispeo a quelli noi vanaggio: maggior numero di comparaori Divena ineressane con la ecnica pipeline Tempo di conversione equivalene più breve Inserendo elemeni di memoria nei converiori a più sadi, è possibile operarare su campioni successivi nello sesso empo: equenza di campioni all ingresso :, B, C, D,... sadio empo: B C D 2 X B C 3 X X B 4 X X X 4 è disponibile il risulao della conversione di 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC ruura di converiore pipeline Confrono con alre ecniche Un converiore con pipeline su N bi richiede: N comparaori N cicli di confrono (per compleare la conversione) Fornisce un risulao compleo a ogni confrono Tempo di conversione: Conversione in 1 ciclo (hroughpu) Laenza di N cicli Velocià del flash con N comparaori (conro 2 N ) Riardo nella disponibilià del risulao (non rilevane) Maggiore complessià (/H aggiunivi) 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC Classificazione dei converiori /D Generalizzazione Complessià Tempo convers. Parallelo (flash) 2 N 1 Pipeline N 1 Residui N N ppross. uccessive 1 N Inseguimeno 1 2 N Complessià: legaa al numero di comparaori. Tc: max di cicli di clock per eseguire una conversione. lcune ecniche di scarso ineresse, alre oime I converiori a residui possono essere con o senza pipeline Il riardo di conversione non cambia Il hroughpu (inverso di Tc equivalene ) aumena Le ecniche a residui (con o senza pipeline) possono essere usae su più bi Il comparaore divena un /D a N bi La ricosruzione del valore approssimao richiede D/ da N bi L amplificaore guadagna 2 N Possibili diversi compromessi complessià/velocià 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC 215 DDC 3

4 Esempi: /D da 8 bi Converiori a residui mulibi Flash a 8 bi:» Numero di comparaori: = 255» Tempo di conversione: T C Tecniche a residui: Due flash da 4 bi in cascaa:» Numero di comparaori: 2(2 4-1) = 3» Tempo di conversione: 2T C T D Quaro flash da 2 bi in cascaa:» Numero di comparaori: 4(2 2-1) = 12» Tempo di conversione: 4T C 3 T D /D - 4bi 16 D/ - 4bi /D - 4bi MB,.. (D7, 6, 5, 4) Converiore /D 8 bi a residui 2 celle da 4 bi Tc complessivo: Tc(/D) Ta(D/) Tc(/D) D3, 2, 1, /D - 2bi 4 D/ - 2bi /D - 2bi 4 Converiore /D 8 bi a residui 4 celle da 2 bi D/ - 2bi /D - 2bi 4 MB, MB-1 (D7, D6) D/ - 2bi /D - 2bi D5, D4 D3, D2 LB1, LB (D1, D) 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/215-2 ElapD4-215 DDC Esempio: /D da 8 bi con pipeline Lezione D4 ruure a residui con memoria (analogica) all ingresso di ogni sadio (pipeline) Due flash da 4 bi in cascaa:» Numero di comparaori: 2(2 4-1) = 3» Cadenza di conversione: 1/(T C T D T H )» Tempo di laenza 2(T C T D T H ) Quaro flash da 2 bi in cascaa:» Numero di comparaori: 4(2 2-1) = 12» Cadenza di conversione: 1/(T C T D T H )» Tempo di laenza 4(T C T D T H ) ruure per converiori /D ruure a residui e pipeline nalisi di complessià e velocià ruure mise Converiori differenziali ovracampionameno Dela e sigma-dela Conversone nonlineare pplicazioni a segnale vocale 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC Conversione differenziale Converiore dela (Δ) Viene quanizzaa la differenza ra valore auale e valore precedene (ricosruio)» Conversione /D a 1 bi (comparaore)» Flusso seriale di bi non pesai (comando U/D di /D a inseguimeno) Converiore differenziale a inegraore L è una serie di impulsi posiivi o negaivi, a cadenza Tck Il segnale ricosruio R è l inegrale di L 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC 215 DDC 4

5 egnali nel converiore Δ Dinamica del converiore Δ L è una serie di impulsi o -, a cadenza Fck = 1/Tck Il segnale ricosruio R è l inegrale di L ogni impulso R si sposa di γ. dinamica: Vi minimo rilevao (idle noise): γ/2 lew rae massimo: γ/tck 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC Vanaggi e limii del converiore Δ Converiore differenziale ΣΔ Un converiore differenziale ipo Δ Non richiede componeni precisi Il converiore Δ ha una dinamica limiaa, Limii per i segnali raai Livello minimo rilevabile: γ Limie superiore (dinamico): overload γ corrisponde a D di un converiore sandard Dinamica legaa alla cadenza di clock Non dipende da γ Dinamica pari a Fck/p Fs Dinamica legaa allo slew rae del segnale Per ampliare la dinamica: limiare lo slew rae ridurre l ampiezza al crescere della frequenza Inegraore all ingresso Derivaore in uscia 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC Converiore igma-dela Rumore di quanizzazione nel Σ-Δ Per semplificare il sisema Raggruppare i due inegraori sugli ingressi del sommaore Eliminare la coppia inegraore/derivaore nel D/ Nel Σ-Δ il rumore di quanizzazione ε q viene inrodoo dopo l inegraore /D D/ Rimangono i filri ani-aliasing di ingresso e di uscia (non indicai) La fd ra rumore N e uscia Y è di ipo passa-alo 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/215-3 ElapD4-215 DDC 215 DDC 5

6 ovracampionameno e decimazione chema a blocchi compleo umenando la cadenza di campionameno Rumore di quanizzazione sparso su banda più ampia» Riduzione della poenza di rumore in banda base llonanameno degli speri secondari» pecifiche meno sringeni per i filri ani aliasing vanaggio: Maggior numeri di bi da raare, maggior consumo oluzione: decimazione Filraggio digiale dell uscia posa il filro dalla pare analogica a quella digiale Operazione inversa (inerpolazione) al D/ filrao ΣΔ D seriale, cadenza ala D parallelo, cadenza bassa INTERPOLTORE DECIMTORE D seriale, cadenza ala ΣΔ 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC Quanizzazione lineare e logarimica Quanizzazione nonlineare Conversione /D con caraerisica lineare Inervalli di quanizzazione cosani Conversione /D con caraerisica logarimica Inervalli proporzionali all ampiezza del segnale» egnali di basso livello D piccolo» egnali di ampio livello D grande Poenza del rumore di quanizzazione variabile» Errore più piccolo per segnali di basso livello (quanizzazione più fine per livelli bassi) NRq indipendene dal livello del segnale essa qualià per segnali di ampiezze differeni Quanizzazione lineare (inervalli D cosani) Poenza del rumore di quanizzazione cosane NRq dipende dal livello del segnale Quanizz. nonlineare ( D variabile) Poenza del rumore di quanizzazione legaa al livello del segnale NRq indipendene dal livello del segnale D D1 NRq D2 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC Conversione del segnale vocale Converiori logarimici reali egnale vocale caraerizzao da mpia dinamica» NRq variabile con l ampiezza del segnale Disribuzione di ampiezza esponenziale» Livelli bassi maggiormene probabili» Basso NRq medio Per segnali piccoli la quanizzazione riorna lineare, quindi NRq varia con l ampiezza (6 db/oava) NRq Olre il fondo scala, rumore di Overload Conversione /D con legge logarimica NRq cosane su ampia dinamica di segnale» NRq medio più alo» Minor numero di bi (N) per un deerminao NRq Legge lineare, NRq variabile mpiezza Zona con passo di quanizzazione variabile: Legge logarimica, NRq cosane 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC 215 DDC 6

7 Eserciazione di laboraorio 3 Verifica lezione D4 Funzionameno ed errori di un converiore D/ Converiore D/ con resisenze pesae o ree a scala, deviaori di ensione, uscia in ensione Piloaggio con circuii logici CMO (conaore) Misura della caraerisica di conversione (D) Calcolo della rea approssimane e degli errori Passaggio a converiore /D a inseguimeno Verifica della dinamica e dello slew rae Riferimeni Del Corso: Converiore con ree a scala 4.L1 Manuale su sio reeweb. In un converiore a residui con sadi da 2 bi, quale deve essere il guadagno degli amplificaori? Quali sono i vanaggi e i difei dei converiori pipeline? Tracciare lo schema a blocchi per un converiore pipeline da 12 bi realizzao con /D flash da 4 bi. Elencare vanaggi e svanaggi della conversione differenziale Quale paramero deermina la dinamica di un converiore differenziale? Quali sono i vanaggi del sovracampionameno? Quale è il vanaggio principale della conversione logarimica? 6/11/ ElapD4-215 DDC 6/11/ ElapD4-215 DDC 215 DDC 7