Esempi di architetture di ADC e DAC

Transcript

1 Esempi di architetture di ADC e DAC 48

2 Architetture per ADC 49

3 Presenza di un buffer 50

4 ADC a 1 bit: comparatore 51

5 Convertitore flash 52

6 Convertitore SAR 53

7 Architetture per i DAC 54

8 Presenza di un buffer per disaccoppiamento 55

9 Resistori pesati Sommatore invertente con op-amp: 56

10 Resistori R-2R 57

11 Convertitori ad approssimazioni successive 58

12 Sommario anni 70 Principio di funzionamento SAR CMOS vantaggi problemi di interfacciamento 59

13 Multichip: 1 W!

14 Principio di funzionamento ( )? 61

15 Architettura 62

16 Esempi di architetture di ADC e DAC 48 Convertitori A/D 48

17 Architetture per ADC 49 Convertitori A/D 49

18 Presenza di un buffer 50 Convertitori A/D 50

19 ADC a 1 bit: comparatore 51 Convertitori A/D 51

20 Convertitore flash 52 Convertitori A/D 52

21 Convertitore SAR 53 L architettura di principio del SAR è del tipo riportato in figura. Si ha un S/H che ha il compito di mantenere fisso il valore dell ingresso per tutto il periodo di confronto. Il registro digitale (da cui il nome SAR: Successive Approximation Register) verifica l uscita del comparatore (che confronta la tensione incognita con quella generata da un DAC comandato dal SAR stesso). Se nel confronto V in è maggiore della tensione impostata il peso attribuito in quel momento viene mantenuto altrimenti tolto. Nella soluzione bipolare due sono gli elementi di debolezza: necessità di un S/H e dissipazione di potenza relativamente alta. Convertitori A/D 53

22 Architetture per i DAC 54 Convertitori A/D 54

23 Presenza di un buffer per disaccoppiamento 55 Convertitori A/D 55

24 Resistori pesati Sommatore invertente con op-amp: 56 Convertitori A/D 56

25 Resistori R-2R 57 Convertitori A/D 57

26 Convertitori ad approssimazioni successive 58 Questa parte è dedicata a una breve descrizione di uno dei più popolari convertitori A/D: quello ad approssimazioni successive, detto SAR (Successive Approximation Register). Il motivo della sua popolarità risiede nel costo contenuto a parità di risoluzione e, più di recente, a un consumo estremamente basso dovuto alla tecnologia CMOS impiegata per la sua realizzazione. Queste caratteristiche hanno permesso una sua integrazione in moltissimi microcontrollori aumentando di gran lunga la possibilità di realizzazione di sistemi di controllo estremamente compatti. Unitamente ai, i SAR occupano oggi buona parte del mercato degli ADC. Convertitori A/D 58

27 Sommario anni 70 Principio di funzionamento SAR CMOS vantaggi problemi di interfacciamento 59 Verrà prima mostrata la struttura dei più antichi SAR che comunque ha permesso un suo rapido sviluppo e una evoluzione in termini tecnologici. Dopo aver brevemente trattato il principio di funzionamento del SAR, si mostrerà l attuale struttura CMOS che, oltre a presentare consumi ridotti rispetto ai precursori R-2R con switch bipolari, ha consentito, unitamente ad altri benefici, l integrazione intrinseca del sistema di sample/hold. Di qui una notevole semplificazione nella realizzazione di sistemi di acquisizione e controllo. Infine, facendo riferimento a un dispositivo reale, verrà illustrato il problema tipico (e spesso trascurato) dell interfacciamento dei SAR- CMOS: il periodo di campionamento strettamente legato al valore di resistenza interna della sorgente che pilota il SAR. Convertitori A/D 59

28 Multichip: 1 W! I SAR-ADC hanno trovato largo utilizzo in ambito industriale sin dalla loro comparsa commerciale negli anni 70. Con risoluzione da 8 a 16 bit, le caratteristiche di DNL, INL, offset e guadagno hanno consentito lo sviluppo di sistemi nell ambito del controllo di processi, medicale e nei primi sistemi audio. Realizzati in tecnologia bipolare, essi rappresentarono per l epoca la soluzione ADC a basso consumo e basso costo. Inoltre, basati su DAC R-2R, la loro accuratezza poteva essere resa piuttosto elevata con l impiego di resistori a film spesso regolati finemente con un opera di laser-trimming. Questa prima generazione di SAR richiedeva l impiego di circuiti S/H esterni o al limite integrate su chip singolo in moduli multi-chip di tipo ibrido (vedi figura). Negli anni i SAR rappresentarono lo stato dell arte della allora moderna tecnologia bipolare. Convertitori A/D 60

29 Principio di funzionamento ( )? 61 Per comprendere il principio di funzionamento di un SAR facciamo riferimento al sistema di pesatura riportato in figura. Il nostro peso incognito X (45 nell esempio) viene all inizio confrontato con un totale di 32 pesi campioni. Se la bilancia ci dice che X è maggiore di 32, aggiungeremo a questi altri 16 pesi. Nell esempio, il totale raggiunto di 48 è eccessivo e allora togliamo i 16 pesi depositati e ne poniamo solo 8. Il totale di 40 ora è in difetto e procediamo con l aggiunta di altri 4 e così via. Dal disegno si vede che con la base di potenze di 2 scelto sono necessari 6 passaggi soltanto per scoprire il peso dell oggetto. La risoluzione è di 1 su 64. Un ADC-SAR basa il suo funzionamento sullo stesso principio: la tensione incognita viene confrontata col valore V ref /2, poi si aggiunge V ref /4, poi V ref /8 e così via fino al valore minimo scelto per la risoluzione. Maggiore è la risoluzione, maggiore sarà il numero di passaggi necessari (e migliore dovrà essere l elettronica dell ADC). La parola binaria di uscita viene composta dallo MSB allo LSB in un numero di passi (periodi di clock) pari al numero di bit dell ADC. Sarà memorizzato un 1 se il peso deve essere mantenuto, 0 altrimenti. Convertitori A/D 61

30 Architettura 62 L architettura di principio del SAR è del tipo riportato in figura. Si ha un S/H che ha il compito di mantenere fisso il valore dell ingresso per tutto il periodo di confronto. Il registro digitale (da cui il nome SAR: Successive Approximation Register) verifica l uscita del comparatore (che confronta la tensione incognita con quella generata da un DAC comandato dal SAR stesso). Se nel confronto V in è maggiore della tensione impostata il peso attribuito in quel momento viene mantenuto altrimenti tolto. Nella soluzione in tecnologia bipolare due sono gli elementi di debolezza: necessità di un S/H e dissipazione di potenza relativamente alta. Convertitori A/D 62