sar ацп что это

Раскладываем по полочкам параметры АЦП

Привет, Хабр! Многие разработчики систем довольно часто сталкиваются с обработкой аналоговых сигналов. Не все манипуляции с сигналами можно осуществить в аналоговой форме, поэтому требуется переводить аналог в цифровой мир для дальнейшей постобработки. Возникает вопрос: на какие параметры стоит обратить внимание при выборе микроконтроллера или дискретного АЦП? Что все эти параметры означают? В этой статье постараемся детально рассмотреть основные характеристики АЦП и разобраться на что стоит обратить внимание при выборе преобразователя.

Введение

Рис. 1: Идеальная характеристика АЦП

Статические параметры

Рис. 4: Дифференциальная нелинейность

Рис. 5: Интегральная нелинейность

Динамические параметры

Наглядно данное выражение продемонстрированно на рисунке 7.

Рис. 7: Отношение сигнал/шум

Для оценки SNR АЦП при разработке системы можно воспользоваться следующей формулой:

Первые 2 слагаемых учитывают уровень сигнала и ошибку квантования (нужно понимать, что формула верна для сигнала размаха полной шкалы). Третье слагаемое учитывает эффект передискретизации (выигрыш по обработке или processing gain): если полоса обрабатываемого сигнала (BW Свойство переноса спектра при дискретизации

Рис 12: дискретизация непрерывного сигнала

По фильтрующему свойству дельта-функции:

После дискретизации :

где

С помощью формулы Релея вычислим спектр:

Из этого выражения следует что спектр сигнала будет повторяться во всех зонах Найквиста.

Итак, если есть хороший антиэлайзинговый фильтр, то соблюдая критерий Найквиста, можно оцифровывать сигнал с частотой дискретизации намного ниже полосы АЦП. Но использовать субдискретизацию нужно осторожно. Следует учитывать, что динамические параметры АЦП деградируют (иногда очень сильно) с ростом частоты входного сигнала, поэтому оцифровать сигнал из 6-й зоны так же «чисто», как из 1-й не получится.
Несмотря на это субдискритезация активно используется. Например, для обработки узкополосных сигналов, когда не хочется тратиться на дорогой широкополосный быстродействующий АЦП, который вдобавок имеет высокое потребление. Другой пример – выборка ПЧ (IF-sampling) в РЧ системах. Там благодаря undersampling можно исключить из радиоприемного тракта лишнее аналоговое звено — смеситель (который переносит сигнал на более низкую несущую или на 0).

Сравним архитектуры

На данный момент в мире существует множество различных архитектур АЦП. У каждой из них есть свои преимущества и недостатки. Не существует архитектуры, которая бы достигала максимальных значений всех, описанных выше параметров. Проанализируем какие максимальные параметры скорости и разрешения смогли достичь компании, выпускающие АЦП. Также оценим достоинства и недостатки каждой архитектуры (более подробно о различных архитектурах можно прочитать в статье на хабр).

Тип архитектуры	Преимущества	Недостатки	Максимальное разрешение	Максимальная частота дискретизации
flash	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт.	Высокое энергопотребление. Ограниченное разрешение. Требует большой площади кристалла ( компараторов). Трудно согласовать большое количество элементов (как следствие низкий выход годных).	14 бит 128 КВыб/с AD679	3 бит 26 ГВыб/с HMCAD5831
folding-interpolated	Быстрый преобразователь. Преобразование осуществляется в один такт. Требует меньшее число компараторов благодаря предварительной «свёртке» всего диапазона обработки в некоторый более узкий диапазон. Занимает меньше площади.	Ошибки, связанные с нелинейностью блока свёртки. Задержка на установление уровней в блоке свёртки, которая уменьшает максимальную fs. Среднее разрешение.	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200	12 бит 6.4 ГВыб/с ADC12DL3200
SAR	Высокая точность. Низкое энергопотребление. Легка в использовании.	Ограниченная скорость.	32 бит 1 МВыб/с LTC2500	10 бит 40 МВыб/с XRD64L43
pipeline	Быстрый преобразователь. Самая высокая точность среди быстрых АЦП. Не занимает большую площадь. Имеет меньшее потребления, среди аналогичных быстрых преобразователей.	Конвейерная задержка.	24 бит 192 КВыб/с AK5386	12 бит 10.25 ГВыб/с AD9213
dual-slope	Средняя точность преобразования. Простота конструкции. Низкое потребление. Устойчивость к изменениям факторов внешней среды.	Обрабатывает низкочастотные Сигналы (низкая fs). Посредственное разрешение.	12+знаковый бит 10 Выб/с TC7109	5+знак бит 200 КВыб/с HI3-7159
∑-Δ	Самая высокая точность пре- Образования благодаря эффекту «Noise shaping» (специфическая фильтрация шума квантования) и передискретизации.	Не может работать с широкополосным сигналом.	32 бита 769 КВыб/с AK5554	12 бит 200МВыб/с ADRV9009

Информацию для таблицы брал на сайте arrow, поэтому если что-то упустил поправляйте в комментариях.

Источник

В чем разница между Δ∑-АЦП и АЦП последовательного приближения?

Выбирая между АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП, разработчик, как правило, должен решить, что для него важнее в конкретном приложении – высокое разрешение или частота дискретизации.

Сегодня практически в каждом электронном устройстве используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Одна из задач, стоящих перед разработчиком при создании нового устройства, заключается в выборе типа АЦП. Этот выбор во многом определяет эффективность конечного решения. В данной статье рассматриваются два наиболее популярных типа АЦП: АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП. В заключении даются рекомендации, которые помогут разработчикам сделать грамотный выбор между этими архитектурами.

Для описания АЦП используются десятки различных параметров. Рассмотри наиболее важные из них.

Разрешение. Разрешение АЦП определяется его максимальной разрядностью. Разрешение также может выражаться как минимальное изменение входного аналогового сигнала, которое приводит к изменению выходного цифрового значения на 1 бит LSB (младший значащий разряд). Таким образом, аналоговое разрешение определяет минимальное изменение входного сигнала, которое может быть зафиксировано АЦП.

Точность. Точность АЦП характеризует, насколько реальный выходной цифровой сигнал отличается от идеального значения. Точность АЦП определяется шумом квантования, нелинейностями в передаточной характеристике и дополнительными источниками шума.

Частота дискретизации. Частота дискретизации – это наибольшее количество выборок, которое АЦП способен выполнить за одну секунду. Например, АЦП может делать 10 миллионов выборок в секунду (10 MSPS). Частота дискретизации связана со временем преобразования, то есть тем временем, которое требуется для выполнения одного преобразования. Для частоты дискретизации 10 MSPS время преобразования составляет 100 нс.

Есть и другие важные характеристики АЦП, но, к сожалению, они оказываются слишком сложными, чтобы их можно было рассмотреть в рамках данной короткой статьи. При необходимости с ними можно ознакомиться самостоятельно с помощью других публикаций.

Сравнение типов АЦП

Существует пять наиболее распространенных архитектур АЦП: АЦП двойного интегрирования (dual slope ADC), АЦП последовательного приближения (successive approximation ADC), АЦП прямого преобразования (flash ADC), АЦП конвейерного типа (pipelined ADC), дельта-сигма АЦП (delta-sigma ADC).

АЦП двойного интегрирования отличаются низкой частотой дискретизации и используются в основном в измерительных приборах, таких, например, как цифровые вольтметры. АЦП с последовательным приближением имеют хорошее разрешение и умеренно высокую частоту дискретизации, в то время как АЦП прямого преобразования предлагают самую высокую скорость преобразования, но характеризуются невысоким разрешением. Преобразователи конвейерного типа использует несколько АЦП прямого преобразования, что позволяет увеличить разрешение и сохранить высокую частоту дискретизации. Наконец, сигма-дельта АЦП (ΔΣ) обеспечивают очень высокое разрешение, но отличаются самой низкой частотой дискретизации. В таблице 1 представлены характеристики всех перечисленных типов преобразователей.

Таблица 1. Характеристики различных типов АЦП

Тип АЦП

Разрешение, бит

Частота дискретизации

100 выборок в секунду

10 миллионов выборок в секунду

10 миллиардов выборок в секунду

1 миллиард выборок в секунду

1 миллион выборок в секунду

Самыми популярными типами АЦП являются АЦП последовательного приближения и ΔΣ-АЦП. Оставшаяся часть статьи посвящена более детальному рассмотрению особенностей этих двух типов преобразователей.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения является одним из старейших и наиболее популярных типов АЦП. Их обычно используют в приложениях сбора данных, в промышленной автоматике и в контрольно-измерительных приборах, то есть там, где сверхвысокая скорость не требуется.

На рис. 1 показана структурная схема АЦП последовательного приближения. В ее основе лежит регистр последовательного приближения. Результат, хранящийся в этом регистре, поступает на выход АЦП по параллельной шине. Эта же шина подключена к цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), который формирует аналоговый сигнал в соответствии с содержимым регистра. Сигнал от источника опорного напряжения, подаваемого на вход ЦАП, определяет диапазон входных напряжений АЦП (например, от 0 до 5 В).

Рис. 1. В основе АЦП последовательного приближения лежит регистр последовательного приближения

Сигнал с выхода ЦАП поступает на вход компаратора. На другой вход компаратора подается аналоговый сигнал, который требуется оцифровать. Этот сигнал обычно предварительно нормализуется с помощью усилителя выборки хранения. Усилитель выборки хранения содержит ключ и конденсатор, который заряжает/ разряжается входным напряжением. Каждое преобразование начинается с выборки входного напряжения. Для этого ключ усилителя открывается, и входное напряжение заряжает конденсатор. Далее усилитель обеспечивает постоянство этого напряжения в течение всего процесса преобразования.

В некоторых случаях усилитель выборки-хранения может отсутствовать. Речь идет об АЦП с низким быстродействием и невысоким разрешением.

Разрешение АЦП последовательного приближения обычно находится в диапазоне от 8 до 18 бит и зависит от количества битов в регистре последовательного приближения. Чем больше количество битов, тем больше разрешение и точность. Например, для 12-разрядного АЦП с опорным 5 В ЦАП аналоговое разрешение составит V_R/ 2 N = 5/ 2 12 = 5/ 4096 = 1,22 мВ.

АЦП использует специальный алгоритм работы. Логика управления последовательно устанавливает или сбрасывает отдельные биты в регистре последовательного приближения в соответствии с состоянием выхода компаратора. Изначально все биты регистра сброшены. При запуске преобразования старший бит регистра (MSB) устанавливается в «1». Далее выполняется сравнение. Если входное напряжение АЦП оказывается больше, чем напряжение на выходе ЦАП, то бит регистра остается установленным, в противном случае сбрасывается.

Затем устанавливается следующий по старшинству бит и выполняется новое сравнение. Тактовый сигнал определяет скорость установки и сброса битов регистра. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут оценены все биты. Общее время преобразования в таком случае определяется временем установки/ сброса одного бита, умноженным на количество битов в регистре последовательного приближения. Для 16-разрядного АЦП с тактовой частотой 2 МГц время преобразования составляет 16 x 0,5 мкс = 8 мкс. Время преобразования определяет частоту дискретизации АЦП.

После выполнения преобразования полученное цифровое значение входного напряжения может быть считано по параллельной шине напрямую из регистра последовательного приближения, либо в качестве альтернативного варианта содержимое регистра может быть перенесено в сдвиговый регистр, из которого результат считывается с помощью последовательного интерфейса.

Дельта-сигма АЦП

ΔΣ-АЦП используют более современную архитектуру, которая была разработана после создания эффективных механизмов цифровой обработки сигналов (DSP). Эта архитектура оказывается уникальной и сложной, но обеспечивает рекордное разрешение и минимальный уровень шума. В то же время, ΔΣ-АЦП уступают остальным типам АЦП по частоте дискретизации, поэтому чаще всего их используют для работы с постоянными сигналами и низкочастотными сигналами аудиодиапазона. Типичными приложениями для ΔΣ-АЦП являются измерительные приборы и цифровое аудио (например, CD, MP3 и т. д.).

На рис. 2 показана структурная схема ΔΣ-АЦП. В ее основе лежит ΔΣ-модулятор. Входной сигнал АЦП подается на дифференциальный усилитель, где из него вычитается выходной сигнал встроенного 1-битного ЦАП. Затем результат интегрируется и поступает на компаратор, который сравнивает его с нулевым потенциалом. Далее выход компаратора устанавливает или сбрасывает D-триггер. Состояние D-триггера снова отправляется в ЦАП. Так как ЦАП имеет разрядность 1 бит, то на его выходе может присутствовать либо 0 В, либо напряжение опорного источника. В качестве альтернативного варианта ЦАП может формировать двухполярный сигнал, например ± 1 В.

Рис. 2. В основе ΔΣ-АЦП лежит схема модулятора

В результате на выходе D-триггера создается битовый поток. Плотность появления логических единиц «1» в этом потоке пропорциональна уровню входного напряжения. Каждый тактовый импульс генерирует один бит входного сигнала и один бит последовательного выходного сигнала. Тактовая частота обычно намного выше, чем частота входного сигнала, что необходимо для обеспечения передискретизации.

Сам по себе битовый поток оказывается не очень полезным. По этой причине в дальнейшем он обрабатывается низкочастотным DSP-фильтром и дециматором. Описание фактических процессов, происходящих в этих блоках, выходит за рамки данной статьи. Отметим лишь, что на выходе формируются цифровые битовые слова заданной длины. Цифровой фильтр и дециматор обычно входят в состав АЦП.

Ключевой особенностью ΔΣ-АЦП является тот факт, что фильтр нижних частот удаляет большую часть высокочастотного шума, генерируемого в процессе измерений. Дециматор уменьшает количество выходных слов в соответствии с заданным коэффициентом прореживания. Коэффициент прореживания определяет, какое количество выборок будет усреднено для получения каждого выходного цифрового слова.

Итак, какие преобразователи лучше: ΔΣ-АЦП или АЦП последовательного приближения?

Ответ зависит от конкретного приложения. Какой из параметров оказывается для Вас наиболее критичным: разрешение или частота дискретизации? Для получения максимального разрешения следует выбирать ΔΣ-АЦП, для которых разрядность достигает 32 бит. Разрешение у АЦП последовательного приближения также весьма достойное, но, как правило, не превышает 18 бит.

Скорость выборки также имеет большое значение. АЦП должен быть достаточно быстрым, чтобы отрабатывать наиболее высокочастотные входные сигналы. В соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна превышать самую высокочастотную составляющую исследуемого сигнала как минимум в два раза. Так, например, если максимальная частота входного сигнала составляет 45 кГц, то частота дискретизации должна быть более 90 кГц. На практике для получения приемлемых результатов используют частоту дискретизации, превышающую частоту исследуемого сигнала в пять-десять раз.

ΔΣ-АЦП и АЦП последовательного приближения имеют максимальную частоту дискретизации до 10 миллионов выборок в секунду (10 MSPS). Однако следует иметь в виду, что для ΔΣ-АЦП частота обновления данных оказывается меньше из-за выполнения децимации и обычно находится в диапазоне тысяч выборок в секунду (kSPS). Вместе с тем ΔΣ-АЦП обеспечивают более качественное удаление шума, чем АЦП последовательного приближения.

Одно из преимуществ АЦП последовательного приближения заключается в том, что в них может использоваться мультиплексирование нескольких входов для получения многоканальных решений. Мультиплексор выполняет коммутацию каналов, подавая входные сигналы на усилитель выборки-хранения. Очевидно, что при последовательном опросе каналов частота дискретизации для каждого отдельного входа оказывается ниже. Например, четырехканальный АЦП с частотой дискретизации 5 MSPS обеспечивает частоту измерений для каждого канала 1,25 MSPS.

Таблица 2. Достоинства, недостатки и области применения ΔΣ-АЦП и АЦП последовательного приближения

Источник

АЦП последовательного приближения (SAR ADC)

Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения (SAR ADC). Эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд.

При измерении каких-либо объектов мы обычно последовательно увеличиваем точность измерения. Например, при измерении длины мы сначала определяем ее в метрах, затем добавляем к полученному значению остающиеся десятки сантиметров, потом остаток в сантиметрах и т.д. То есть при каждом последующем измерении точность увеличивается на один десятичный разряд. Подобным образом можно проводить измерения и в двоичной системе счисления. В этом случае каждый раз точность измерения будет возрастать ровно в два раза. Подобный процесс измерения напряжения иллюстрируется рисунком 1.

Рисунок 1. Временные диаграммы напряжений на входах компаратора АЦП последовательного приближения

При измерении неизвестного расстояния оно сравнивается с эталоном длины — линейкой. Но где же взять эталонные напряжения? Для этого можно воспользоваться цифро-аналоговым преобразователем. Если на его вход подавать цифровые коды, то на его выходе будут появляться напряжения, соответствующие этим цифровым кодам. Для формирования необходимых для измерения цифровых кодов служит специальная схема, называемая регистром последовательного приближения.

Для сравнения неизвестного напряжения, поступающего с выхода устройства выборки и хранения, с эталонными напряжениями, поступающими с выхода цифро-аналогового преобразователя, воспользуемся уже известным нам аналоговым компаратором. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения

В первый момент времени после поступления первого тактового импульса на выходе регистра последовательного приближения формируется код половины полной шкалы преобразователя. Этот код соответствует двоичному числу 01111111. При подаче этого кода на входы цифро-аналогового преобразователя на его выходе появится напряжение, соответствующее половине полной шкалы входных напряжений (или, что то же самое, половине опорного напряжения Uоп, подаваемого на соответствующий вход цифро-аналогового преобразователя).

При поступлении следующих тактовых импульсов этот код будет сдвигаться вправо, обеспечивая тем самым уменьшение веса разрядов ровно вдвое. Таким образом, если после первого тактового импульса на выходе цифро-аналогового преобразователя присутствует половина полной шкалы, то после второго тактового импульса там будет присутствовать четверть, затем одна восьмая часть полной шкалы, и так далее.

В примере, приведенном на рисунке 1, измеряемое напряжение превышает значение половины полной шкалы АЦП, а значит, на выходе аналогового компаратора появится уровень логической единицы. При поступлении второго тактового импульса этот сигнал запишется в старший разряд регистра последовательного приближения. В результате на выходе этого регистра появится код 10111111, а значит, напряжение на выходе ЦАП станет равным 3/4 от напряжения полной шкалы. Если бы напряжение на выходе УВХ оказалось меньше напряжения, поступающего с выхода ЦАП, то на выходе компаратора появился бы нулевой потенциал, и в регистр последовательного приближения был бы записан код 00111111, а значит, на выходе ЦАП сформировалось бы напряжение 1/2 от напряжения полной шкалы.

В примере, приведенном на рисунке 1, напряжение на выходе ЦАП при втором измерении превысит напряжение с выхода УВХ, поэтому на выходе компаратора появится нулевой уровень. При поступлении третьего тактового импульса этот сигнал запишется во второй разряд регистра последовательного приближения, поэтому код на его выходе станет равным 10011111. На этот раз напряжение на выходе ЦАП уменьшится на 1/8 U_оп от предыдущего значения.

Итак, на вход регистра последовательного приближения поступило три тактовых импульса, и мы получили два разряда цифрового кода. После поступления на вход регистра последовательного приближения девяти тактовых импульсов мы получим полный 8-разрядный двоичный код, соответствующий входному напряжению. В примере, приведенном на рисунке 1, этот код равен 10101000.

После завершения преобразования, на управляющем выходе регистра последовательного приближения появляется нулевой потенциал, показывающий, что преобразование закончено.

Итак, для полного преобразования аналогового сигнала в цифровую форму АЦП последовательного приближения требуется, как минимум, N+1 тактовых импульсов (один такт на выдачу половинного напряжения и N тактов для получения N двоичных разрядов).

АЦП последовательного приближения могут работать как в режиме одиночного преобразования, так и в режиме создания непрерывного потока данных. На рисунке 2 этот аналого-цифровой преобразователь включен в режиме непрерывного преобразования входного сигнала. В этом режиме тактовая частота должна подаваться от высокостабильного генератора.

Если требуется производить одиночное аналого-цифровое преобразование в определенные моменты времени, то обратная связь с выхода готовности на вход запуска регистра последовательного приближения разрывается и преобразование начинается сразу же после поступления импульса на вход запуска. В этом случае высокой стабильности от генератора тактовой частоты не требуется.

АЦП последовательного приближения используются на частотах преобразования от единиц килогерц до десятков мегагерц. При этом удается достигнуть точности преобразования до 18 двоичных разрядов.

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Источник

Скоростной АЦП с нуля. 16 бит за 10 лет

Чего стоит разработать быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, почти не имея опыта? Насколько сильно наше отставание в этой области? Есть ли в этой нише шанс найти коммерческое применение своей продукции и отщипнуть хоть кусочек рынка у гигантов мира сего? Выпуская в свет новый 16-битный 80 МГц АЦП, хотим порассуждать на эти темы и рассказать о самой микросхеме и опыте её создания.

Введение

…2010 год. Тогда многие этим увлекались. Тема быстрых АЦП вдруг стала популярной. Кто-то раньше, кто-то позже, но сразу несколько российских компаний принялись вести разработки в этой области. Не стали исключением и мы. Словно нужно было дождаться, когда рассеется дым горящих вокруг Москвы торфяников, чтобы увидеть, что ниша отечественных скоростных аналого-цифровых преобразователей совершенно пуста. Отставание было гигантским, в несколько поколений. Из «наших» тогда можно было достать только старые добрые микросхемы серии 1108ПВ — 10-14 разрядные АЦП с быстродействием 0,3-1,3 МГц, разработанные еще в советской Риге. Самым «крутым» считался вильнюсский биполярный 1107ПВ3, тоже родом из 80-х, который имел разрядность 6 бит и мог работать со скоростями до 100 МГц. В это же время западные микросхемы на таких скоростях достигали уже 16 бит! А при меньшей разрядности могли работать на нескольких сотнях мегагерц.

Столь привлекательным казалось попытаться наверстать отставание и заполнить этот вакуум отечественного сегмента АЦП. Было очевидно: кто первый создаст что-то более-менее современное, у того будет шанс монополизировать в дальнейшем весь сегмент. Ввязавшись в гонку тогда, мы смутно догадывались, что путь предстоит неблизкий, но никто не предполагал, что первый верстовой столб на нём будет стоять на отметке в 10 лет…

Смог в Зеленограде 2010 г. Фото с сайта Graker.ru

Что за зверь?

Здесь мы на секунду прервёмся, чтобы сказать несколько общих слов об аналого-цифровых преобразователях вообще и о быстродействующих в частности.

Наверное, каждый человек, сам того не подозревая, ежедневно имеет дело с АЦП. Электроника окружает нас повсюду, и, если речь идёт о современном устройстве хоть чуточку сложнее штепсельной вилки, в нём наверняка трудится этот девайс. А уж такая привычная нам техника, как смартфоны, видеокамеры, аудиопроигрыватели, игровые станции, и пр. буквально напичканы ими. Аналого-цифровые преобразователи в их составе выполняют разную работу и имеют присущую этой работе архитектуру: это может быть SAR, Delta-sigma, Pipeline, Folded-interpolated, Flash, Dual-slope и т.д. Такое разнообразие видов обусловлено тем, что не существует оптимальной архитектуры для всех типов приложений. С точки зрения исполнения АЦП могут быть встроены в системы-на-кристалле или реализованы в виде отдельных микросхем.

В системах радиосвязи, радиолокации, телекоммуникации зачастую используются быстродействующие АЦП. Быстродействующими считаются преобразователи с частотой выборки более 10 Мвыб/c. Как правило, они имеют архитектуру Flash, Folded-Interpolated или pipeline, хотя в последнее время стали появляться и быстрые SAR.

У любого АЦП довольно много различных параметров. Для высокоскоростных преобразователей ввиду специфики их применения особенно важны динамические – SFDR, SNR, IMD. Подробнее об этих и других параметрах можно прочитать здесь.

Первые шаги

Вернемся обратно в 2010 год. Какими наивными мы были! Сейчас уже невозможно сдержать улыбку, просматривая отчёты и презентации, что мы делали тогда. Только с аспирантской скамьи, мы строили честолюбивые планы, как через пару-тройку лет сделаем преобразователь, не менее быстрый и не менее точный, чем у них… Ведь опыт разработки быстродействующих АЦП уже был. В нашем портфолио лежал аж 14-битный 100 МГц преобразователь! (Не миландровский.) Правда работал он так:

Вид кристалла и спектр после первой попытки

На выходе этого «преобразователя» вместо синусоиды был изрезанный резкими провалами меандр. Представляете, два года работы – и такое фиаско! SNR 17 дБ вместо расчётных 68. Тем не менее никто не унывал, потому что такие провалы не редки в микроэлектронике. Такова уж специфика, что за каждой схемой, как бы хорошо она не работала на модели, скрывается вопрос — а в «железе» будет работать? Ответить на этот вопрос, и то не наверняка, можно только с опытом.

Итак, мы перевернули страницу и принялись заново разрабатывать 14-разрядный 100 МГц АЦП. Вскоре параллельно с нами начала работать другая, более опытная команда, перешедшая к нам со своими разработками из другой компании. Мы недоумевали тогда, зачем двум командам решать, пусть и разными способами, но одну и ту же задачу? Зачем эта внутренняя конкуренция? Оказывается этим, сами того не подозревая, мы копировали в миниатюре великих мира сего…

А как там у них?

Нам было любопытно, как развивалось направление быстрых АЦП у лидеров сегмента. Для примера мы взяли компанию Analog Devices, которая еще в 2010 году удерживала 48% рынка преобразователей, что больше, чем доля 8 последующих конкурентов вместе взятая. Проанализировав и сопоставив официальные даташиты и научные публикации, мы составили следующий таймлайн:

В таблице приведены примерный год выхода и технология выдающихся для своего времени АЦП, а также подразделение компании, занимавшееся разработкой. (У нас нет инсайда, поэтому эти данные отражают лишь наше виденье.)

Не разбирая всех причин такого успеха компании, отметим лишь две наиболее важные для нас, инженеров. Во-первых, это полувековое эволюционное развитие, позволившее накопить внушительный «коллективный» опыт. Во-вторых, большие финансовые и ресурсные вложения, свидетельствующие о приоритетности этого направления в компании. Над быстродействующими АЦП одновременно работают два подразделения, в Вилмингтоне и Гринсборо (США), причем в разработке каждой микросхемы может быть задействовано до нескольких десятков инженеров. Основной костяк каждой группы — это инженеры, которые много лет занимаются исключительно этой тематикой. Иногда у обеих команд получались близкие по характеристикам преобразователи, хоть и шли они каждый своим путём. Зачастую и в этом случае обе микросхемы выводились на рынок. Супербыстрые преобразователи последнего поколения оказались «неподъёмными» для какого-то одного подразделения, поэтому обе команды вынуждены были объединить усилия.

Долгая дорога в дебрях

Отметка «мы здесь» на таймлайне вверху демонстрирует, что в области быстродействующих АЦП наше отставание от передовых разработок на сегодня составляет около 10 лет. И это после десятилетней работы! Наверняка кому-нибудь понадобилось бы меньше времени, но именно столько мы потратили, чтобы пробраться сквозь дебри разработки и получить результат, за который не стыдно.

В первое время недостаток опыта и схемотехнических навыков приводил к неоптимальным или даже ошибочным решениям. Учесть все нюансы и найти лучшее решение было затруднительно не только ввиду сложности системы, но и потому, что симуляторы того времени просто не позволяли промоделировать весь АЦП целиком.

Очень скоро выяснилось, что при таких скоростях на параметры влияет не только качество схемотехники самой микросхемы, но и того, что её окружает – корпуса и печатной платы. Нужно было учиться разрабатывать платы для таких приложений: ведь сначала не получалось даже повторить демо-плату ADI так, чтобы параметры их же АЦП соответствовали даташиту. Индуктивности использовавшегося корпуса тоже пагубно отражались на характеристиках, поэтому пришлось разработать новый корпус с так называемым «донным» контактом (exposed pad), чтобы увеличить количество выводов «земли».

Качество измерений при производстве – ещё один фактор, ограничивающий достигаемые характеристики. При функциональном контроле используется своя оснастка из печатной платы и контактирующего устройства (коробочка, куда вставляется микросхема и прижимается к плате). Предназначенная для больших промышленных тестеров, эта оснастка громоздкая, а значит привносит дополнительные «паразиты» и губит параметры. К примеру, даже у последнего АЦП мы вынуждены ограничивать скорость и диапазон напряжения питания из-за того, что просто не можем подтвердить в условиях цеха параметры, достигаемые этой же микросхемой, но распаянной на компактной плате. Нечего и говорить о том, что достичь высоких характеристик невозможно без современного измерительного оборудования – в первую очередь дорогих генераторов с низким уровнем шума и джиттера, а также высококачественных полосовых фильтров высокого порядка, чтобы отфильтровывать гармоники этих генераторов.

Таймлайн тестовых образцов в ходе разработки микросхемы

За время, что мы работали над этой микросхемой, было сделано 5 запусков. Будучи fabless компанией, каждый запуск обходился нам «в копеечку», которую, к тому же, приходилось доставать из своего кармана (из кармана компании, а не из брюк инженеров), так как этот проект не связан с ОКР-ами и финансируется из собственных средств. Помимо цены есть ещё один минус для мелких fabless компаний. Ожидание кристаллов после запуска иногда затягивается до полугода, чем напрочь выбивает из рабочего ритма.

В 2014 году мы готовы были выводить имеющуюся разработку в свет, руководствуясь принципом «на безрыбье и рак — рыба». Микросхема была откровенно «сырая», плохо калибровалась, поэтому хорошо, что к этому моменту вторая наша команда АЦП-шников сделала более хорошую микросхему – её и стали производить под именем 5101HB015. Чтобы попробовать превзойти этот АЦП, нам пришлось перейти на новую архитектуру и даже другую фабрику.

И вот, наконец, новая микросхема увидит свет!

Коммерческий рынок. Почему высокоскоростные АЦП?

Прежде, чем говорить о получившейся микросхеме, поделимся своими соображениями относительно её возможных перспектив. Коммерческий рынок быстродействующих АЦП довольно специфичен и на нём, как бы это дерзко не звучало, можно попытаться сыграть.

A. Выход на мировой рынок

Наверняка, многие знают: чтобы сделать коммерчески выгодный продукт в микроэлектронике, необходим крупный рынок сбыта. Это связано с окупаемостью R&D, измерительного оборудования, запуска тестовых кристаллов и т.д. Влияет на цену микросхемы и тот факт, что фабрика даёт скидку на пластины при больших объёмах производства. В суровых реалиях российского приборостроения сложно сделать схему, которая бы обеспечила высокий спрос. Тем более, когда существуют такие гиганты как ST, TI, ADI, ну и китайские аналоги любых микросхем, которые можно купить за «3 копейки».

Один из способов решения проблемы – искать высокомаржинальные направления, которые не требуют серьезных вложений в создание программной инфраструктуры. Скажем, FPGA, процессоры и другие цифровые решения помимо собственно выпуска микросхемы требуют создания среды разработки. На то, чтобы сделать её качественной и удобной для пользователя, может уйти гораздо больше времени и денег, чем на сам чип.

С высокоскоростными преобразователями всё иначе. На рынке существуют 3 основные компании, которые развивают направление высокоскоростных АЦП: TI, ADI и Maxim Integrated (последние две объявили о слиянии). Поэтому данный рынок сильно монополизирован. Цены на преобразователи с частотой дискретизации 80 Мвыб/c находятся в районе 80 долларов, что подразумевает серьезную наценку. На habr есть статья, в которой хорошо освещена проблема монополии в микроэлектронике.

Б. Ограничение поставки в Россию и Китай

С каждым годом вступают все более жесткие ограничения на поставки ЭКБ в Россию и Китай. Высокоскоростные точные преобразователи попадают в категорию ограничений. Даже потребители из европейских стран при заказе таких микросхем должны заполнять документацию, связанную с экспортным контролем продукции двойного назначения. Этот аспект тормозит развитие коммерческих устройств, которые могли бы достичь лучших параметров.

Фото с сайтов Mouser, Arrow
В. Улучшение качества собственных продуктов РЭА
На данный момент у нас разрабатывается система ADAS для помощи водителю. Для обработки данных с радара может использоваться новый АЦП, что позволит существенно поднять точностные параметры системы, а также уменьшить стоимость аппаратуры.

Обобщив все эти пункты, мы решили создать коммерческий вариант микросхемы (называться будет MDRA1A16FI), цена которой будет ниже, чем у зарубежных аналогов. Образцы в металлокерамическом корпусе можем предоставить всем заинтересованным уже сейчас, а в пластиковом корпусе QFN-48 — в начале 2021 года. Кому интересно, здесь можно оставить заявку на получение образцов. Пластиковый корпус существенно меньше металлокерамического – всего 7x7x0.85 мм против 11x11x2 мм, и, следовательно, легче и дешевле.

Что в итоге получилось

Теперь, наконец, о самой микросхеме – что в итоге получилось. Микросхема, получившая название 5101HB045, представляет собой 16-разрядный АЦП с частотой дискретизации 80 Мвыб/c. Её характеристики следующие:

Разрядность, бит		16
Напряжение питания, В		1.8
Полная шкала, В (п-п)		2
Частота преобразования, МГц		80
Соотношение сигнал/шум, dBFS (при =10/75МГц)		75.0 / 73.1
Динамический диапазон, свободный от гармоник, dBc (при =10/75МГц)		94 / 83
Интермодуляционные искажения 3-го порядка, dBc (при

Спектр, интегральная и дифференциальная нелинейность

Структурная схема преобразователя:

Микросхема представляет собой одноканальный АЦП конвейерного типа с разрядностью 16 бит. Процесс преобразования происходит в несколько этапов:

Микросхема обладает множеством режимов работы, которые можно конфигурировать с помощью SPI интерфейса. Все подробности – в спеке. Кстати, мы наконец-то сделали спецификацию по западному стандарту (правда англоязычную) – без всяких запутанных «ТУ-шных» таблиц.

Стало лучше?

Во многом, да, если сравнивать с тем же 5101НВ015:

Отладочный комплект и софт

Для того, чтобы попробовать этот АЦП в действии, и при этом не заниматься проектированием печатной платы, мы разработали специальный отладочный комплект. В него входят две платы – аналоговая (собственно АЦП и обвязка) и цифровая (сбор выходных данных). Обе платы соединяются разъемами и питаются от одного стандартного 5 В блока питания.

Используя этот отладочный комплект, можно легко и быстро проверять свои решения при разработке аппаратуры. Достаточно подключить к разъёму входной сигнал, всё остальное сделает комплект. На плате присутствует источник тактового сигнала и даже источник внешнего опорного напряжения, чтобы проверить, как работает система при «опоре» 1,25 В. При желании можно подать свой собственный тактовый сигнал через соответствующий разъем.

Самостоятельно собирать и обрабатывать выходные отсчёты с АЦП тоже не нужно. Мы написали новый софт – быстрый и автономный. Предыдущая версия требовала, к примеру, предустанавливать matlab-библиотеки, что достаточно неудобно. Программа умеет конфигурировать АЦП, снимать и выгружать с него данные, строить спектр и вычислять по нему характеристики. Данное ПО поставляется в составе отладочного комплекта. Так же, его можно скачать здесь. Кому интересны комплекты, вот ссылка.

Скриншоты отладочного ПО

Работа над ошибками

Да, мы сделали большой рывок, но часть характеристик всё еще не дотягивает до параметров импортных микросхем. Сравним основные характеристики существующих 16 разрядных АЦП с частотой дискретизации 80 Мвыб/c.

Недостатком нашей микросхемы является деградация линейности и ухудшение шума при работе в т.н. “undersampling” режиме (информацию об этом добавили в предыдущую публикацию), т.е. когда полоса входного сигнала находится во второй и выше зоне Найквиста. Это требуется, например, в приложениях с непосредственной дискретизацией ПЧ. Эта деградация происходит из-за относительно высокого собственного джиттера и нелинейности входного УВХ, которая начинает проявляться примерно с 60 МГц.

Зависимость динамических характеристик от частоты входного сигнала

Если, однако, вы обрабатываете сигналы с частотой до 60-70 МГц, то по динамическим параметрам 5101HB045 смотрится в этой таблице, на наш взгляд, вполне достойно.

Что будет дальше?

Поделимся планами по развитию наших высокоскоростных АЦП. Мы полны решимости сделать еще один цикл (надеемся, он пройдёт быстрее, чем за 10 лет) и «дотянуть» характеристики нашей микросхемы до уровня аналогов. Если конкретно, то:

Вторая наша группа разработчиков приоритетом для себя видит высокую скорость преобразования. В её планах:

Источник