Elettronica applicata/Convertitori pipeline e differenziali

Indice del libro

Convertitori standard di baseModifica

Convertitore a residuiModifica

 
Convertitore A/D a residui

A ogni colpo di clock si determina il valore di un bit consecutivamente a partire dal MSB fino al LSB: il residuo   della conversione precedente (inizialmente è pari all'ingresso A) viene ogni volta confrontato con la metà del fondo scala  :

 
Conversione a residui per un segnale costante
  • se il residuo   si trova nella metà inferiore, il bit corrente è posto a 0 e la metà inferiore (residuo compreso) viene raddoppiata ad occupare l'area da 0 a  ;
  • se il residuo   si trova nella metà superiore, il bit corrente è posto a 1 e la metà superiore (residuo compreso) viene raddoppiata ad occupare l'area da 0 a  .
Struttura a residui per ciascun bit
  • comparatore: decide il valore del bit;
  • convertitore D/A a 1 bit: ricostruisce l'approssimazione;
  • sommatore: calcola il residuo;
  • amplificatore: riporta il residuo al fondo scala.
Parametri
  • lento: nel caso peggiore occorrono   cicli di confronto per convertire   bit;
  • complesso: richiede   comparatori.

Convertitore con pipelineModifica

 
Convertitore A/D con pipeline

L'inserimento di elementi di memoria quali i moduli di sample e hold nel convertitore a residui permette di operare su campioni consecutivi nello stesso tempo:

  • al tempo   arriva il campione di ingresso A;
  • al tempo   l'ingresso A fornisce il MSB (stadio 1), e il suo residuo   viene memorizzato e mantenuto stabile dal primo modulo di sample e hold, mentre arriva il campione di ingresso B;
  • al tempo   il residuo   fornisce il secondo bit (stadio 2), e il residuo   viene memorizzato e mantenuto stabile dal secondo modulo di sample e hold, mentre l'ingresso B ripercorre lo stadio 1 fornendo il MSB e arriva il campione di ingresso C;
e così via.
Parametri
  • complesso: richiede   comparatori;
  • veloce: a ogni tempo di ciclo viene completato un campione da   bit, anche se per completare la conversione del primo campione occorre attendere un tempo di latenza pari a   cicli:

Convertitori mistiModifica

È possibile sfruttare convertitori flash parallelo in strutture a residui, con o senza pipeline, per poter lavorare su più bit allo stesso tempo:

  • il comparatore diventa un convertitore A/D flash parallelo da   bit;
  • il convertitore D/A diventa da   bit;
  • l'amplificatore ha un guadagno pari a  .
Vantaggi
  • a pari numero di comparatori migliora la velocità;
  • a pari velocità si riduce il numero di comparatori.
Esempio: convertitore A/D da 8 bit
numero di comparatori tempo di conversione tempo di latenza
1 flash da 8 bit 28 − 1 = 255  
a residui 2 flash da 4 bit in cascata 2 (24 − 1) = 30  
4 flash da 2 bit in cascata 4 (22 ‒ 1) = 12  
con pipeline 2 flash da 4 bit in cascata 2 (24 − 1) = 30    
4 flash da 2 bit in cascata 4 (22 ‒ 1) = 12    

Convertitori differenzialiModifica

 
Schema a blocchi di un sistema di conversione differenziale

Il convertitore differenziale fornisce un flusso seriale di bit ad alta cadenza, che corrisponde al comando di up/down del comparatore di soglia nel convertitore A/D ad inseguimento:

  • un bit a 1 (up) significa che l'ingresso analogico A si trova a un livello di quantizzazione più alto di quello corrente;
  • un bit a 0 (down) significa che l'ingresso analogico A si trova a un livello di quantizzazione più basso di quello corrente.

Un decimatore ricava da questo flusso seriale un segnale parallelo con codifica binaria a cadenza più bassa: attende l'arrivo di un certo numero di bit, quindi a partire dal valore del campione corrente calcola il nuovo valore del campione da riportare in uscita, che è il risultato finale di tutte le operazioni di up e down arrivate:

  • un bit a 1 (up) fa salire di un LSB il valore del campione;
  • un bit a 0 (down) fa scendere di un LSB il valore del campione.

All'altra estremità un interpolatore svolge l'operazione opposta: interpola il segnale parallelo e ricostruisce il flusso seriale di partenza ottenendo un flusso seriale con la stessa alta cadenza che sarà riconvertito in analogico.

Esempio: PCM (telefonia)
  • il segnale analogico è campionato in un flusso seriale a 64 kbit/s;
  • il decimatore ricava un flusso parallelo a 8000 campioni al secondo (ogni campione è formato da 8 bit);
  • l'interpolatore ricostruisce un flusso seriale a 64 kbit/s.
Vantaggi
  • il decimatore e l'interpolatore sono più facili da realizzare rispetto ai convertitori standard perché operano solo in digitale;
  • un sistema di conversione differenziale non richiede componenti di alta precisione (resistenze, condensatori...), ma si basa solo su integratori e comparatori;
  • il segnale digitale è a cadenza bassa e quindi facile da elaborare, mentre il segnale analogico ricavato dall'interpolazione è a cadenza alta e quindi facile da filtrare per il filtro passa-basso, perché le repliche in frequenza generate dal campionamento si allontanano dalla replica base all'aumentare della cadenza.

Convertitore differenziale sempliceModifica

 
Convertitore A/D differenziale con convertitore A/D a inseguimento

Dal convertitore a inseguimento si può ricavare un convertitore differenziale: il flusso seriale è direttamente l'uscita del comparatore di soglia.

Convertitore delta (Δ)Modifica

 
Convertitore A/D differenziale delta
 
Esempio di inseguimento di un segnale

L'uscita del comparatore viene campionata con periodo  , quindi un circuito integratore ricostruisce il segnale a gradino dai campioni:

  • un impulso negativo viene integrato con un gradino di ampiezza   verso il basso;
  • un impulso positivo viene integrato con un gradino di ampiezza   verso l'alto.

La dinamica del convertitore delta è limitata:

 

dove   è la frequenza del segnale analogico in ingresso:

  • una variazione dell'ingresso entro il limite inferiore   della dinamica (idle noise) non viene rilevata e non cambia il livello di quantizzazione;
  • una variazione dell'ingresso oltre il limite superiore   della dinamica porta a un sovraccarico (overload) perché l'inseguimento è troppo lento e la quantizzazione non è più corretta.


Convertitore sigma-delta (ΣΔ)Modifica

 
Convertitore A/D differenziale sigma-delta

Per permettere al convertitore delta di lavorare con segnali a più alta frequenza, è possibile ampliarne la dinamica in due modi:

  • aumentando la frequenza di clock  ;
  • riducendo l'ampiezza del segnale stesso tramite un integratore (convertitore sigma-delta).