Общие сведения о частоте ошибок кода АЦП

По мере увеличения частоты дискретизации высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) возникает проблема кодовых ошибок - также известных как искрящиеся коды - в выходных данных АЦП. Ошибка кода определяется как ошибка в выходном коде АЦП, превышающая определенный порог. Порог чаще всего определяется как уровень, при котором ошибка превышает ожидаемую амплитуду шума АЦП, так что ошибку можно легко идентифицировать при наличии шума.

Другой способ объяснить это определение порога ошибки состоит в том, что амплитуда ошибки возникает с вероятностью, превышающей ожидаемую вероятность этой амплитуды с учетом предполагаемого гауссовского распределенного шума АЦП. Рис. 1 показывает пример ошибки кода, обнаруженной в выходных выборках АЦП. Ошибочный образец отчетливо виден по сравнению с идеальной синусоидальной волной и намного превосходит шум других образцов на графике.

Рис. 1:Пример выхода АЦП с ошибкой кода.

Коэффициент ошибок кода АЦП (CER), также иногда называемый коэффициентом ошибок по словам (WER) или коэффициентом метастабильности, определяется как среднее количество ошибок на выборку и измеряется путем подсчета среднего количества выборок между последовательными ошибками. Чаще всего определяется как порядок величины, например 10 ^–12 ошибки / образец. Таким образом, среднее время между ошибками зависит от частоты дискретизации преобразователя. Измеренное значение CER является точным только тогда, когда АЦП работает с частотой дискретизации, с которой был измерен CER. В целом уменьшение частоты дискретизации может улучшить CER на порядки.

Давайте посмотрим, откуда берутся ошибки кода, чтобы понять, почему частота дискретизации является основным фактором.

Что заставляет АЦП сиять?
Архитектура многоступенчатого АЦП, такая как конвейерный флэш-АЦП или АЦП с регистром последовательного приближения (SAR), преобразует дискретизированное напряжение в цифровые биты поэтапно, и каждый последующий этап зависит от результата предыдущего этапа. Рассмотрим базовый конвейерный высокоскоростной АЦП с флэш-памятью, как показано на Рис. 2 . . Этот упрощенный АЦП показывает два этапа преобразования, каждый последующий этап создает цифровой код, который более точно оценивает входной сигнал.

Показанный АЦП работает следующим образом:

• Первый каскад производит выборку входного напряжения и грубо преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой код с помощью АЦП первого каскада. Флэш-АЦП на этом этапе работает, сравнивая дискретизированное напряжение со статическими опорными напряжениями, генерируемыми из основного опорного напряжения АЦП (V _REF ), используя быстродействующие компараторы. Выходной сигнал флэш-компараторов представляет собой закодированную термометром цифровую выборку, представляющую входное напряжение.

• Преобразованный код термометра затем отправляется непосредственно в ЦАП первого каскада. Этот ЦАП выводит аналоговое напряжение, которое соответствует грубо преобразованной выборке.

• Вычитание выходного сигнала ЦАП первого каскада из исходного входного напряжения приводит к напряжению ошибки квантования или остаточному напряжению (V _RES ). Затем остаток усиливается и передискретизируется (конвейерно) для второй стадии.

• АЦП второго каскада квантует V _RES для получения более точной (с более высоким разрешением) оценки исходного аналогового входного напряжения.

Рис. 2:Пример структурной схемы конвейерной флэш-архитектуры АЦП.

V _RES процесс создания вводит высокоскоростной цикл принятия решений. В течение одного периода тактовой частоты дискретизации напряжение дискретизации должно быть преобразовано в цифровой код с помощью АЦП первого каскада. Цифровой код должен выводиться из ЦАП первого каскада, вычитаться из исходного входного напряжения и повторно дискретизироваться вторым каскадом. Высокоскоростной цикл принятия решений вызывает ошибки кода, потому что у компаратора во флэш-АЦП есть время установления, которое является функцией разницы между дискретизированным напряжением и V _REF .

Проще говоря, компаратору требуется больше времени для настройки, когда входное напряжение (V _CAP1 ) близко к опорному напряжению (например, 7 * V _REF / 8) компаратора. Теоретически, если V _CAP1 бесконечно близко к опорному напряжению компаратора, компаратор никогда не установится, потому что он будет работать в своей линейной области.

Шум будет препятствовать тому, чтобы это действительно произошло, но если компаратору требуется слишком много времени для настройки, то ЦАП первого каскада может использовать неправильный цифровой код для вывода квантованного аналогового напряжения. Результатом является V _RES который не соответствует действительному коду цифрового выхода АЦП первого каскада. Затем АЦП второго каскада преобразует неверный V _RES , что приводит к ошибке кода.

Что влияет на CER?
Теперь у вас должно быть достаточно деталей, чтобы сделать некоторые выводы о том, что влияет на CER. CER явно зависит от частоты дискретизации. Более высокая частота дискретизации сокращает время, в течение которого цикл принятия решений должен принять решение. Меньшее время для принятия решения приводит к экспоненциальному увеличению вероятности того, что компаратор не успел выполнить расчет вовремя.

–Матт Гиборд - системный инженер по высокоскоростным преобразователям в Texas Instruments.