Аналитический обзор шифраторов для параллельных ацп

Время преобразования.
Для параллельных АЦП время преобразования не зависит от количества разрядов, что является их преимуществом. Однако, для конвейерных и последовательных АЦП приближения время преобразования увеличивается линейно с увеличением числа бит. А для последовательных АЦП прямого перебора, с каждым дополнительным битом время преобразования удваивается, что является их основным недостатком. (Рисунок 1.2а).


Точность исполнения элементов схемы.
Для параллельных АЦП, точность ограничивается около 8 бит. Чтобы улучшить точность, используются методы калибровки и согласования. При увеличении разрядности, требования к точности компонентов удваиваются, что относится к параллельным, конвейерным и последовательным АЦП приближения. Однако, для последовательных АЦП прямого перебора, требования к точности компонентов не увеличиваются существенно. (Рисунок 1.2б).
Размер кристалла, цена, потребляемая мощность.
Увеличение разрядности в параллельных АЦП приводит к удвоению размера схемы АЦП и потребляемой мощности. В отличие от этого, размер схемы для последовательных АЦП прямого перебора, конвейерных и сигма-дельта АЦП растет линейно с увеличением разрядности. При увеличении разрядности АЦП последовательного счета размер схемы несущественно меняется. (Рисунок 1.2в)
Параллельный АЦП обладает рядом преимуществ по сравнению с последовательным АЦП. Он позволяет быстрее преобразовывать аналоговый сигнал с высокой частотой и имеет более высокое разрешение, что дает более точные результаты цифровой обработки. Однако, реализация параллельного АЦП требует более сложной схемотехники и большего количества компонентов, чем последовательный АЦП.



Рис. 1.2. Сравнительные характеристики разных типов АЦП

1.2 Сравнение с последовательными АЦП

Параллельный АЦП отличается от последовательного АЦП по нескольким основным параметрам. Во-первых, параллельный АЦП имеет более высокую скорость преобразования, поскольку все его каналы преобразуют аналоговый сигнал одновременно. В то время как последовательный АЦП преобразует сигнал последовательно по каналам, что замедляет скорость преобразования.

Во-вторых, параллельный АЦП имеет более высокое разрешение, чем последовательный АЦП, что позволяет получать более точные цифровые данные. Кроме того, для увеличения разрешения параллельный АЦП требует только увеличения количества бит в его цифровом выходном коде, в то время как для последовательного АЦП это требует увеличения количества преобразований сигнал.
Из проведенного анализа характеристик АЦП следует, что параллельные АЦП являются наиболее быстрым способом преобразования аналогового сигнала в цифровой. Несмотря на это, они потребляют много энергии, имеют низкое разрешение и могут быть дорогими. Однако, параллельные АЦП играют ключевую роль в системах сбора данных, используются в цифровых осциллографах и антенных системах базовых станций.
Входная часть параллельного АЦП выполняется в виде каскада быстродействующих компараторов [2]. Компараторы – основа параллельного АЦП, так как они определяют точность АЦП. На рисунке 1.3 показана общая схема параллельного АЦП. Для N-битного преобразователя, требуется 2^N-1 компараторов. Резистивный делитель из 2^N резисторов обеспечивает набор опорных напряжений. Если входное напряжение компаратора выше, чем опорное, то на выходе будет 1. Если входное напряжение компаратора ниже опорного, то на выходе будет 0. Поэтому, если уровень входного напряжения между V_x4 и V_x5, компараторы Х₁ – Х₄ выдают на выход 1, остальные – 0. Точка, где выходной код изменяется с 1 на 0, – это точка, где входной сигнал становится меньше, чем соответствующий уровень опорного напряжения.
Таким образом, после прохождения через массив компараторов, параллельный АЦП формирует термометрический код, который аналогичен шкале термометра. В этом коде минимальное значение представлено логическими нулями во всех разрядах, а максимальное - логическими единицами. Чтобы получить двоичный код, необходимо преобразовать термометрический код.
Компараторы в параллельных АЦП имеют низкое усиление из-за ограниченной полосы пропускания на высоких частотах. Однако, они должны иметь очень малое смещение нуля, чтобы избежать ошибок при формировании термометрического кода. Это означает, что входное смещение каждого компаратора должно быть меньше значения младшего значащего разряда АЦП. Если это условие не соблюдается, то может произойти ошибка в формировании термометрического кода. Для сохранения результата преобразования на длительность такта каждый компаратор имеет триггер.
Последние исследования показали, что параллельные АЦП с малой разрядностью (3-6 бит) и высокой частотой преобразования до десятков гигаотсчетов в секунду имеют преимущество перед параллельными АЦП с более высокой разрядностью и сравнимой скоростью преобразования. В настоящее время проводятся исследования в этой области, поскольку конвейерные АЦП и АЦП последовательного приближения не могут удовлетворить таким экстремальным требованиям к скорости преобразования из-за архитектурных ограничений.
Дополнительно можно отметить, что параллельные АЦП обычно имеют ограниченную гибкость по выбору разрядности, что может быть неудобно при работе с сигналами различных амплитуд и динамических диапазонов. Также параллельные АЦП могут быть более чувствительными к шумам и помехам из-за большего количества активных компонентов и более сложной схемотехники. Однако, современные технологии и разработки позволяют улучшать характеристики параллельных АЦП, снижать их потребляемую мощность и уменьшать размеры схем. В итоге выбор между параллельным и последовательным АЦП зависит от конкретных требований к системе и ее возможностей.

Рис 1.3. Общая структура параллельного АЦП