Аналитический обзор шифраторов для параллельных ацп

bit0  i1 i2  i3  i4  i5  i6  i7 (2.1)
bit1  i2  i3  i3  i4  i6 (2.2)
bit2  i4 (2.3)
Для данного шифратора требуется 2.(n-1) транзисторов для инверторов и 6.(3n-7) транзисторов для элементов И и ИЛИ. Таким образом, общее количество транзисторов будет составлять 2.(n-1)+6.(3n-7). Для 3-разрядного АЦП потребуется 12+84=96 транзисторов.
Таблица 1
Таблица истинности термометрического шифратора

i7i6i5i4i3i2i1	bit2	bit1	bit0
0000000	0	0	0
0000001	0	0	1
0000011	0	1	0
0000111	0	1	1
0001111	1	0	0
0011111	1	0	1
0111111	1	1	0
1111111	1	1	1

Преобразование термометрического кода в двоичный код при помощи данного шифратора также происходит в два этапа, аналогично шифратору древовидной структуры. Общая схема преобразования представлена на рисунке 2.3

Рис. 2.3. Общая схема шифратора
Время задержки данного шифратора не превышает N, где N - количество бит выходного сигнала. Следовательно, по быстродействию этот шифратор уступает шифратору древовидной структуры [7]. На рисунке 2.4 представлена структура данного шифратора.
Схема преобразования термометрического кода в код, где есть не более одной единицы, так же как для предыдущего шифратора, состоит из элементов И, где один вход инвертирован. Вторая часть схемы, отвечающая за преобразование кода, в котором есть хотя бы одна единица, в двоичный код, состоит из n-канальных МОП-транзисторов и инверторов. Истоки всех транзисторов массива подключены к земле, а стоки – в общий узел, соединенный через резистор с источником питания. N-канальный МОП- транзистор будет открыт, когда на затвор будет подано напряжение высокого уровня, и закрыт, когда на затвор будет подано напряжение низкого уровня. Это позволяет управлять входным сигналом, пропуская или не пропуская его на выход шифратора.
Необходимое количество транзисторов: 2.(n-1) - инверторы, 2n-1 - элементы И, в каждом из которых 6 транзисторов, значит 6.2n-1, n.2n-1 транзисторов для преобразования кода, где есть хотя бы одна единица, в двоичный код [7]. Итого: 6.2n-1+ n.2n-1 - необходимое число транзисторов. В нашем случае 18+36+18=72. Можно сделать вывод, что этот тип шифраторов занимает меньшую площадь по сравнению с предыдущим. Недостатком данного типа шифратора является большая статическая потребляемая мощность, обусловленная прежде всего протеканием тока от шины питания через резистор и открытый транзистор на землю.



Рис. 2.4 Структура шифратора на основе массива элементов памяти

Основным преимуществом этого шифратора является прямое преобразование входного термометрического кода в двоичный без необходимости промежуточных этапов. Мультиплексоры используются в качестве логических элементов. На рисунке 2.5 показана структура шифратора, который преобразует семиразрядный термометрический код в трехразрядный двоичный код.

Рис. 2.5 Структура шифратора на мультиплексорах
Мультиплексор (рисунок 2.6) имеет три входа: адресный (А) и два
информационных (D1, D2). Когда на адресный вход поступает напряжение низкого уровня, на выход (Y) передается сигнал D1, а когда на адресном входе напряжение высокого уровня, на выход проходит сигнал D2.



Рис. 2.6 – Обозначение мультиплексора
Таблица истинности данного шифратора (таблица 2) представляет собой структурированный набор данных, который отражает зависимость между входными и выходными сигналами. Из таблицы можно увидеть, что старший разряд выходного кода (bit2) полностью совпадает с соответствующим разрядом входного кода (i4). Разряд bit1 выходного кода комбинируется из i2
и i6. А разряд bit0 формируется путем комбинации i1, i3, i5, i7.
Таблица 2
Таблица истинности шифратора на мультиплексорах

Необходимое количество транзисторов для данного типа шифратора рассчитывается по формуле:

(2.4)
В случае 3-разрядного выходного кода необходимо 24 транзистора.
Преимущества данного типа шифраторов по сравнению с предыдущими: низкая потребляемая мощность и меньшая занимаемая площадь.
Шифраторы, которые имеют структуру, аналогичную структуре умножителя, который был предложен К. Уоллесом в 1964 году, в литературе называются шифраторами Уоллеса (Wallace tree encoder). В таких шифраторах термометрический код сразу преобразуется в двоичный код.
На рисунке 2.7 показана структура шифратора, который использует полные сумматоры [10]. Для преобразования термометрического кода в двоичный код используется матрица полных сумматоров, которая определяет количество единиц во входном коде и выдает соответствующий двоичный код. Таблица истинности для полного сумматора представлена в таблице 3.

Рис. 2.7. Структура шифратора на полных сумматорах

Таблица 3

Таблица истинности полного сумматора

Количество единиц входного кода	Выходной двоичный код
0	00
1	01
2	10
3	11

Необходимое количество полных сумматоров для N-разрядного АЦП можно вычислить по формуле:

(2.5)
Если требуется получить 3-разрядный выходной код, то для этого необходимо использовать 4 полных сумматора. Каждый полный сумматор, созданный на основе логических элементов, содержит 30 транзисторов. Следовательно, общее количество транзисторов в данном шифраторе составляет 120.
Преимущества шифратора на полных сумматорах:

1. 
   Принцип работы этого обеспечивает исправление ошибки монотонности термометрического кода (bubble error).
   
2. 
   Этот шифратор может быть разбит на несколько подблоков без потери его свойств и без необходимости добавления дополнительных логических элементов.
   

Недостатками данной схемы являются большое время задержки и занимаемая площадь.
Пузырьковая ошибка в термометрическом коде возникает, когда одна или несколько логических единиц находятся в высоких разрядах по сравнению с последовательностью логических нулей. В литературе выделяют три типа пузырьковых ошибок, которые могут возникнуть в трехразрядном шифраторе. Соответствующая таблица 4 приведена ниже.
Таблица 4
Виды пузырьковых ошибок в трехразрядных шифраторах

Тип пузырьковой ошибки	Входной термометрический код
	T7	T6	T5	T4	T3	T2	T1
1	0	0	0	1	0	1	1
2	0	0	1	0	0	1	1
2	0	1	0	0	0	1	1

Рассмотрим первый тип ошибки в виде пузырька. Правильный термометрический код должен содержать последовательность: 0000011 или 0001111. Если вместо этого в коде присутствует пузырек, то это означает, что ошибка произошла в третьем разряде (Т3).

Для корректной работы шифраторов с древовидной структурой, мультиплексоров и ячеек памяти требуются схемы коррекции ошибок.
На изображении 2.8 показана схема коррекции для шифраторов с древовидной структурой и на основе ячеек памяти. Эта схема выполняет коррекцию ошибок первого типа (пузырьковых) и преобразует входной термометрический код в унитарный. пять трехвходовых логических элементов И.

Рис. 2.8 – Схема коррекции ошибок для шифратора древовидной структуры и на основе ячеек элементов памяти

На рисунке 2.9 изображена схема коррекции для шифратора на мультиплексорах, состоящая из шести двухвходовых элементов ИЛИ.

Рис. 2.9. Схема коррекции для шифратора на мультиплексорах