Новости при АЦП и ЦАП

Стефан Куцаров

Масово използвани като интегрални схеми (ИС) в продължение на почти 40 години, днес аналогово-цифровите преобразуватели (Analog-to-Digital Converter, ADC) АЦП и цифровоаналоговите преобразуватели (Digital-to-Analog Converter, DAC) ЦАП бързо увеличават своите приложения и като блокове на по-сложни ИС.

В настоящия преглед са отразени характерни представители на интегрални АЦП и ЦАП, пуснати на пазара след 01.01.2014 г., като ИС на компанията Linear Technology са дадени самостоятелно, независимо че в края на юли 2016 г. тя бе присъединена към Analog Devices.

АЦП
Особености на съвременните модели. Две са реално използваните структури - тази с последователно приближение (Successive Approximation ADC, SAR ADC) обикновено е с разредност до 20b (започват да се появяват “изключения” с 32b) и сигма-делта (D-S ADC) с по-голяма разредност, най-често 24b и нарастващ относителен дял на тези с 32b, използвани най-вече за аудиосистеми (Audio ADC).

Максималната честота на квантоване (Sample Rate) vs е един от основните параметри, като трябва да се има предвид, че често се предлагат серии АЦП с различна нейна стойност и еднакви други параметри, както и че някои модели изискват и минимална vs.

При ползването на каталожна информация за АЦП е добре да се има предвид, че все по-често те се предлагат в серии с различна vs или/и 2 или 3 разредности, а при избора на подходящ за дадено приложение модел трябва да се държи сметка за неговата реална разредност (Effective Number Of Bits, ENOB или Noise-Free Bits), която отчита влиянието на отношението сигнал/шум (SNR) и неизбежно въвежданите от АЦП нелинейни изкривявания (THD) в преобразуваното напрежение.

Източникът на опорно напрежение (UREF) и осцилаторът с много стабилна честота като класически блокове се реализират в съвременните АЦП по различни начини. Първият може да е вграден (№5 и №6 в табл. 1) или външен (№4), като има АЦП и с двете възможности (№3). Подобно е положението и с осцилатора.

За преобразуване на твърде малки напрежения се ползват АЦП с вграден усилвател, който практически винаги е в програмируем коефициент на усилване (Programmable Gain Amplifier, PGA) APGA, чийто стойности са сред параметрите им.

Максималното входно напрежение (Full Scale Range) FSR (или FS) обикновено е равно на UREF, а чрез динамичния обхват (Dynamic Range) DR, даван в dB, може да се определи (ако не е дадено) минималното входно напрежение Uimin = FSRx10exp(-0.05DR) за нормална работа на АЦП.

При диференциален вход то е ±1/2 от тази стойност, т.е. могат да се прилагат минимални входни напрежения 0.5Uimin без значение на полярността им, което се означава като ±0.5Uimin. Например АЦП с №1 в табл.1 работи с минимално напрежение ±10 mV.

При наличие на PGA и диференциален вход стойността на FSR е 0.5UREF/APGA – например №2 в табл. 1 е с UREF=2.5 V и за четирите стойности на APGA има FSR съответно ±1.25 V, ±625 mV, ±19.53 mV и ±9.766 mV.

Входовете за преобразуваните напрежения почти изцяло са диференциални с типични означения AIN+ и AIN- при непрекъснато намаляващ дял на класическите несиметрични входове. Съществуват АЦП (например №3 в табл. 1), чиито диференциални входове чрез конфигуриране могат да се използват и като несиметрични (фиг. 1а) и за двуполярни напрежения (фиг. 1б).

Все повече приложения изискват с един АЦП да могат да се преобразуват напрежения от няколко източника (най-често 2, 4 и 8), за което съществуват 3 начина – класическият с мултиплексор за входовете, с отделни буфери за всеки вход (напр. CS5368 на Cirrus Logic) и с едновременно преобразуване на всички напрежения чрез отделен канал за всяко (Simultaneous Sampling), например №1 в табл. 1.

За преобразуване на напрежения от несиметричен източник чрез АЦП с диференциален вход се ползват различни похвати – за vs до десетина Msps обикновено това е допълнителен външен усилвател (например реализиран чрез популярната схема с два операционни усилвателя), докато при по-големи скорости се предпочита трансформатор. Сравнително редки са АЦП с повече входове, какъвто е МАХ11328 на Maxim Integrated с 16 несиметрични входа и разредност 12b.

Съществуват и три разновидности на изходите – последователните се ползват за vs до няколко Msps (Mega sample per second), като извеждането на числата обикновено започва от старшия им разред, а паралелните са за по-големи vs за сметка на увеличения брой изводи на ИС.

Нараства относителният дял на АЦП с изходни числа, формирани чрез някой от масово използваните интерфейси (най-често SPI и по-рядко QSPI и Microwire), като може един АЦП да има повече от един интерфейс. За vs над около 100 Gsps изходите може да са LVDS и/или LVCMOS, например в №2 от табл. 2 по програмен път може да се избира един от тези формати.

Тъй като АЦП преобразуват и постоянни напрежения, техният параметър лента на пропускане (Bandwidth, Analog Input Bandwidth) BW реално представлява горната гранична честота на преобразуваните напрежения. За практиката е съществено, че за увеличаване на BW по принцип е необходимо консумирането на по-голяма електрическа мощност PD от АЦП.

Поради нейните по принцип значителни стойности съществува подчертан стремеж при разработката на АЦП тя да бъде намалявана и съответно съществуват маломощни модели (Low Power ADC), които някои производители наричат Eco ADC. При vs до няколко Msps това наименование е в сила за PD до около 10 mW, но трябва да се има предвид, че някои производители го ползват и за АЦП с големи vs и PD дори няколко стотици mW.

Същевременно се предлагат АЦП (например №1 в табл. 1) с възможност за задаване на BW и съответно на PD с цел всеки тип сигнали да се преобразуват с минимална консумация на енергия. При ползването на PD като параметър трябва да се има предвид, че в АЦП с едновременно преобразуване стойността й обикновено е за един канал с мерна единица mW/ch.

За намаляване на PD се ползва и познат от много други типове ИС режим на прекъсване на захранването на неизползвани в определен интервал от време блокове (Sleep Mode) – такъв е №3 от табл. 1 с консумация 25 mW.

Точността на преобразуването на АЦП е оценена в статията само чрез класическата интегрална нелинейност (Integral Non Linearity) INL, давана като част (ppm или %) от FSR или чрез броя на променящите се поради нея младши разреди на изходното число (±xLSB), която в АЦП с PGA обикновено е право пропорционална на неговия APGA (по-големият APGA води до увеличаване на INL).

Не трябва да се забравя, че APGA има производствени толеранси и стойността му зависи от температурата, което внася допълнителни грешки (дават се в техническата документация).

Значително е разнообразието на постояннотоковото захранване, най-често с 2 или 3 напрежения VCC. Така например №4 в табл. 1 има един за аналоговата и цифровата част и един за интерфейса, а №1 е с два за аналоговата част и един за входно-изходните блокове и интерфейса.

Подчертан е стремежът за опростено захранване с едно напрежение (№3 в табл.1 с 3.3 V ±0.17 V или 5 V ±5% и №2 в табл.2 с 1.8 V ±0.1 V), но има АЦП с повече от 3 захранващи напрежения – например №1 в табл. 2 изисква 7.

Подобно на много други видове ИС и при АЦП трябва да се спазва определена последователност на подаване на захранващите им напрежения, това на външния осцилатор и разрешението за започване на работа, която се дава в техническата документация. Не трябва да се забравят и всички подробности за препоръчваните кондензатори между изводите за захранване и маса.

За улесняване и разширяване на приложенията, както и за повишаване на сигурността на работата, някои АЦП съдържат допълнителни блокове - №2 и №6 в табл.1 са с вграден сензор за измерване на температурата им, а аналоговите входове на последния допълнително могат да се използват като входно-изходни с общо предназначение (GPIO).

За този тип изводи нараства използването на стандарта JEDEC8-7A, например в №7 от табл. 1 и ADS9110 (18b/2Msps) на Texas Instruments. Освен това често в каталозите се дават типични схеми на свързване на АЦП, вкл. със съвети за оформяне на печатната платка, а обикновено производителите предлагат примерни приложения (Application Notes).

АЦП до 10 Msps. Малките стойности на vs са основната предпоставка за осигуряване на голяма разредност и съответно точност на преобразуването, поради което се използва и терминът прецизни АЦП (Precision ADC). Конкретните стойности на vs силно зависят от предназначението на моделите, а в табл. 1 са дадени техни характерни представители.

Най-нискочестотните АЦП (с vs дори няколко sps) се използват обикновено в системи за управление на индустриални процеси, измервателни прибори, медицински уреди, прибори с батерийно захранване, за които особено подходящи са АЦП с малък брой изводи (например №5 в табл. 1), сензори, контрол на напрежението на батерии, постояннотокови захранвания и др.

Типични приложения на тези с по-големи vs са в комуникациите, оптични мрежи, сравнително бързи системи за събиране на данни, програмируеми контролери (PLC), многофазни управления на електродвигатели и др.

Относно дадените АЦП в табл. 1 може да се добави, че този с №1 има разновидност AD7768-4 с четири блока за едновременно преобразуване, №2 се допълва от ISL26134 с четири диференциални входа, и №4 e част от серията МАХ11900 (16b/1Msps), MAX11901 (16b/1.6Msps), MAX11902 (18b/1Msps), MAX11903 (18b/1.6Msps) и MAX11905 (20b/1.6Msps).

Специфичен е предназначеният основно за работа със сензори №6, който освен основния 32-битов АЦП с параметри в табл. 1 съдържа и втори 24-битов (разновидността ADS1262 е без него) за класически измервания с необходимите за RTD (термосъпротивителен елемент) два източника на ток. С много малка PD и габарити е №7, което определя приложения в т. нар. носима (wearable) електроника.

Един от важните фактори за улесняване и разширяване на приложенията на АЦП е техният интерфейс. Например в ADS9110 (16b/2Msps) на Texas Instruments се използва MultiSPI, който улеснява работата с микроконтролери, цифрови сигнални процесори и програмируеми логически матрици.

Бурното развитие на автомобилната електроника определя нарастващия дял на АЦП за нея, главно за работа със сензори и за контрол на акумулатора. В наименованието им обикновено фигурира Automotive, а примери са ADAR7251 (16b/1.8Msps) на Analog Devices с приложения и в радари и ADS1120-Q1 (16b/2ksps) на Texas Instruments. Постепенно се увеличава и делът на 32-битовите АЦП главно за измервателни прибори - през август т. г. бе пуснат на пазара LTC2508-32 на Linear Technology.

АЦП над 10Msps. Увеличаването на бързодействието на електронните устройства и в частност на изграждащите ги ИС се отнася изцяло и за АЦП. Естеството на тяхната структура води до принципното затруднение, че увеличаването на vs ограничава разредността и мерките за преодоляването му обикновено са свързани с повишаване на цената.

В настоящата статия АЦП над 10Msps условно са разделени на две групи, като в първата от които с vs до 1Gsps са високочестотните (High Speed ADC) с типични представители дадените с номера 2-5 в табл. 2.

Техните основни приложения са в базови GSM станции, в радари, измервателно оборудване, високоскоростни системи за събиране на данни с индустриални и сградни приложения, за линеаризация на мощни високочестотни усилватели.

Осигуряването на vs над няколко десетки Msps обикновено изисква ползването на стъпалната структура на SAR (Pipelined Successive Approximation Architecture) и на паралелни изходи, които може да са LVDS или LVCMOS (те изискват съгласувано натоварване със съпротивление, давано в техническата документация) с възможности в някои АЦП (например №2 в табл. 2) за превключване между двата вида.

Долният край на обхвата на vs може да ползва последователен изход, в много случаи с LVDS нива (също №2), докато до няколко стотици Msps изходът също може да е последователен, но с Double-Data-Rate (DDR) LVDS (разред на изходното число се получава при всеки положителен и отрицателен фронт на тактовите импулси) или в съответствие с интерфейса JESD204B.

За намаляване на грешките при преобразуването се прилагат АЦП със самокалибриране, осъществявано автоматично при подаване на VDD и допълнително в произволен момент от времето чрез логическо ниво на специален вход. Освен като обикновени двоични числа, изходните данни често се кодират по прост начин, например чрез код на Грей (Gray code) или допълнение до 2N (Two’s Complement).

За високочестотните АЦП от табл. 2 може да се прибави, че №2 е част от серия с 8 разновидности, като 4 са с разредност 10b и vs от 125Msps, 170Msps, 210Msps и 250Msps, а останалите са 12b със същите vs. Този с №3 е с вграден източник на VREF, но може да работи и с външен.

Разновидността МСР37210-200 на №4 е с разредност 12b, като изходите и на двете са с DDR LVDS. Съществена особеност на тези АЦП е наличието на извод OVR, на който се получава високо логическо ниво при входно напрежение над FSR. За ползване в прибори за работа при повишени нива на радиация (АЕЦ, космически апарати) е №5.

Втората група са свръхвисокочестотните АЦП (Ultra-High Speed ADC) с vsі1Gsps и по-малък относителен дял в сравнение с първата. Типичните им приложения са за безжични комуникации и микровълнови широколентови връзки, военни комуникации, интелигентни (SIGINT) и кабелни (DOCSIS) мрежи, измервателни прибори (спектро- и мрежови анализатори), високоскоростни системи за обработка на данни.

Първите АЦП от тази група се появяват преди 15-ина години (още продължава да се произвежда 8-битовият МАХ104 на Maxim Integrated) и развитието им е не толкова в увеличаване на vs, колкото в подобряване на параметрите и разширяване на възможностите и приложенията. Голямата vs налага те да са с паралелен диференциален изход, който обикновено е 8-битов и преди него има понижаващ преобразувател (Digital Down Converter) DDC за формиране на числата в съответствие с JESD204D.

Два типични примера са №1 и №6 в табл. 2. Доста ограничени са приборите с vs>4Gsps – например OFC2010/OThT6 на Fujitsu Microelectronics от 2010 г. е 8-битов с vs= 56Gsps, а през март 2014 г. Semtech съобщи за разработването на АЦП c vs=64Gsps, но той все още не фигурира в каталога й.

Специфични АЦП. Наименованието им се дължи на факта, че не са с общо предназначение, а за определен тип приложения. Най-голямата група са АЦП за звукови сигнали (Audio ADC).

Специфични особености са структурата D-S за осигуряване на голяма разредност (типично 24b и постепенно навлизане на 32b), вграденият в повечето случаи микрофонен усилвател (обикновено PGA), наличието на няколко входа (до 8 и по-често несиметрични), малката честота на квантоване fs (типично 32-192 kHz, но има АЦП с 8 kHz и с 768 kHz), наличието на множество модели с управление чрез някой от масово използваните интерфейси, сравнително малката постояннотокова консумация, дължаща се на несложната им структура, и големите стойности на DR, който е сред съществените параметри.

Изходите са последователни и обикновено позволяват обработка на данните чрез микропроцесор, което е демонстрирано на блоковата схема на типична аудиосистема от фиг. 2. Тя съдържа 24-битовия PCM1865-Q1 на Texas Instruments, чието означение показва пригодността му да работи в автомобили.

Той е с 4 входа и средноквадратична стойност на FSR от 2,1 V, която благодарение на DR=110 dB позволява преобразуване на напрежения с минимална стойност 6,64 mV. Захранването е с три напрежения по 3,3 V ±0,3 V и едно 1,8V ±10%, от които се консумира PD=145 mW.

Управлението му се осъществява чрез интерфейсите I2C и SPI. Подобна е серията PCM1860, PCM1862, PCM1864 и PCM1864-Q1. Също 24-битов, но с DR=114 dB и 8 входа е CS5368 на Cirrus Logic, захранван с напрежения 5 V, 3,3-5 V и 1,8-5 V при PDЈ680 mW.

Той е съвместим по изводи с 4-каналния CS5364 и 6-каналния CS5366 с аналогични основни параметри. Типичен пример за 32-битов АЦП с fs=8-768 kHz е 8-каналният АК5578 на AKM Semiconductor с DR=130dB, захранвания 2x1,8 V, 3,3 V и 5 V и PD до 536 mW.

Втората и сравнително малка група са АЦП с галванично разделяне на изходите (Isolated ADC), с типичен представител серията 10-битови Si8900, Si8901 и Si8902 на Silicon Labs (структурата им е показана на фиг.3).

Патентовата изолация е CMOS, като ИС има разновидности с максимално напрежение 2,5 kV и 5 kV. Времето на преобразуване на приборите е 2 ms, захранващото напрежение на блоковете преди изолацията е 2,7-3,6 V, колкото е и FSR на АЦП, а това на изхода е 2,7-5,5 V.

ЦАП
Продължават да съществуват двата класически типа, които освен подобренията на параметрите и видоизменения на структурата им все по-често се вграждат като блокове на по-сложни ИС.

Напрежителни ЦАП (Voltage Output DAC). Те са най-масово използваният тип, а наименованието им е заради напрежението като тяхна изходна величина. Не са малко производителите, които ги означават като Precision DAC, но при търсене в каталози трябва да се внимава, тъй като в тази категория понякога се включват и други разновидности, например цифрови потенциометри.

Основните приложения са в измервателни прибори (вкл. автоматизирани тестери, функционални генератори, за настройка на усилването и др. параметри), системи за обмен на данни, автоматизирани индустриални системи (напр. сервоуправления и входно-изходни модули на PLC), в телекомуникациите (усилватели на мощност в GSM базови станции, оптично оборудване, приемо-предаватели), авиационна електроника, управление на електродвигатели, сензори и трансмитери.

Входът им практически винаги е последователен, а изходното напрежение VOUT може да е положително (Unipolar DAC) или положително и отрицателно при двуполярните ЦАП (Bipolar DAC), като в част от тях чрез програмиране може да се задава желаният му вид заедно с неговата максимална стойност.

Изходното съпротивление ROUT е много малко благодарение на вградения усилвател, наричан и буфер. Точността на установяване на VOUT, един от параметрите за чието определяне от относителната грешка (Relative Accuracy) INL зависи от много стабилното опорно напрежение.

Обикновено то се осигурява от вграден блок (напр. това на №1 в табл. 3 има температурен коефициент 2 ppm/°C), но има модели с външен източник и такива с двете възможности. Значителен е относителният дял на ЦАП с 2 до 32 независими един от друг изхода и общ вход за данните.

Параметърът време на установяване (Settling Time) tSET е за получаване на максималното VOUT с точност ±0.5LSB след подаване на съответното двоично число. За оценка на постояннотоковата консумация трябва да се вземат предвид захранващите напрежения VDD и консумираният ток IDD от всяко от тях, като повечето ЦАП имат режим на изключено състояние. Аналогично на АЦП обикновено се предлагат ЦАП в серии с различна разредност и евентуално някой друг параметър.

В табл. 3 са представени основните параметри на характерни съвременни ЦАП, като този с №1 е част от серия, съдържаща още три 12-битови и осем 16-битови ЦАП с общо означение AD5672R/AD5676R.

Същото е положението с разредността на №2, чиито 4 обхвата на VOUT се задават по програмен път, а моделите в серията с общо означение LTC2664 са 6. Представеният под №3 е част от серия, в която влизат още три с различни обхвати на VOUT.

С малък брой изводи и размери на корпуса е №4, а серията съдържа още двуканалните МСР47FEB02 с разредност 8b и MCP47FEB22 с 12b и три едноканални с последна цифра “1” в означението. Вградената EEPROM е за програмиране на различни техни функции.

Бързи ЦАП (High Speed DAC, RF DAC). Те са съвременната разновидност на класическите токови ЦАП (Current Output DAC), които продължават да се произвеждат, но през последните години практически няма нови техни модели.

Причината за това е нарастващата през последното десетилетие необходимост от много по-високочестотни изходни сигнали и съответно по-бързо преобразуване, което определя новото наименование. Вместо tSET като параметър се използва скоростта на постъпване на входните числа (Data Rate, Update Rate, Sample Rate) vs, представляваща броят им за 1s с мерни единици MSPS и GSPS, или равната й честота fCLK на входните тактови импулси.

Логично входовете са паралелни с две възможности – класически (№2 в табл. 4 с LVCMOS нива и №3 с LVDS) и 8-битови в съответствие с интерфейса JESD204B (№1 и №4).

Сред последните новости е ползването на непосредствени цифрови синтезатори (Direct Digital Synthesizer) DDS в структурата на ЦАП (№1 в табл. 4). Изходната величина е ток с практически задължителен диференциален изход и необходимото за високочестотни схеми съгласувано натоварване чрез вградени или външни резистори, давани в техническата документация.

При необходимост от захранване на несиметричен товар обикновено се ползва външен трансформатор. Особеностите на голямото бързодействие и високочестотните сигнали налагат и специфика при свързването (на първо място входовете и изходите) на бързите ЦАП, която чрез подходящи схеми обикновено е отразена в техническата документация.

Дадените в табл. 4 примери за бързи ЦАП отразяват само някои от основните им параметри, от които IOUT е максималният изходен ток и на него е правопропорционална PD. С две разновидности на дадения корпус и още 4 с такъв с 169 извода е №1.

Разредностите на №3 означават наличието на 3 разновидности с всяка от vs и своя INL, правопропорционална на разредността. Характерна особеност е и наличието на два входа, при едновременното използване на които се получава дадената в таблицата vs (всеки сам има vs=1350MCPS). Сигналите от всеки от изходите на №4 се определят от данните на единствения му вход.

Специфични ЦАП. Един от типовете са предназначените за звукови сигнали и се характеризират с голяма разредност и малка fCLK. Примери са CS4398 на Cirrus Logic с 24b/192kHz и АК4376 на AKM Semiconductor c 32b/384kHz, като първият е с вградено регулиране на силата на звука, а вторият има стереоусилвател за слушалка. Нарастват и приложенията на микроконтролери с вградени АЦП и ЦАП, типичен пример за които е EFM8LB1 на Silicon Labs.