DISEÑO DE UN CONVERTIDOR ANÁLOGO-DIGITAL INTEGRADO TIPO PARALELO Autores Iván Jaramillo J. i_jaramj@ing.unal.edu.co (1) Antonio García R. angarcia@uniandes.edu.co (2) Fernando Prieto Avellaneda (3) Carlos Andrés Jarro (3) Diego Andrés Zapata (3) (1) Director GMUN - Grupo de Microelectrónica Universidad Nacional de Colombia. (2) Director CMUA Centro de Microelectrónica Universidad de los Andes. (3) Estudiantes Ing. Electrónica Pontificia Universidad Javeriana - Colombia RESUMEN: En este articulo se trata el desarrollo de un convertidor análogo-digital tipo paralelo, con técnicas de folding y circuitos pseudoanálogas, presenta mejoras en cuanto reducción de área y complejidad en la arquitectura en comparación con una configuración de convertidor ordinaria.
DISEÑO DE UN CONVERTIDOR ANÁLOGO-DIGITAL INTEGRADO TIPO PARALELO Iván Jaramillo J. i_jaramj@ing.unal.edu.co (1) Antonio García R. angarcia@uniandes.edu.co (2) Fernando Prieto Avellaneda, Carlos Andrés Jarro, Diego Andrés Zapata (3) (1) Director GMUN - Grupo de Microelectrónica Universidad Nacional de Colombia (2) Director CMUA Centro de Microelectrónica Universidad de los Andes. (3) Estudiantes Ing. Electrónica Pontificia Universidad Javeriana - Colombia RESUMEN: En este articulo se trata el desarrollo de un convertidor análogo-digital tipo paralelo, con técnicas de folding y circuitos pseudoanálogas, presenta mejoras en cuanto reducción de área y complejidad en la arquitectura en comparación con una configuración de convertidor ordinaria. 1. INTRODUCCION Los convertidores A/D en conjunto con el proceso de filtración, son la etapa principal en un sistema de procesamiento de señales. Luego, el mejoramiento e innovación en esta etapa conlleva al desarrollo de sistemas de procesamiento de mayor capacidad, resolución y aplicabilidad. Además, desarrollar celdas tanto digitales como análogas bajo un mismo substrato en tecnología CMOS y analizar su interacción y efecto sobre el proceso de conversión. los comparadores dejando el otro terminal para la señal análoga de entrada. Las salidas de los comparadores se pasan a una red codificadora para determinar la palabra digital de salida. 2. PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO En muchas aplicaciones, es necesario tener un tiempo corto de conversión. Esto ha llevado al desarrollo de un convertidor A/D de alta velocidad que utiliza técnicas paralelas que acortan el tiempo de conversión. Lo máximo que se puede alcanzar en tiempos de conversión es de un ciclo de reloj 1. Algunas de las arquitecturas de alta velocidad intercambian velocidad por área y requieren mas de un ciclo de reloj, pero mucho menos ciclos de reloj que los utilizados por la arquitectura de aproximaciones sucesivas por ejemplo. La figura 1 es un diagrama de bloques general de un convertidor tipo paralelo o flash. Este convertidor consiste básicamente en un arreglo de 2 n 1 comparadores e igual número de referencias de tensión, donde n es el número de bits de la información digital entregada por el convertidor. Estas referencias van conectadas a los terminales de 1 Geiger L. Randall y Phillip E. Allan VLSI Design Tecniques for Analog and Digital Circuits 1990 Mac Graw Hill Figura 1. Diagrama en Bloques de un ADC Tipo Paralelo Simple. Como ya se mencionó un convertidor A/D tipo paralelo puede hacer la conversión de una señal análoga a una palabra digital en un ciclo de reloj. Durante el primer semiciclo la señal análoga es cargada y comparada. En el segundo semiciclo, la red digital codifica la palabra correspondiente y la almacena en un registro o buffer. La implementación de un convertidor de alta velocidad necesita de una gran área de silicio. Con este convertidor para tener una resolución de 5 bits se necesitarán 31 comparadores para realizar la conversión en un ciclo de reloj, sin embargo, existe un método de reducción de área y componentes conocida como Folding. En este caso el diagrama en bloque para un convertidor con técnica de folding sé nuestra en la figura 2.
Figura 2. Diagrama en Bloque de un ADC Tipo Paralelo Con Folding. La forma de trabajo es esencialmente la misma, salvo que la señal análoga es procesada antes de ser comparada. El proceso de la señal análoga se hace en un ciclo de reloj y en un segundo ciclo de reloj se hace la comparación de la señal procesada. Tomar la señal análoga y procesarla es básicamente determinar el rango en el cual se encuentra la señal. Esta operación se efectúa mediante un conjunto de comparadores y desplazadores de nivel (ver figura 3). La salida de los comparadores determinan en cual de los cuatro (4) rangos de tensión análogos esta la señal de entrada, al mismo tiempo a la señal de análoga se le suma un nivel DC mediante los desplazadores de nivel. Una lógica combinatoria determina cual desplazador de nivel debe entregar la señal a un buffer de salida, la cual debe estar en un rango de tensión de V1.9V. En un caso específico, si se aplica una entrada análoga de +3.8V/-3.8V a un convertidor A/D de 5bits, sin procesamiento de la señal análoga se puede encontrar que el nivel de tensión entre dos referencias de tensión consecutivas es de 237mV o 7.6/(2 n ), este valor es el mínimo valor análogo que puede codificar el convertidor con 31 comparadores, ahora, manteniendo la misma resolución, y aplicando el procesamiento a la señal análoga (Folding) 2 se puede lograr una conversión con 7 comparadores de la siguiente forma: Se divide la señal de entrada en 4 rangos (0V/1.9V, 1.9V/3.8V, 0V/-1.9V, -1.9/-3.8), donde el rango de tensión a convertir es acotado de 0V a 1.9V de esta forma 1.9V/(2 n )= 237mV, despejando n se tiene que n 3 y los otros 2 bits de la salida son el signo y el rango, bits que proporciona el circuito de folding, él numero de comparadores se reduce a 7, lo cual muestra una reducción total del área muerta del chip y por ende disminuye el consumo de potencia. El bloque de comparación toma la señal análoga procesada y la compara con diferentes referencias de tensión, de esta comparación se genera un código lineal el cual depende estrictamente de la señal análoga a la entrada del comparador, siguiendo la función de transferencia modelada en la figura 4. Se puede observar que cada paso análogo LSB es de 237mV correspondiente al nivel de tensión entre dos referencias de tensión consecutivas o al nivel de tensión correspondiente al cambio de un BIT a la salida del bloque. Figura 4. Función de Transferencia del Bloque de Comparación. Figura 3. Diagrama en Bloque del Folding. Ahora bien si la señal es bipolar el comparador que tiene como referencia cero voltios es el encargado de determinar su polaridad. 2 Van Valburg Johan y Van De Plasshe An 8-b 650Mhz Folding ADC IEEE journal of solid stated circuits vol. 27 # 12 Dic 1992
El bloque de referencias de tensión se implementa por medio de desplazadores diferenciales de nivel (ver figura 5). La referencia de tensión es producida aprovechando el rango lineal de entrada de una configuración diferencial. El rango lineal de entrada esta limitado por la corriente de polarización del par diferencial y las dimensiones de los dispositivos MOS (W, L). Si los pares diferenciales y la fuente de corriente de polarización son iguales, y el espejo NMOS posee las mismas dimensiones en ambos transistores. Cuando el par diferencial de la izquierda es alimentado con una tensión V en sus terminales de entrada, esta misma tensión es reflejada en los terminales de entrada del par diferencial de la derecha, por medio del espejo de corriente NMOS, quedando una diferencia de tensión entre referencias de tensión igual V. Figura 5. Desplazador de Nivel Diferencial. Este método para generar referencias de tensión satisface el rango de tensión entre dos referencias consecutivas para un convertidor A/D tipo paralelo, ya que el rango lineal de entrada del par diferencial puede ser ajustado independiente de tensión de umbral (Vt) de los transistores, logrando obtener tensiones mayores y menores a este valor. Este rango lineal de entrada para el convertidor A/D tipo paralelo debe ser mayor a 237mV, debido al el bloque de folding, el cual entrega dos de los cinco bits de salida del convertidor. Quedando tres bits, los cuales son generados por el bloque de comparación junto con el bloque de codificación, es decir, que el numero de referencias de tensión y comparadores se reduce a 7, quedando una diferencia de tensión entres dos referencias consecutivas de: V = 1.9 237mV 3 2 = Teniendo en cuenta este valor y dado que el par diferencial del desplazador de nivel se realizara mediante transistores PMOS, el manejo diferencial de entrada del par esta dado por la siguiente ecuación: V 2I Kp ( W / L) El bloque de codificación toma la salida del bloque de comparación y codifica el código lineal de 7 bits a un código binario de tres bits. De la salida del bloque de folding se toman los otros 2 bits que son: uno que indique si la entrada análoga esta por encima de 1.9 o por debajo de 1.9 y otra que indica si la señal es positiva o negativa, de esta forma tendremos una salida de 4 bits más uno de signo y la salida tendrá una codificación binaria. La salida de la codificación es three state y solo a través de un pulso externo de lectura (OE) se activa a baja impedancia, para que la información pueda ser leída. El bloque de control es el encargado de generar las señales que controlan a cada bloque del convertidor. Este bloque es sencillamente una máquina de estados, cuyo diagrama se puede ver en la figura 6, en donde se observa la función que desempeña cada uno de los estados, el valor de las salidas o señales de control de cada estado y el valor de las entradas que determinan un cambio de estado. Además, se observa los dos modos de operación del convertidor A/D (modo de convertidor y modo prueba) y el ciclo de lectura del convertidor. Ambos modos de operación consisten de dos estados (ver diagrama de tiempos en la figura 7). El primero de ellos, el estado de folding, en el cual se activa la señal de FLD para que el conjunto de comparadores que posee el bloque de folding, determine en que rango se encuentra la señal de entrada Vin, y así, adecuar esta señal al rango de 0V a 1.9V para que sirva como entrada al bloque de comparadores del convertidor. El segundo estado es el de comparación, el cual mantiene la señal de FLD y activa la señal CP para que el bloque de comparadores realice la comparación, y así, obtener los tres bits restantes de la palabra digital a la salida.
Figura 6. Diagrama de Estados del Bloque de Control. Figura 7. Diagrama de Tiempos del Bloque de Control. EL COMPARADOR PSEUDO ANÁLOGO Este bloque combina elementos digitales para crear unas estructuras análogas, tal como un comparador. El diseño es mas complicado que un comparador análogo convencional, pero tiene ventajas operativas como bajo offset, alto slew rate, baja histéresis y fácil implementación como celda análoga en un circuito integrado. El comparador pseudo análogo es como se muestra en la figura 4. Esta compuesto básicamente por un capacitor que almacena la diferencia de carga entre la referencia de tensión y la señal análoga procesada, por medio de dos multiplexores controlados por un pulso de control. Figura 8. Comparador Pseudoanálogo. En la primera mitad del pulso de control, el capacitor es cargado al valor de la referencia de tensión, al mismo tiempo, el amplificador, compuesto por dos inversoras CMOS, es llevado a un punto de la curva de trasferencia donde su entrada y salida son iguales por medio de un corto entre entrada y salida, esto es conocido como fase de autocero, la cual permite polarizar el amplificador en una parte lineal de la curva de trasferencia para así en la segunda mitad del pulso de control amplificar con el menor offset posible. En la segunda mitad del pulso de control es eliminada la fase de autocero y el capacitor es conectado a la señal análoga procesada, amplificando así, la diferencia de tensión entre la referencia de tensión y la señal análoga de entrada. Luego un registro a la salida mantiene el dato, hasta que este sea codificado y leído por la CPU. Entre los aspectos a tener en cuenta de la información que recibe el comparador es el offset de la señal ya que esta sumada al offset y a la histéresis del sistema, generan dos errores de cuantificación conocidos como error de offset y error de linealidad, estos pueden ser minimizados a medida que el disparo de conmutación del comparador sea simétrico y una pequeña diferencia de voltaje sobre el capacitor pueda ser amplificada lo suficiente para disparar el comparador. Otro factor que se suma en este error es el offset del bloque de folding el cual debe ser minimizado para lograr una señal análoga procesada con la menor distorsión posible.
3. LAYOUT CIRCUITO. LAYOUT FINAL A continuación se muestran los layouts realizados, de los distintos bloques que conforman el ADC. Referencia de Tensión 4. DATOS TECNICOS Control V+ Voltaje de polarización de 5 voltios V- Voltaje de polarización de 5 voltios GDN Tierra del circuito CLK Reloj externo de 5MHz. Vin Voltaje de entrada análoga(-3.8v, 3.8V) SC Start Convertion OE Output Enable. Test. EOC End of Convertion. D0-D4 Bits de salida. Función interna track and hold. Interface con microprocesador por SC, OE. y EOC. 1 LSB 2 Ajuste total de error de ± y ±1LSB Tiempo de Conversión de 400ns. Slew Rate de la señal de entrada de 592mV/µs Resolución de 5 bits. Salida Three State. No se requiere ajuste de cero y escala completa. Temperatura de 0ºC a 70ºC Total área: 8.6mm 2 Comparador 5. CONCLUSIONES El desarrollo de un convertidor A/D tipo paralelo con técnicas pseudoanálogas y de folding, presenta grandes ventajas en el diseño de estructuras análogas complejas en comparación con configuraciones de convertidores A/D tipo paralelo simples. Además, el diseño de estructuras análogas tales como el comparador se puede realizar con técnicas de diseño digital. 6. BIBLIOGRAFIA [1] BROOKS, Todd L. DEL MURO, Anthony HARSTON, Stephen W. ROBERTSON, David H. y KELLY, Daniel F. A Cascaded Sigma Delta Pipeline A/D Converter with 1.25 MHz Signal Bandwidth
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