Układy akwizycji danych. Komparatory napięcia Przykłady układów

Transkrypt

1 Układy akwizycji danych Komparatory napięcia Przykłady układów

2 Komparatory napięcia 2

3 Po co komparator napięcia? 3

4 Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki 3

5 Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe 3

6 Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe Regeneracja sygnałów cyfrowych 3

7 Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe Regeneracja sygnałów cyfrowych Wymagania 3

8 Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe Regeneracja sygnałów cyfrowych Wymagania Szybkość (czas, jaki upływa od zmiany stanu na wejściu do zmiany wartości logicznej na wyjściu 3

9 Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe Regeneracja sygnałów cyfrowych Wymagania Szybkość (czas, jaki upływa od zmiany stanu na wejściu do zmiany wartości logicznej na wyjściu Dokładność (rzędu mv lub lepsza w wielu zastosowaniach) 3

10 Rodzaje komparatorów Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: 4

11 Rodzaje komparatorów Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy max. i min. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej 4

12 Rodzaje komparatorów Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy max. i min. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej pracuje bez pętli sprzężenia zwrotnego, może mieć dowolną liczbę stopni 4

13 Rodzaje komparatorów Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy max. i min. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej pracuje bez pętli sprzężenia zwrotnego, może mieć dowolną liczbę stopni kształt charakterystyki przejściowej jest nieistotny, nie jest wymagana liniowość 4

14 Rodzaje komparatorów Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy max. i min. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej pracuje bez pętli sprzężenia zwrotnego, może mieć dowolną liczbę stopni kształt charakterystyki przejściowej jest nieistotny, nie jest wymagana liniowość poważnym problemem jest niezrównoważenie 4

15 Rodzaje komparatorów Komparator próbkujący: dokonuje porównania napięć wejściowych w ściśle określonych chwilach czasowych i pamięta wynik. Zwykle zbudowany ze stopnia wzmacniającego (może być ich więcej) oraz zatrzasku (latch). wymaga taktowania zegarem możliwa jest autokompensacja niezrównoważenia Uodn 2 Uwe S/H wzm. + zatrzask Wyjście 5

16 Parametry komparatorów 6

17 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. 6

18 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje prawidłową odpowiedź na wyjściu w ustalonym czasie 6

19 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje prawidłową odpowiedź na wyjściu w ustalonym czasie Błąd niezrównoważenia: różnicowe napięcie wejściowe, przy którym następuje zmiana stanu wyjścia (powinno być równe zeru) 6

20 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje prawidłową odpowiedź na wyjściu w ustalonym czasie Błąd niezrównoważenia: różnicowe napięcie wejściowe, przy którym następuje zmiana stanu wyjścia (powinno być równe zeru) Histereza: napięcie przełączania 0 -> może różnić się od napięcia przełączania -> 0. Histereza może być szkodliwa lub korzystna zależnie od zastosowania 6

21 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje prawidłową odpowiedź na wyjściu w ustalonym czasie Błąd niezrównoważenia: różnicowe napięcie wejściowe, przy którym następuje zmiana stanu wyjścia (powinno być równe zeru) Histereza: napięcie przełączania 0 -> może różnić się od napięcia przełączania -> 0. Histereza może być szkodliwa lub korzystna zależnie od zastosowania Inne podobne jak dla wzmacniacza operacyjnego 6

22 Minimalizacja czasu opóźnienia Idea: zaprojektować wzmacniacz tak, by osiągnięcie stanu zera lub jedynki na wyjściu następowało już na początku narastania (lub opadania) napięcia na wyjściu wzmacniacza. 7

23 Minimalizacja czasu opóźnienia Idea: zaprojektować wzmacniacz tak, by osiągnięcie stanu zera lub jedynki na wyjściu następowało już na początku narastania (lub opadania) napięcia na wyjściu wzmacniacza. Dla komparatora pracującego w trybie ciągłym: dobór optymalnej liczby stopni wzmacniających. 7

24 Minimalizacja czasu opóźnienia Idea: zaprojektować wzmacniacz tak, by osiągnięcie stanu zera lub jedynki na wyjściu następowało już na początku narastania (lub opadania) napięcia na wyjściu wzmacniacza. Dla komparatora pracującego w trybie ciągłym: dobór optymalnej liczby stopni wzmacniających. Dla komparatora z zatrzaskiem: podobnie, do tego projekt zatrzasku wymagającego możliwie małej zmiany napięcia wejściowego do wywołania przełączenia 7

25 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Traktujemy układ jako liniowy u wy = u we g m R e t RC i chcemy wykorzystywać tylko początek odpowiedzi czasowej: t<<rc u wy2 u we g m C t 8

26 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni 9

27 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Dla dwóch stopni u wy2 u we g m C 2 t 2 2 9

28 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Dla dwóch stopni u wy2 u we g m C 2 t 2 2 i ogólnie dla n stopni u wy n u we g m C t n n! 9

29 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Dla dwóch stopni u wy2 u we g m C 2 t 2 2 i ogólnie dla n stopni u wy n u we g m C t n n! u wy n u we n= C g m t 9

30 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Dla dwóch stopni u wy2 u we g m C 2 t 2 2 i ogólnie dla n stopni u wy n u we g m C t n n! u wy n u we zakres optymalnego wzmocnienia dla n=3 n= C g m t 9

31 Zatrzask - przykład UDD UP A B Uwy Uwy2 Uwe Uwe2 CLK Dla CLK= różnica napięć wejściowych powoduje różnicę napięć w węzłach A i B, co powoduje przełączenie zatrzasku do jednego z dwóch możliwych stanów stabilnych. 0

32 Komparator z zatrzaskiem Wzmacniacz Zatrzask

33 Komparator z zatrzaskiem UDD UP Uwe Uwe2 CLK Wzmacniacz Zatrzask

34 Komparator z zatrzaskiem UDD UP UP2 Uwe Uwy Uwe2 Uwy2 CLK Wzmacniacz Zatrzask

35 Komparator z zatrzaskiem UDD UP UP2 Uwe Uwy Uwe2 Uwy2 CLK Wzmacniacz Zatrzask

36 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. zatrzask Problemy: 2

37 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f 2

38 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC 2

39 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. CC zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC 2

40 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. CC zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie 2

41 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie 2

42 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. CC zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie Odłączamy pojemność na czas fazy 2 2

43 Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) wzm. CC zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie Odłączamy pojemność na czas fazy 2 Ponadto redukcję psuje zjawisko przenikania sygnału zegara 2

44 Przenikanie zegara 2 Cwe, 2 ( opóźniona) 2 Cp - + wzm. zatrzask Niezrównoważenie resztkowe: ΔU n = ΔQ ( C we + C ) p 3

45 Redukcja w kilku stopniach 2, (faza wydłużona w stosunku do ) - wzm. + - wzm. + - wzm. +, Dzięki wydłużeniu fazy redukowane jest niezrównoważenie resztkowe pierwszego stopnia pochodzące od przenikania sygnału zegara 4

46 Redukcja symetryczna 2 Cwe 2 Cwe wzm. 5

47 Akwizycja sygnałów biologicznych 6

48 Specyfika sygnałów 7

49 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe 7

50 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv 7

51 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów 7

52 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów Pasmo częstotliwości od ułamków Hz do kilku khz 7

53 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów Pasmo częstotliwości od ułamków Hz do kilku khz -> problem szumów /f 7

54 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów Pasmo częstotliwości od ułamków Hz do kilku khz -> problem szumów /f Duża nieprzewidywalna zakłócająca składowa stała 7

55 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów Pasmo częstotliwości od ułamków Hz do kilku khz -> problem szumów /f Duża nieprzewidywalna zakłócająca składowa stała -> problem separacji składowej stałej od wolnozmiennego sygnału użytecznego 7

56 Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów Pasmo częstotliwości od ułamków Hz do kilku khz -> problem szumów /f Duża nieprzewidywalna zakłócająca składowa stała -> problem separacji składowej stałej od wolnozmiennego sygnału użytecznego Dla układów wielokanałowych krytyczna jest powierzchnia układu i pobór mocy 7

57 Układ odczytu z siatkówki oka Napięcie odniesienia Wejścia Kanał testowy Kanał Kanał 2 Kanał 3 Kanał 62 Kanał 63 Kanał 64 Kanał testowy Multiplekser analogowy Wyjście Sterowanie Napięcie wejściowe μv, pasmo 20 Hz... 2 khz, wzmocnienie napięciowe min. 000 V/V, wejście różnicowe, pobór mocy max. 2 mw/kanał P. Gryboś, Low Noise Multichannel Integrated Circuits in CMOS Technology for Physics and Biology Applications, Rozprawy, Monografie AGH nr 7, Kraków 2002 (układ uproszczony w stosunku do oryginału) 8

58 Pojedynczy kanał przedwzmacniacz filtr pasmowy wzm. końcowy Mały poziom szumów Pasmo 20 Hz - 20 khz Min. amplituda na wyjściu V Niewrażliwość na składową stałą 9

59 Przedwzmacniacz UDD UP Uwe Uwe2 T 20

60 Przedwzmacniacz UDD UP Uwe UP3 Umożliwia przepływ prądu stałego; można go wyłączyć Uwe2 T 20

61 Przedwzmacniacz UDD UP Uwe UP3 Umożliwia przepływ prądu stałego; można go wyłączyć Uwe2 T R 20

62 Przedwzmacniacz UDD UP UP2 T3 Uwe Uwy UP3 Umożliwia przepływ prądu stałego; można go wyłączyć Uwe2 T R T2 R2 k u = 2 g m R g m2 ( ) g m3 + g m2 R 2 Wzmocnienie określają: transkonduktancje (określane przez prądy, które zależą od UP i UP2) oraz rezystancje R i R2 20

63 Przedwzmacniacz UDD UP UP2 T3 Uwe Uwy UP3 Umożliwia przepływ prądu stałego; można go wyłączyć Uwe2 T R T2 R2 k u = 2 g m R g m2 ( ) g m3 + g m2 R 2 Wzmocnienie określają: transkonduktancje (określane przez prądy, które zależą od UP i UP2) oraz rezystancje R i R2 20

64 Przedwzmacniacz UDD UP UP2 T3 Uwe Uwy UP3 Umożliwia przepływ prądu stałego; można go wyłączyć Uwe2 T R A T2 R2 k u = 2 g m R g m2 ( ) g m3 + g m2 R 2 Układ polaryzacji węzła A o bardzo wysokiej impedancji w tym węźle Wzmocnienie określają: transkonduktancje (określane przez prądy, które zależą od UP i UP2) oraz rezystancje R i R2 20

65 Układ dzielnika napięcia UDD Pojemność rzędu pf L>>W; oba wymiary duże Węzeł o bardzo wysokiej impedancji (kilka TΩ) L>>W; oba wymiary duże Dolna częstotliwość pasma przenoszenia rzędu Hz lub poniżej 2

66 Filtr UDD 22

67 Filtr UDD UP CHF CLF Pojemności rzędu pf Rezystancje (tr. w zakresie liniowym) 22

68 Filtr UDD UP UHF CHF CLF ULF Układy dynamicznej polaryzacji Pojemności rzędu pf Rezystancje (tr. w zakresie liniowym) 22

69 Filtr UDD UP UHF CHF CLF ULF Wtórnik przesuwający poziom składowej stałej Układy dynamicznej polaryzacji Pojemności rzędu pf Rezystancje (tr. w zakresie liniowym) 22

70 Filtr UDD UP UHF CHF CLF ULF Zmiana UHF=ULF przesuwa środkową częstotliwość pasma bez zmiany wzmocnienia Zmiana UP przesuwa częstotliwość dolną Niezależna regulacja UHF i ULF zmienia odpowiednio górną i dolną częstotliwość oraz wzmocnienie 23

71 Stopień wyjściowy UDD UP 24

72 Stopień wyjściowy UDD UP2 UP 24

73 Stopień wyjściowy UDD UP2 UP 24

74 Stopień wyjściowy UDD UP2 UP UP: regulacja wzmocnienia 24