Układy akwizycji danych Komparatory napięcia Przykłady układów
Komparatory napięcia 2
Po co komparator napięcia? 3
Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki 3
Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe 3
Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe Regeneracja sygnałów cyfrowych 3
Po co komparator napięcia? Układy pomiarowe, automatyki Przetworniki analogowo-cyfrowe Regeneracja sygnałów cyfrowych Wymagania 3
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
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
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
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
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
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
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
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
Parametry komparatorów 6
Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. 6
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
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
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
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
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
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
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
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
Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni 9
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
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
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= 4 3 2 C g m t 9
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= 4 3 2 C g m t 9
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
Komparator z zatrzaskiem Wzmacniacz Zatrzask
Komparator z zatrzaskiem UDD UP Uwe Uwe2 CLK Wzmacniacz Zatrzask
Komparator z zatrzaskiem UDD UP UP2 Uwe Uwy Uwe2 Uwy2 CLK Wzmacniacz Zatrzask
Komparator z zatrzaskiem UDD UP UP2 Uwe Uwy Uwe2 Uwy2 CLK Wzmacniacz Zatrzask
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + wzm. zatrzask Problemy: 2
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + wzm. zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f 2
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + wzm. zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC 2
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + wzm. CC zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC 2
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + 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
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + wzm. zatrzask Problemy: Podczas fazy wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie 2
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + 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
Redukcja niezrównoważenia Idea: 2, 2 ( opóźniona) 2 - + 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
Przenikanie zegara 2 Cwe, 2 ( opóźniona) 2 Cp - + wzm. zatrzask Niezrównoważenie resztkowe: ΔU n = ΔQ ( C we + C ) p 3
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
Redukcja symetryczna 2 Cwe 2 Cwe - + + - wzm. 5
Akwizycja sygnałów biologicznych 6
Specyfika sygnałów 7
Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe 7
Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv 7
Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów 7
Specyfika sygnałów Sygnały napięciowe Amplituda od kilkudziesięciu μv do kilku mv -> wymagany mały poziom szumów Pasmo częstotliwości od ułamków Hz do kilku khz 7
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
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
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
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
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 50... 500 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
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
Przedwzmacniacz UDD UP Uwe Uwe2 T 20
Przedwzmacniacz UDD UP Uwe UP3 Umożliwia przepływ prądu stałego; można go wyłączyć Uwe2 T 20
Przedwzmacniacz UDD UP Uwe UP3 Umożliwia przepływ prądu stałego; można go wyłączyć Uwe2 T R 20
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
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
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
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
Filtr UDD 22
Filtr UDD UP CHF CLF Pojemności rzędu pf Rezystancje (tr. w zakresie liniowym) 22
Filtr UDD UP UHF CHF CLF ULF Układy dynamicznej polaryzacji Pojemności rzędu pf Rezystancje (tr. w zakresie liniowym) 22
Filtr UDD UP UHF CHF CLF ULF Wtórnik przesuwający poziom składowej stałej Układy dynamicznej polaryzacji Pojemności rzędu pf Rezystancje (tr. w zakresie liniowym) 22
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
Stopień wyjściowy UDD UP 24
Stopień wyjściowy UDD UP2 UP 24
Stopień wyjściowy UDD UP2 UP 24
Stopień wyjściowy UDD UP2 UP UP: regulacja wzmocnienia 24