مبدل های آنالوگ به دیجیتال 1 سریع با ولتاژ تغذیه و توان پایین امروزه از عناصر کلیدی سیستمهای پردازشی و مخابراتی به شمار می روند. کاربرد روز افزون دستگاههای الکترونیکی که با باتری کار می کنند، مسئله ولتاژ تغذیه و بخصوص توان مصرفی را از اهمیت ویژه ای برخوردار ساخته است.
مبدل های فولدینگ 2 به عنوان مبدل های موازی که می توان گفت نزدیک ترین ساختار به مبدل های فلاش 3 محسوب می شوند، کارآیی خود را از نظر قابلیت رسیدن به سرعت های بالا و تاخیر کم در قدرت تفکیک های 8 تا 10 بیت به اثبات رسانده اند. هدف از این پژوهش دستیابی به روشهای عملی برای کاهش توان و ولتاژ تغذیه مبدل های فولدینگ با حفظ و حتی بهبود دیگر مشخصات مبدل است. این هدف از طریق ارائه یک ساختار جدید برای طبقه فولدینگ که به افزایش محدوده ورودی قابل استفاده منجر می شود، دنبال شده است.
فهرست مطالب
فصل 1 مقدمه و تعاریف ................................................................................................................. 1
1-1 مقدمه .......................................................................................................................................................... 1
2-1 روشهای متداول تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال . ..................................................................................... 3
2-1 1- مبدل فلاش . ................................................................................................................................... 3
2-1 2- مبدل دو مرحله ای: ........................................................................................................................ 4
2-1 3- مبدل فولدینگ: ............................................................................................................................... 4
2-1 4- مبدل پایپ لاین: ............................................................................................................................. 5
3-1 روابط حاکم بر تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال و خطاهای موجود ........................................................ 6
4-1 مسئله توان ................................................................................................................................................. 10
5-1 اهداف طراحی ........................................................................................................................................... 11
فصل 2 بررسی ساختاری مبدل های آنالوگ به دیجیتال موازی ...................................................... 13
1-2 مقدمه ......................................................................................................................................................... 13
2-2 تعریف مبدل موازی ................................................................................................................................... 14
3-2 مدل کلی مبدل موازی . ............................................................................................................................... 16
4-2 ساختارهای متداول .................................................................................................................................... 18
5-2 حساسیت به خطاها.................................................................................................................................... 21
6-2 ساختارهای دیگر ....................................................................................................................................... 27
7-2 مقایسه ساختارها ........................................................................................................................................ 34
فصل 3 مبدل آنالوگ به دیجیتال فولدینگ با درون یابی ................................................................. 36
1-3 مقدمه ......................................................................................................................................................... 36
2-3 مفهوم فولدینگ .......................................................................................................................................... 37
3-3 پیاده سازی مشخصه فولدینگ .................................................................................................................... 40
3-3 1- پیاده سازی مشخصه فولدینگ ایده آل ........................................................................................ 40
3-3 2- پیاده سازی مشخصه فولدینگ غیر ایده آل . ................................................................................. 43
4-3 درون یابی .................................................................................................................................................. 46
4-3 2- درون یابی ولتاژی . ....................................................................................................................... 47
4-3 3- درون یابی جریانی ....................................................................................................................... 49
5-3 دکودر دیجیتال ........................................................................................................................................... 49
6-3 کاهش توان در مبدل فولدینگ . ................................................................................................................... 51
2- روش های موجود برای افزایش محدوده ورودی ....................................................................... 55
6-3 3- روش پیشنهادی برای افزایش دامنه ورودی . ................................................................................ 57
6-3 4- تنظیم مشخصه های NMOS و 59 .................................................................................. PMOS
7-3 انتخاب جزئیات ساختار مبدل فولدینگ ..................................................................................................... 64
فصل 4 پیاده سازی سیستمی و مدل سازی رفتاری ........................................................................ 67
1-4 مدل رفتاری مبدل فولدینگ ........................................................................................................................ 68
1-4 2- پیش تقویت کننده ....................................................................................................................... 70
1-4 3- تقویت کننده فولدینگ ................................................................................................................. 72
1-4 4- شبکه متوسط گیری ..................................................................................................................... 74
1-4 5- شبکه درون یابی .......................................................................................................................... 76
1-4 6- مقایسه کننده ............................................................................................................................... 77
1-4 7- مبدل درشت گام.......................................................................................................................... 78
2-4 شبیه سازی رفتاری و نتایج آن .................................................................................................................... 80
2-4 1- شبیه سازی رفتار استاتیک ........................................................................................................... 80
2-4 1-1- تأثیر عملکرد مدار جبران روی خطای استاتیک خروجی ................................................. 80
2-4 2-1- اطمینان از صحت عملکرد مدار جبران ............................................................................. 82
2-4 3-1- تأثیر عوامل مختلف خطا روی خطای استاتیک خروجی . ................................................. 83
2-4 4-1- تأثیر متوسط گیری در کاهش خطا . ................................................................................... 86
2-4 2- شبیه سازی رفتار دینامیک ........................................................................................................... 88
فصل 5 طراحی مدار در سطح ترانزیستور ....................................................................................... 95
1-5 مقدمه ......................................................................................................................................................... 95
2-5 مدار نمونه برداری ..................................................................................................................................... 97
2-5 1- بررسی مدارهای نمونه برداری .................................................................................................... 97
2-5 2- بررسی خازن ورودی مبدل فولدینگ ........................................................................................ 101
2-5 3- طراحی مدار نمونه برداری ........................................................................................................ 105
3-5 پیش تقویت کننده ...................................................................................................................................... 119
4-5 تقویت کننده فولدینگ ............................................................................................................................... 121
5-5 منابع جریان ثابت ....................................................................................................................................... 123
6-5 بارهای خروجی و شبکه درون یابی............................................................................................................ 126
7-5 مدار تنظیم مشخصه پیش تقویت کننده های NMOS و 128 .............................................................. . PMOS
8-5 سوئیچ متعادل کننده خروجی . ..................................................................................................................... 130
9-5 نردبان مقاومتی ...........................................................................................................................................
مقایسه گر ................................................................................................................................................ 137
10-5 1- بررسی مقایسه گرهای دینامیک ................................................................................................ 137
10-5 2- تحلیل افست دینامیک مقایسه گر ............................................................................................ 139
10-5 3- مقایسه گر با افست دینامیک پایین .......................................................................................... 147
11-5 مقایسه گرهای مبدل درشت گام . .............................................................................................................. 149
12-5 مدارهای منطقی دیجیتال ........................................................................................................................... 150
13-5 مدارات درایور پالس های ساعت .............................................................................................................. 153
14-5 شبیه سازی های دینامیک مداری ............................................................................................................... 156
فصل 6 پیاده سازی، ساخت و آزمون .............................................................................................. 160
1-6 طراحی لی اوت.......................................................................................................................................... 160
1-6 1- طراحی نقشه قرارگیری اجزا ................................................................................................... 161
1-6 2- سلول های فولدینگ .................................................................................................................. 162
1-6 3- منابع جریان ثابت . ...................................................................................................................... 164
1-6 4- نردبان مقاومتی . .......................................................................................................................... 165
1-6 5- مقایسه گر ................................................................................................................................. 166
1-6 6- مدار بایاس ............................................................................................................................... 167
1-6 7- سایر بخش ها ............................................................................................................................. 167
2-6 استراتژی چیپ . .......................................................................................................................................... 168
2-6 1- بررسی بلوکهای مختلف مبدل از دید استراتژی چیپ . .............................................................. 170
2-6 1-1- مدار نمونه برداری .......................................................................................................... 170
2-6 2-1- نردبان مقاومتی ................................................................................................................ 170
2-6 3-1- مدار بایاس . ..................................................................................................................... 171
2-6 4-1- مدار تنظیم خودکار بهره ................................................................................................. 171
2-6 5-1- بلوک فولدینگ . ............................................................................................................... 172
2-6 6-1- مدار مبدل درشت گام . .................................................................................................... 176
2-6 7-1- مقایسه گر ها و دکودر دیجیتال ...................................................................................... 176
2-6 2- تعیین پین های ورودی و خروجی ............................................................................................ 177
3-6 بررسی تاثیر پکیج روی عملکرد مبدل طراحی شده . ................................................................................... 180
3-6 1- مدل پکیج: ................................................................................................................................ 180
3-6 2- منابع ایجاد اغتشاش . .................................................................................................................. 181
3-6 3- مدارهای حساس به اغتشاش . .................................................................................................... 183
3-6 4- نحوه القای اغتشاش و راههای کاهش آن .................................................................................. 184
4-6 آزمون ......................................................................................................................................................... 1
1- طراحی مدار آزمون . ................................................................................................................... 190
4-6 2- نتایج اندازه گیری ...................................................................................................................... 196
4-6 1-2- اندازه گیری ولتاژهای بایاس .......................................................................................... 196
4-6 2-2- اندازه گیری منحنی مشخصه فولدینگ . ........................................................................... 197
4-6 3-2- اندازه گیری مشخصه استاتیک در فرکانس پایین ............................................................ 198
4-6 4-2- اندازه گیری مشخصات دینامیک در فرکانس پایین . ........................................................ 202
4-6 5-2- اندازه گیری مشخصات دینامیک در فرکانس بالا ............................................................ 203
4-6 6-2- بررسی اثر کاهش ولتاژ تغذیه بر عملکرد مبدل .............................................................. 206
فصل 7 کالیبراسیون . ......................................................................................................................... 207
1-7 مقدمه ......................................................................................................................................................... 207
2-7 تاثیر عدم تطابق روی مبدل فولدینگ . ........................................................................................................ 209
3-7 راه حل ارا ئه شده برای حذف خطای ناشی از عدم تطابق ......................................................................... 211
4-7 آلگوریتم حذف خطای ناشی از عدم تطابق ................................................................................................ 213
5-7 پیاده سازی مداری مبدل فولدینگ با استفاده از کالیبراسیون ....................................................................... 216
6-7 نتایج شبیه سازی مداری مبدل با امکان کالیبراسیون . ................................................................................... 222
7-7 ساخت و آزمایش مبدل با کالیبراسیون ........................................................................................................ 226
7-7 1- طراحی لی اوت ......................................................................................................................... 226
7-7 2- آزمون ....................................................................................................................................... 228
7-7 1-2- بررسی دقت نردبان مقاومتی ........................................................................................... 228
7-7 2-2- بررسی عملکرد مدار کالیبراسیون . ................................................................................... 231
7-7 3-2- اندازه گیری خطای استاتیک ........................................................................................... 233
7-7 4-2- اندازه گیری پاسخ دینامیک ............................................................................................. 239
فصل 8 جمع بندی و کارهای آینده .................................................................................................. 240
1-8 جمع بندی ................................................................................................................................................... 240
2-8 کارهای آینده .............................................................................................................................................. 244
مراجع........................................................................................................................................... 2
پایان نامه دکتری برق الکترونیک -طراحی و ساخت مبدل آنالوگ به دیجیتال ولتاژ پایین کم مصرف با روش فولدینگ
