I. Současná analogová technika

Transkript

1 IAS 2010/11 1 I. Současná analogová technika Analogové obvody v moderních komunikačních systémech. Vývoj informatických technologií v poslední dekádě minulého století digitalizace, zvýšení objemu přenášených dat, rozšíření datových kanálů (8bitů 12bitů, 16bitů i více), zvýšení rychlosti přenosu i zpracování dat vyšší nároky na analogové periferie. Úloha analogových obvodů: omezené využití "čistě analogových" systémů, přesun aplikací na periferie informatických digitálních systémů (komunikační systémy, zpracování dat, měřicí a řídicí soustavy,...), obvody pracující na velmi vysokých frekvencích. V převážné většině případů je přímá nebo nepřímá návaznost na digitální systémy. Typický příklad informatického systému viz obr. [TOU1-str.617, TOU2-str.17] Napájecí zdroje Napájecí zdroje Napájecí zdroje Měnič Úprava signálu A/D Digitální přenos a zpracování signálu D/A Úprava signálu Měnič Vstup - mikrofon Analogové předzpracování signálu (preprocessing) Digitální trakt Úprava analogového signálu (postprocessing) Výstup sluchátko Z hlediska analogových částí systému se jedná především o: předzpracování signálu z výstupu senzorů a převodníků = signal preprocessing úpravu úrovně, omezení spektra, potlačení šumu = signal conditioning převod A/D převod D/A rekonstrukci signálu na výstupu digitálního traktu = signal postprocessing zpracování výstupních signálů - výkonové zesílení = signal postprocessing To odpovídá následujícím systémovým funkcím: zesilování signálu - nevýkonové, výkonové, automatická regulace úrovně, analogová komprese, filtrace signálu, korekce amplitudových a fázových charakteristik systému, převody A/D a D/A.

2 IAS 2010/11 2 Z požadavků, které vyplývají z vlastností digitálního systému, jsou zásadní požadavek na rychlost zpracování signálů (a na zpracování rychlých signálů), přesnost zpracování a dynamika signálu (dáno šířkou datového slova digitálního systému jako příklad můžeme uvést: pro 8-bitové zpracování je "digitální" chyba 1bit rovna "analogové" chybě 0,4% a max.dynamický rozsah je cca 48dB. Pro 12-bitové systémy již chyba 1bitu představuje "analogovou" chybu 0,025% a dynamika systému se zvětšuje na 72dB) technologická slučitelnost monolitická technologie pokud možno shodná s "digitální", napájecí napětí, omezení napájecího příkonu. Za této situace přestala "klasická" analogová technika ze začátku 90. let minulého století vyhovovat aktuálním požadavkům, začala brzdit další rozvoj a bylo nutné hledat cesty pro její zdokonalení. Připomeňme: *Stav před rokem 1990: "klasická" analogová technika, využívající především diskrétní tranzistory a konvenční operační zesilovače + SC *Rok předěl: analogové obvody se ukazují jako "brzdicí" složka při vývoji nových (informatických) systémů => doporučení IEEE k rozvoji analogové techniky (nízký stupeň integrace, vysoké napájecí napětí, nevyhovující parametry, především rychlost a frekvenční pásmo) *Po roce 1990: nová pozornost analogové technice, uplatnění progresivních principů při řešení analogových obvodů (podpořený pokročilou technologií IO). Dvě oblasti rozvoje: - spojitě pracující obvody v proudovém modu, - rozvoj diskretně pracujících ("sampled-data") analogových obvodů aplikace "digitální" technologie (CMOS) na analogové obvody => vývoj "kombinovaných" čipů -> obvody SI Nejvýznamnějším směrem v rozvoji moderní analogové techniky, slučitelné s progresivními digitálními technologiemi se ukázala být technika obvodů v proudovém módu. Ta se stala základem pro vývoj nových funkčních bloků, splňujících náročné požadavky na analogové periferie a současně vytvářející podmínky pro technologickou kompatibilitu s digitálními systémy.

3 IAS 2010/11 3 II. Proudový mód a "smíšený" mód, důvody pro jeho použití Pokusme se nyní exaktněji zdůvodnit zavedení proudového módu v návrhu současných analogových obvodů. Jak už bylo řečeno, většina těchto obvodů spolupracuje s digitálními systémy. Aby vzájemná spolupráce analogové a digitální soustavy byla bezproblémová, je nezbytné, aby parametry obou častí byly srovnatelné. Za základní referenci budeme považovat parametry digitálního systému. Hodnoty těchto parametrů jsou podmíněné vývojem a úrovní monolitických technologií, které jsou nosné pro moderní informatické systémy a zpracování signálů. Jestliže koncem osmdesátých a začátkem devadesátých let byly standardem pro digitální systémy 8-bitová reprezentace dat a hodinová frekvence jednotky MHz, je v současné době běžným standardem 16- bitová (případně 32-bitová) reprezentace dat a o jeden až dva řády vyšší hodinová frekvence. Současně se snižuje i napájecí napětí digitálních obvodů z původních 5 V na 3 V i na nižší. Jaké tedy jsou výchozí podmínky pro zpracování analogových signálů? Uvažujme nejdříve dynamický rozsah signálů pro různou šířku slov digitálních dat: pro 8 bitů cca 48 db pro 12 bitů cca 72 db pro 16 bitů cca 96 db Pro analogovou část systému budeme předpokládat napájecí napětí shodné s digitální částí, t.j. 5V pro starší systémy, 3V pro novější systémy. Jaká budou za těchto podmínek minimální signálová napětí, odpovídající změně o nejméně významný bit digitálního slova: pro 8 bitů cca 4 mv (6,5 mv) pro 12 bitů cca 0,25 mv (0,41 mv) pro 16 bitů cca 15,0 μv (25 μv) Úroveň nejnižších signálů pro 12- a 16-bitové systémy je už na hranici šumu, pokud ji už dokonce nepřekračuje. Šířka pásma i rychlost odezvy při skokových změnách signálu musí být v souladu s digitální částí systému. Její parametry jsou jednoznačně určeny hodinovými kmitočty. To znamená, že v současných systémech s pracovními kmitočty až 10 3 MHz je nutné počítat se šířkou pásma analogových periferií na úrovni alespoň jednotek (ale spíše desítek) MHz a s rychlostí přeběhu cca 10 2 V/μs. Připomeňme, že kmitočtové vlastnosti "klasických" zesilovačů je možné charakterizovat tranzitními kmitočty v oblasti jednotek MHz a u rychlých zesilovačů do cca 50 MHz. Podobně rychlost přeběhu se obvykle pohybuje v jednotkách až desítkách V/µs. Z této úvahy je zřejmé, že "klasickými" analogovými obvody není možné v plném rozsahu splnit současné požadavky na spolupráci s moderními digitálními systémy.

4 IAS 2010/11 4 Některé vlastnosti obvodů pracujících v proudovém módu. Základní idea: zmenšení změn signálových napětí v závislosti na změnách signálových proudů Podmínka: zachování nezávislosti parametrů systému na amplitudě zpracovávaného signálu podmínka lineárního pracovního režimu (pro signálové proudy)! Základní stavební prvek: proudové zrcadlo Porovnání s "napěťovým" zesilovacím stupněm: Dominantní veličina: proud I 1, I 2 napětí - U BE, U 2 Pomocná veličina: napětí U BE proud I C U BE I = nut ln I oe U BE U BE nut I = 1 C I C I oe e I oe... saturační proud, U T... teplotní napětí, n... emisní koeficient (pro ideální tranzistor n = 1 ). Napětí se mění s logaritmem signálového proudu --- I C a U 2 jsou lineárně závislé! Typické vlastnosti: Nízká vstupní impedance (vstupní odpor) menší vliv rušení, vyšší dynamika obvodu. Změny signálového napětí jsou minimální menší vliv parazitních kapacit větší šířka pásma, vyšší rychlost přeběhu. Poznámka: Podobné úvahy platí i pro obvody s tranzistory MOS-FET. Také zde vzniká redukce dynamiky napěťových změn, oproti bipolárním tranzistorům je však řízená tzv. kvadratickým zákonem ( změny signálových napětí odpovídají odmocnině změn signálových proudů).

5 IAS 2010/11 5 Linearizovaný model obvodu v proudovém módu: Z... vstupní impedance obvodu, 0 ink outk Z ink Z outk Z.. výstupní impedance obvodu, P... proudový přenos nakrátko. IK V ideálním případě platí: Z ink = outk g L 0, Z =, Y = 0, Z = 0; Pro "reálný" obvod: J 1... J n značí pomocné napájecí zdroje, jejich vliv v lineárním modelu neuvažujeme. Obvody ve "smíšeném" módu. Při návrhu složitějších elektronických obvodů je často nezbytné kombinovat vhodně napěťový a proudový režim. Takovým způsobem jsou řešeny např. moderní operační zesilovače, kde vnitřní architektura odpovídá proudovému módu, vstupy a výstupy jsou však napěťové. Podle způsobu a stupně využití proudového módu v obvodu rozlišujeme: 1. Soustavy s úplným proudovým režimem obsahují jen obvody a funkční bloky (FB) v proudovém módu. 2. Soustavy s kombinovaným ("smíšeným") módem, t.j. kromě funkčních bloků v proudovém módu obsahují též převodníky napětí - proud (U/I) a proud - napětí (I/U), případně bloky pracující v napěťovém módu. Je vhodné připomenout, že každý dvojpólový prvek definovaný svou impedancí, resp. admitancí je možné chápat jako převodník I/U nebo U/I. Obecně je možné charakterizovat takovou soustavu modelem podle obr.

6 IAS 2010/11 6 Symboly v obrázku znamenají:, resp. označují převodníky U/I a I/U, CM je jádro, pracující v čistém proudovém módu. Typickým příkladem obvodů ve smíšeném módu jsou obvody s proudovou zpětnou vazbou, v nichž je aktivním prvkem transimpedanční zesilovač. Vstup i výstup jsou napěťové, ale obvod zpětnovazební smyčky pracuje s proudovým signálem. Dominantní rysy obvodů v proudovém módu: hlavní signálovou veličinou je proud, při obvodové analýze pracujeme s proudovými přenosy, do vlastností obvodu se promítá proudový charakter aktivních prvků (tranzistorů), v řadě aplikací není nutné používat výstupní I/U převodníky, což zpravidla vede ke zjednodušení výsledného obvodu, malé rozkmity signálových napětí vedou ke zrychlení časových odezev obvodu, existence nízkoimpedančních uzlů v obvodu může omezit vliv parazitních kapacit a rozšířit aktivní kmitočtové pásmo, proudový mód může mít různý stupeň využití v souvislosti s jeho aplikací při zdokonalování starších, čistě napěťových architektur.