Flash ADC

En blixt-ADC (även känd som en direktomvandlings-ADC ) är en typ av analog-till-digital-omvandlare som använder en linjär spänningsstege med en komparator vid varje "steg" på stegen för att jämföra inspänningen med successiva referensspänningar. Ofta är dessa referensstegar konstruerade av många motstånd ; dock visar moderna implementeringar att kapacitiv spänningsdelning också är möjlig. Utsignalen från dessa komparatorer matas i allmänhet till en digital kodare, som omvandlar ingångarna till ett binärt värde (de insamlade utsignalerna från komparatorerna kan betraktas som ett unärt värde).

Fördelar och nackdelar

Flash-omvandlare är extremt snabba jämfört med många andra typer av ADC, som vanligtvis smalnar in på det "rätta" svaret under en rad steg. Jämfört med dessa är en flashomvandlare också ganska enkel och kräver, förutom de analoga komparatorerna, bara logik för den slutliga konverteringen till binär .

För bästa noggrannhet sätts ofta en spår-och-håll- krets in framför ADC-ingången. Detta behövs för många ADC-typer (som successiv approximation ADC ), men för flash-ADC:er finns det inget verkligt behov av detta, eftersom komparatorerna är samplingsenheterna.

En blixtomvandlare kräver ett stort antal komparatorer jämfört med andra ADC, särskilt när precisionen ökar. En flashomvandlare kräver $2^{n}-1$ komparatorer för en n -bitars konvertering. Storleken, strömförbrukningen och kostnaden för alla dessa komparatorer gör flashomvandlare i allmänhet opraktiska för precisioner som är mycket större än 8 bitar (255 komparatorer). I stället för dessa komparatorer ersätter de flesta andra ADC:er mer komplexa logiska och/eller analoga kretsar som lättare kan skalas för ökad precision .

Genomförande

En 2-bitars flash-ADC-exempelimplementering med bubbelfelkorrigering och digital kodning

Flash ADCs har implementerats i många tekniker, allt från kiselbaserade bipolära (BJT) och komplementära metalloxid- FET -tekniker ( CMOS ) till sällan använda III-V- tekniker. Ofta används denna typ av ADC som en första medelstor analog kretsverifiering.

De tidigaste implementeringarna bestod av en referensstege av väl anpassade motstånd kopplade till en referensspänning. Varje uttag på motståndsstegen används för en komparator, eventuellt föregås av ett förstärkningssteg , och genererar således en logisk 0 eller 1 beroende på om den uppmätta spänningen är över eller under referensspänningen för spänningsdelaren . Anledningen till att lägga till en förstärkare är tvåfaldig: den förstärker spänningsskillnaden och undertrycker därför komparatorns offset, och bakslagsljudet från komparatorn mot referensstegen är också kraftigt undertryckt. Typiskt produceras mönster från 4-bitars upp till 6-bitars och ibland 7-bitars.

Konstruktioner med energibesparande kapacitiva referensstegar har demonstrerats. Förutom att klocka komparatorn/komparatorerna, samplar dessa system även referensvärdet på ingångssteget. Eftersom provtagningen görs med en mycket hög hastighet är läckaget av kondensatorerna försumbart.

Nyligen har offsetkalibrering införts i flash-ADC-designer. Istället för analoga kretsar med hög precision (som ökar komponentstorleken för att undertrycka variation) mäts och justeras komparatorer med relativt stora offsetfel. En testsignal appliceras och förskjutningen för varje komparator kalibreras till under LSB -värdet för ADC.

En annan förbättring av många flash-ADC:er är inkluderingen av digital felkorrigering. När ADC används i tuffa miljöer eller konstrueras från mycket små integrerade kretsprocesser, finns det en ökad risk att en enskild komparator slumpmässigt ändrar tillstånd vilket resulterar i en felaktig kod. Bubbelfelskorrigering är en digital korrigeringsmekanism som förhindrar en komparator som till exempel har löst ut högt från att rapportera logisk hög om den är omgiven av komparatorer som rapporterar logisk låg.

Fällbar ADC

Antalet komparatorer kan minskas något genom att lägga till en vikkrets framför, vilket gör en så kallad folding ADC . Istället för att använda komparatorerna i en blixt ADC endast en gång, under en rampingångssignal, återanvänder den hopfällbara ADC komparatorerna flera gånger. Om en m - gånger vikningskrets används i en n - bitars ADC kan det faktiska antalet komparatorer reduceras från $2^{n}-1$ till ${\frac {2^{n}}{m}}$ (det behövs alltid en för att upptäcka intervallövergången). Typiska vikningskretsar är Gilbert-multiplikatorn och analoga ELLER- kretsar.

Ansökan

Den mycket höga samplingshastigheten för denna typ av ADC möjliggör högfrekventa tillämpningar (vanligtvis inom några få GHz-intervall) som radardetektering , bredbandsradiomottagare , elektronisk testutrustning och optiska kommunikationslänkar . Oftare är blixten ADC inbäddad i en stor IC som innehåller många digitala avkodningsfunktioner.

En liten blixt-ADC-krets kan också finnas inuti en delta-sigma-modulationsslinga .

Flash ADCs används också i NAND-flashminne , där upp till 3 bitar lagras per cell som 8 spänningsnivåer på flytande grindar.

• Analog-till-digital konvertering
• Förstå Flash ADCs
• "Integrated Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Converters", R. van de Plassche, ADCs, Kluwer Academic Publishers, 1994.
• "A Precise Four-Quadrant Multiplier with Subnanosecond Response", Barrie Gilbert, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 3, nr 4 (1968), sid. 365-373