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Como puerta de enlace entre el dominio analógico del "mundo real" y el mundo digital compuesto por unos y ceros, los convertidores de datos son uno de los elementos clave en el procesamiento de señales moderno. En los últimos 1 años, ha surgido una gran cantidad de tecnologías innovadoras en el campo de la conversión de datos. Estas tecnologías no solo han impulsado mejoras de rendimiento y avances arquitectónicos en varios campos, desde imágenes médicas hasta comunicaciones celulares, audio y video de consumo, sino que también han desempeñado un papel en la realización de nuevas aplicaciones. Papel importante.
La expansión continua de las comunicaciones de banda ancha y las aplicaciones de imágenes de alto rendimiento resalta la importancia especial de la conversión de datos de alta velocidad: el convertidor debe poder manejar señales con un ancho de banda de 10 MHz a 1 GHz. Las personas logran estas velocidades más altas a través de una variedad de arquitecturas de convertidores, cada una con sus propias ventajas. El cambio entre los dominios analógico y digital a altas velocidades también plantea algunos desafíos especiales para la integridad de la señal, no solo las señales analógicas, sino también las señales de reloj y datos. Comprender estos problemas no solo es importante para la selección de componentes, sino que también afecta la elección general de la arquitectura del sistema.
1. Más rápido
En muchos campos técnicos, estamos acostumbrados a asociar el progreso tecnológico con velocidades más altas: desde Ethernet a las redes de área local inalámbricas a las redes móviles celulares, la esencia de la comunicación de datos es aumentar continuamente la velocidad de transmisión de datos. Gracias a los avances en las frecuencias de reloj, los microprocesadores, los procesadores de señales digitales y los FPGA se han desarrollado rápidamente. Estos dispositivos se benefician principalmente de la reducción del tamaño del proceso de grabado, lo que resulta en velocidades de conmutación más rápidas, transistores de menor tamaño (y menor consumo de energía). Estos avances han creado un entorno en el que la potencia de procesamiento y el ancho de banda de datos han crecido de manera exponencial. Estos potentes motores digitales han traído el mismo crecimiento exponencial en los requisitos de procesamiento de datos y señales: desde imágenes estáticas hasta video, ancho de banda y espectro, ya sea por cable o inalámbrico. Un procesador que funciona a una frecuencia de reloj de 100 MHz puede procesar de manera efectiva señales con un ancho de banda de 1 MHz a 10 MHz: un procesador que funciona a una frecuencia de reloj de varios GHz puede procesar señales con un ancho de banda de cientos de MHz.
Naturalmente, una mayor potencia de procesamiento y una mayor velocidad de procesamiento conducirán a una conversión de datos más rápida: las señales de banda ancha amplían su ancho de banda (a menudo alcanzan los límites del espectro establecidos por las agencias físicas o reguladoras) y los sistemas de imágenes buscan aumentar la capacidad de procesamiento de píxeles por segundo Para procesar imágenes de mayor resolución más rápido. La arquitectura del sistema se ha innovado para aprovechar este rendimiento de procesamiento extremadamente alto, y también ha habido una tendencia al procesamiento en paralelo, lo que puede significar la necesidad de convertidores de datos multicanal.
Otro cambio importante en la arquitectura es la tendencia hacia sistemas multiportadora / multicanal e incluso definidos por software. Los sistemas tradicionales de uso intensivo analógico completan una gran cantidad de trabajo de acondicionamiento de señales (filtrado, amplificación, conversión de frecuencia) en el dominio analógico; después de una preparación adecuada, la señal se digitaliza. Un ejemplo es la radiodifusión de FM: el ancho de canal de una estación determinada suele ser de 200 kHz y la banda de FM varía de 88 MHz a 108 MHz. El receptor tradicional convierte la frecuencia de la estación de destino en una frecuencia intermedia de 10.7 MHz, filtra todos los demás canales y amplifica la señal a la mejor amplitud de demodulación. La arquitectura de múltiples portadoras digitaliza toda la banda de frecuencia FM de 20 MHz y utiliza tecnología de procesamiento digital para seleccionar y restaurar las estaciones de destino. Aunque el esquema de múltiples portadoras requiere un circuito mucho más complicado, tiene grandes ventajas de sistema: el sistema puede recuperar múltiples estaciones al mismo tiempo, incluidas las estaciones de banda lateral. Si se diseñan correctamente, los sistemas de múltiples portadoras pueden incluso reconfigurarse mediante software para admitir nuevos estándares (por ejemplo, nuevas estaciones de radio de alta definición asignadas en bandas laterales de radio). El objetivo final de este enfoque es utilizar un digitalizador de banda ancha que pueda adaptarse a todas las bandas de frecuencia y un potente procesador que pueda recuperar cualquier señal: esta es la llamada radio definida por software. Existen arquitecturas equivalentes en otros campos: instrumentación definida por software, cámara definida por software, etc. Podemos pensar en estas como equivalentes de procesamiento de señales virtualizadas. Lo que hace posibles arquitecturas flexibles como esta es la poderosa tecnología de procesamiento digital y la tecnología de conversión de datos de alta velocidad y alto rendimiento.
2. Ancho de banda y rango dinámico
Ya sea que se trate de procesamiento de señales analógicas o digitales, sus dimensiones básicas son el ancho de banda y el rango dinámico; estos dos factores determinan la cantidad de información que el sistema puede procesar realmente. En el campo de la comunicación, la teoría de Claude Shannon utiliza estas dos dimensiones para describir los límites teóricos básicos de la cantidad de información que puede transportar un canal de comunicación, pero sus principios son aplicables a muchos campos. Para los sistemas de imágenes, el ancho de banda determina el número de píxeles que se pueden procesar en un momento dado, y el rango dinámico determina la intensidad o el rango de color entre la fuente de luz más oscura perceptible y el punto de saturación del píxel.
El ancho de banda utilizable del convertidor de datos tiene un límite teórico básico establecido por la teoría de muestreo de Nyquist: para representar o procesar una señal con un ancho de banda de F, necesitamos usar un convertidor de datos con una frecuencia de muestreo operativa de al menos 2 F (tenga en cuenta que esta regla se aplica a cualquier sistema de datos de muestreo, tanto analógico como digital). Para los sistemas reales, una cierta cantidad de sobremuestreo puede simplificar enormemente el diseño del sistema, por lo que un valor más típico es de 2.5 a 3 veces el ancho de banda de la señal. Como se mencionó anteriormente, el aumento de la potencia de procesamiento puede mejorar la capacidad del sistema para manejar anchos de banda más altos, y los sistemas como teléfonos celulares, sistemas de cable, redes de área local alámbricas e inalámbricas, procesamiento de imágenes e instrumentación se están moviendo hacia sistemas de mayor ancho de banda. Este continuo aumento de los requisitos de ancho de banda requiere convertidores de datos con mayores velocidades de muestreo.
Si la dimensión del ancho de banda es intuitiva y fácil de entender, entonces la dimensión del rango dinámico puede ser un poco oscura. En el procesamiento de señales, el rango dinámico representa el rango de distribución entre la señal más grande que el sistema puede manejar sin saturación o recorte y la señal más pequeña que el sistema puede capturar de manera efectiva. Podemos considerar dos tipos de rango dinámico: el rango dinámico configurable se puede lograr colocando un amplificador de ganancia programable (PGA) antes del convertidor analógico-digital de baja resolución (ADC) (asumiendo que para un rango dinámico configurable de 12 bits , coloque un PGA de 4 bits antes del convertidor de 8 bits): cuando la ganancia se establece en un valor bajo, esta configuración puede capturar señales grandes sin exceder el rango del convertidor. Cuando la señal es demasiado pequeña, el PGA se puede configurar en alta ganancia para amplificar la señal por encima del piso de ruido del convertidor. La señal puede ser una estación fuerte o débil, o puede ser un píxel brillante o tenue en el sistema de imágenes. Para las arquitecturas de procesamiento de señales tradicionales que solo intentan recuperar una señal a la vez, este rango dinámico configurable puede ser muy efectivo.
El rango dinámico instantáneo es más poderoso: en esta configuración, el sistema tiene suficiente rango dinámico para capturar señales grandes al mismo tiempo sin recorte, mientras que también recupera señales pequeñas; ahora, es posible que necesitemos un convertidor de 14 bits. Este principio es adecuado para muchas aplicaciones: restaurar señales de radio fuertes o débiles, restaurar señales de teléfonos móviles o restaurar partes superbrillantes y super oscuras de una imagen. Si bien el sistema tiende a utilizar algoritmos de procesamiento de señales más complejos, la demanda de rango dinámico también aumentará. En este caso, el sistema puede procesar más señales; si todas las señales tienen la misma intensidad y necesitan procesar el doble de señal, debe aumentar el rango dinámico en 3 dB (en igualdad de condiciones en todas las demás condiciones). Quizás lo más importante, como se mencionó anteriormente, si el sistema necesita manejar señales fuertes y débiles al mismo tiempo, los requisitos incrementales para el rango dinámico pueden ser mucho mayores.
3. Diferentes medidas de rango dinámico
En el procesamiento de señales digitales, el parámetro clave del rango dinámico es el número de bits en la representación de la señal, o la longitud de la palabra: el rango dinámico de un procesador de 32 bits es mayor que el de un procesador de 16 bits. Las señales que son demasiado grandes se recortarán; esta es una operación altamente no lineal que destruirá la integridad de la mayoría de las señales. Las señales que son demasiado pequeñas (menos de 1 LSB de amplitud) se volverán indetectables y se perderán. Esta resolución limitada a menudo se denomina error de cuantificación o ruido de cuantificación, y puede ser un factor importante para establecer el límite inferior de detectabilidad.
El ruido de cuantificación también es un factor en un sistema de señal mixta, pero existen múltiples factores que determinan el rango dinámico utilizable del convertidor de datos, y cada factor tiene su propio rango dinámico.
Relación señal / ruido (SNR): relación entre la escala completa del convertidor y el ruido total de la banda de frecuencia. Este ruido puede provenir de ruido de cuantificación (como se describe anteriormente), ruido térmico (presente en todos los sistemas reales) u otros términos de error (como jitter).
No linealidad estática-no linealidad diferencial (DNL) y no linealidad integral (INL) -una medida del grado no ideal de la función de transferencia de CC desde la entrada a la salida del convertidor de datos (DNL generalmente determina la dinámica de la gama del sistema de imagen).
La distorsión armónica total: la no linealidad estática y dinámica producirá armónicos, que pueden proteger eficazmente otras señales. THD generalmente limita el rango dinámico efectivo de un sistema de audio.
Rango dinámico libre de espurios (SFDR) —Considerando los espolones espectrales más altos en relación con la señal de entrada, ya sea el segundo o tercer paso de reloj armónico, o incluso el ruido de "zumbido" de 60 Hz. Dado que los tonos del espectro o los espolones pueden proteger pequeñas señales, SFDR es un buen indicador del rango dinámico disponible en muchos sistemas de comunicación.
Existen otras especificaciones técnicas; de hecho, cada aplicación puede tener su propio método de descripción de rango dinámico efectivo. Al principio, la resolución del convertidor de datos es un buen proxy de su rango dinámico, pero es muy importante elegir las especificaciones técnicas correctas a la hora de tomar una decisión real. El principio clave es que cuanto más, mejor. Aunque muchos sistemas pueden darse cuenta de inmediato de la necesidad de un mayor ancho de banda de procesamiento de señal, la necesidad de rango dinámico puede no ser tan intuitiva, incluso si los requisitos son más exigentes.
Vale la pena señalar que aunque el ancho de banda y el rango dinámico son las dos dimensiones principales del procesamiento de la señal, es necesario considerar la tercera dimensión, la eficiencia: esto nos ayuda a responder la pregunta: "Para lograr un rendimiento adicional, necesito cuánto ¿costo?" Podemos ver el costo a partir del precio de compra, pero para los convertidores de datos y otras aplicaciones de procesamiento de señales electrónicas, una medida técnica más pura del costo es el consumo de energía. Los sistemas de mayor rendimiento (mayor ancho de banda o rango dinámico) tienden a consumir más energía. Con el avance de la tecnología, todos estamos tratando de reducir el consumo de energía mientras aumentamos el ancho de banda y el rango dinámico.
4. Aplicación principal
Como se mencionó anteriormente, cada aplicación tiene diferentes requisitos en términos de las dimensiones básicas de la señal y, en una aplicación determinada, puede haber muchas prestaciones diferentes. Por ejemplo, una cámara de 1 millón de píxeles y una cámara de 10 millones de píxeles. La Figura 4 muestra el ancho de banda y el rango dinámico que generalmente se requieren para algunas aplicaciones diferentes. La parte superior de la figura se conoce generalmente como convertidores de alta velocidad con una frecuencia de muestreo de 25 MHz y superior que pueden manejar con eficacia anchos de banda de 10 MHz o superiores.
Cabe señalar que el diagrama de aplicación no es estático. Las aplicaciones existentes pueden utilizar tecnologías nuevas de mayor rendimiento para mejorar sus funciones, por ejemplo, cámaras de alta definición o equipos de ultrasonido 3D de mayor resolución. Además, cada año surgirán nuevas aplicaciones; una gran parte de las nuevas aplicaciones estarán en el límite exterior del límite de rendimiento: gracias a la nueva combinación de alta velocidad y alta resolución. Como resultado, la ventaja del rendimiento del convertidor continúa expandiéndose, al igual que las ondas en un estanque.
También debe recordarse que la mayoría de las aplicaciones deben prestar atención al consumo de energía: para aplicaciones portátiles / alimentadas por batería, el consumo de energía puede ser la principal limitación técnica, pero incluso para los sistemas alimentados por línea, estamos comenzando a encontrar que los componentes de procesamiento de señales (analógico, ya sea digital o no) el consumo de energía eventualmente limitará el rendimiento del sistema en un área física determinada
5. Tendencias e innovaciones de desarrollo tecnológico: cómo lograr ...
Dado que estas aplicaciones continúan aumentando los requisitos de rendimiento de los convertidores de datos de alta velocidad, la industria ha respondido a esto con un avance tecnológico continuo. La tecnología empuja a los convertidores de datos avanzados de alta velocidad a partir de los siguientes factores:
Tecnología de proceso: la ley de Moore y los convertidores de datos: el avance continuo del rendimiento del procesamiento digital de la industria de los semiconductores es obvio para todos. El principal factor determinante es el enorme progreso realizado en la tecnología de procesamiento de obleas hacia procesos de litografía de tono más fino. La velocidad de conmutación de los transistores CMOS submicrónicos profundos supera con creces la de sus predecesores, lo que lleva las velocidades de reloj de funcionamiento de los controladores, procesadores digitales y FPGA a varios pasos de GHz. Los circuitos de señal mixta como los convertidores de datos también pueden aprovechar estos avances en el proceso de grabado para alcanzar velocidades más altas por el viento de la "Ley de Moore", pero para los circuitos de señal mixta, esto tiene un precio: más avanzado La fuente de alimentación de trabajo El voltaje del proceso de grabado tiende a disminuir continuamente. Esto significa que la oscilación de la señal del circuito analógico se está reduciendo, lo que aumenta la dificultad de mantener la señal analógica por encima del piso de ruido térmico: se obtienen velocidades más altas a expensas de un rango dinámico reducido.
Arquitectura avanzada (este no es el convertidor de datos de la era primitiva): si bien el proceso de semiconductores se está desarrollando a grandes pasos, en los últimos 20 años, también ha habido una ola de innovación de ondas digitales en el campo del convertidor de datos de alta velocidad. arquitectura, para lograr una mayor eficiencia con una eficiencia asombrosa El ancho de banda y el mayor rango dinámico han hecho una gran contribución. Tradicionalmente, existe una variedad de arquitecturas para convertidores de analógico a digital de alta velocidad, que incluyen arquitectura completamente paralela (ceniza), arquitectura plegable (plegable), arquitectura intercalada (intercalada) y arquitectura de tubería (tubería), que aún son muy popular hoy. Posteriormente, las arquitecturas utilizadas tradicionalmente para aplicaciones de baja velocidad también se agregaron al campo de aplicaciones de alta velocidad, incluidos los registros de aproximación sucesivos (SAR) y -. Estas arquitecturas se modificaron específicamente para aplicaciones de alta velocidad. Cada arquitectura tiene sus propias ventajas y desventajas: algunas aplicaciones generalmente determinan la mejor arquitectura basándose en estas compensaciones. Para los DAC de alta velocidad, la arquitectura preferida es generalmente una estructura de modo de corriente conmutada, pero hay muchas variaciones de este tipo de estructura; la velocidad de la estructura del condensador conmutado aumenta constantemente y sigue siendo muy popular en algunas aplicaciones integradas de alta velocidad.
Método auxiliar digital: a lo largo de los años, además de la artesanía y la arquitectura, la tecnología de circuitos convertidores de datos de alta velocidad también ha realizado innovaciones brillantes. El método de calibración tiene una historia de décadas y juega un papel vital en compensar el desajuste de los componentes del circuito integrado y mejorar el rango dinámico del circuito. La calibración ha ido más allá del alcance de la corrección de errores estáticos y se utiliza cada vez más para compensar la no linealidad dinámica, incluidos los errores de configuración y la distorsión armónica.
En resumen, las innovaciones en estos campos han promovido en gran medida el desarrollo de la conversión de datos de alta velocidad.
6. Realizar
La realización de sistemas de señal mixta de banda ancha requiere más que simplemente elegir el convertidor de datos adecuado; estos sistemas pueden tener requisitos estrictos en otras partes de la cadena de señal. De manera similar, el desafío es lograr un rango dinámico excelente en un rango de ancho de banda más amplio, para obtener más señales dentro y fuera del dominio digital, aprovechando al máximo la potencia de procesamiento del dominio digital.
—En el sistema tradicional de portadora única, el acondicionamiento de señales consiste en eliminar las señales innecesarias lo antes posible y luego amplificar la señal de destino. Esto a menudo implica un filtrado selectivo y sistemas de banda estrecha ajustados para la señal de destino. Estos circuitos de sintonización fina pueden ser muy efectivos para lograr la ganancia y, en algunos casos, se pueden utilizar técnicas de planificación de frecuencias para garantizar que los armónicos u otras derivaciones se excluyan de la banda. Los sistemas de banda ancha no pueden utilizar estas tecnologías de banda estrecha, y lograr una amplificación de banda ancha en estos sistemas puede enfrentar enormes desafíos.
—La interfaz CMOS tradicional no admite velocidades de datos muy superiores a 100 MHz, y la interfaz de datos de oscilación diferencial de bajo voltaje (LVDS) funciona de 800 MHz a 1 GHz. Para velocidades de datos mayores, podemos usar múltiples interfaces de bus o usar la interfaz SERDES. Los convertidores de datos modernos utilizan una interfaz SERDES con una velocidad máxima de 12.5 GSPS (consulte el estándar JESD204B para obtener especificaciones). Se pueden utilizar varios canales de datos para admitir diferentes combinaciones de resolución y velocidad en la interfaz del convertidor. Las propias interfaces pueden ser muy complicadas.
—En lo que respecta a la calidad del reloj utilizado en el sistema, el procesamiento de señales de alta velocidad también puede resultar muy difícil. La fluctuación / error en el dominio del tiempo se convierte en ruido o error en la señal, como se muestra en la Figura 5. Cuando se procesan señales con una velocidad superior a 100 MHz, la fluctuación del reloj o el ruido de fase pueden convertirse en un factor limitante en el rango dinámico disponible. del convertidor. Los relojes de nivel digital pueden no ser adecuados para este tipo de sistema y pueden ser necesarios relojes de alto rendimiento.
El ritmo hacia señales de ancho de banda más amplio y sistemas definidos por software se está acelerando, y la industria continúa innovando, y están surgiendo métodos innovadores para construir convertidores de datos mejores y más rápidos, impulsando las tres dimensiones de ancho de banda, rango dinámico y eficiencia energética a un nuevo nivel. nivel.
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