طراحی، بررسی و پیاده سازی تکنیک کالیبراسیون در مبدل های آنالوگ به دیجیتال

مبدل های آنالوگ به دیجیتال به صورت گسترده در کاربردهایی نظیر الکترونیک مصرفی، ابزار اندازه گیری و کنترل، سیستم های مخابراتی، رادار و پردازش تصویر مورد استفاده قرار می گیرند. همانند هر سیستم آنالوگ دیگر، مبدل آنالوگ به دیجیتال نیز یک بده بستان قوی بین مهمترین فاکتورهای مداری شامل سرعت، دقت، سطح و توان مصرفی از خود نشان می دهد. در چنین شرایطی جستجوی راهکارهای جدید به منظور تعدیل این بده بستان و ساده تر کردن روال طراحی آنالوگ، از چالش های مهم در روند طراحی مدار تلقی می شود. با پیشرفت تکنولوژی و کاهش ابعاد ترانزیستور در مدارهای مجتمع، تعداد ترانزیستورهای بیشتری در یک تراشه قابل پیاده سازی است. این مسئله علاوه بر افزایش چگالی المان های ساخته شده، کاهش هزینه ساخت و افزایش سرعت را بدنبال دارد. مدارهای دیجیتال تقریباً به طور کامل از این روند رو به رشد سود می برند و فاکتورهای اصلی مداری آنها در چند دهه اخیر به صورتی پیوسته ارتقاء پیدا کرده است. این وضعیت برای مدارهای آنالوگ متفاوت بوده و در روند کاهش ابعاد دچار مشکلات مهمی شده اند. به عنوان مثال در تکنولوژی های جدیدتر،کاهش مقدار ولتاژ منبع تغذیه و همچنین اثرات کانال کوتاه به عنوان مهمترین عوامل محدود کننده در روند طراحی مدارهای آنالوگ خود را نشان داده اند. این امر باعث شده است در امر طراحی حرکتی محسوس در جهت انتقال پیچیدگی مدار از بخش آنالوگ به بخش دیجیتال ایجاد گردد. در این راستا تکنیک های کالیبراسیون به صورتی گسترده در چند دهه اخیر مورد استفاده قرار گرفته اند. با تکیه بر تکنیک های کالیبراسیون طراح می تواند محدودیت های طراحی آنالوگ را تعدیل کرده و در عوض پیچیدگی متناظر را به بخش دیجیتال سوق دهد. در این پایان نامه از تکنیک جبران خطای هیستوگرام جهت کالیبراسیون مبدل استفاده شده است. به این منظور یک سیگنال تست با تابع چگالی احتمال مشخص به عنوان سیگنال کالیبراسیون به مبدل اعمال شده و سپس در خروجی بازسازی می شود. اختلاف بین توابع چگالی احتمال ورودی و بازسازی شده آن در خروجی به عنوان معیاری جهت استخراج پارامترهای خطا مورد استفاده قرار می گیرد. پس از تخمین پارامترهای خطا، عمل تصحیح خطا جهت جبران رفتار غیر ایده آل مبدل و ارتقاء رفتار خطی آن انجام می گیرد. تکنیک کالیبراسیون پیشنهادی در برخی از توپولوژی های مبدل های آنالوگ به دیجیتال شامل pipeline، parallel pipeline، flash و نیز سیگما-دلتا مورد بررسی قرار گرفته است. این تکنیک در ساختارهای pipeline به صورت background و در ساختارهای flash و سیگما-دلتا به صورت foreground پیاده سازی شده است. تاکید اصلی پایان نامه بر روی مبدل آنالوگ به دیجیتال flash می باشد زیرا تکنیک کالیبراسیون پیشنهادی دارای مناسب ترین پیاده سازی در ساختار flash در مقایسه با سایر ساختارهای بیان شده می باشد. نتایج پیاده سازی یک نمونه مبدل فلش 4 بیتی نشان می دهد عملکرد مبدل بواسطه به کارگیری تکنیک کالیبراسیون پیشنهادی بهبود یافته است. در این مبدل طراحی مدارهای آنالوگ در برخی از بلوک های اصلی نظیر مقایسه کننده با پیچیدگی کمتر و با بیشترین سرعت ممکن انجام گرفته است. به علاوه پیچیدگی بخش آنالوگ یا در قالب الگوریتم کالیبراسیون به بخش دیجیتال سوق داده شده است و یا المان های ساده پسیو نظیر سوئیچ های آنالوگ جایگزین آنها شده اند. در این شرایط ساختار مبدل سازگاری بیشتری جهت پیاده سازی در تکنولوژی های جدید cmos از خود نشان می دهد.