Re: [問題] 關於ADC中的比較器

看板Electronics作者bbyan (BBYAN)時間15年前 (2008/11/18 06:22)推噓25(25推 0噓 23→)

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※ 引述《wwwok (勇敢的堅持下去)》之銘言： : 想請問一下各位大大 : 在ADC中的比較器大部分適用什麼做的呢 : 我現在設計了一個flash ADC : 用了不少比較器雖然說op可以拿來當做比較器 : 但是面積好像大了點而且op有很多種 : 不知道應該使用那一種的op來做呢 : 目前是用two stage的op來當比較器 : 但是好像無法作用的感覺 : 多謝版上各位大大了應強者我同學的要求來發文的我是弱者 -.- 首先是第一個問題 OPAmp為什麼不適合拿來當comparator? 或者可以這樣問 OPAmp跟comparator有什麼不同? 我所讀過的兩本Analog IC design教科書 Martin、Allen在開始介紹comparator的時候也是把OPAmp拿來當作comparator使用 Power、Area也是考量之一，但是OPAmp不適合拿來當作comparator 最主要的原因我想是OPAmp太~ 慢~ 了~ 如同推文j大所說的OPAmp主要是操作在閉迴路(負迴授)的情況之下而comparator則是操作在開迴路的情況之下將兩個有差距的輸入電壓"比較"出來，輸出電壓是"High" or "Low" OPAmp在負迴授的情況之下，輸出電壓依然是類比值 (功能可能是加減，放大，積分) 要"追"類比值還是比"追"數位值來的輕鬆，一般對於追的速度有定義一個參數叫做slew rate，你可以想像一下如果你的輸出電壓這個週期是high下個週期是 low在下個週期又是high，你的OPAmp可能要設計的很辛苦，以two-stage OPAmp 來說就是補償電容電阻不能太大而第二級偏壓電流要大，電流一大的情況之下 power是小不了的另外在正常的情況之下使用OPAmp都是為了達到一些線性的功能如線性放大線性積分…等，因此OPAmp裡面的Transister都是操作在飽和區所以剛剛指的電流大還是指偏壓電流大，無時無刻在消耗的電流 OPAmp要考慮到的參數大多有Gain、Bandwidth、PM、linearity PSRR、CMRR、ICMR、slew rate…等，蠻多參數其實都是由負迴授電路的spec 所決定的，比方說SC Amp的速度要多快？誤差要多小？就可以決定OPAmp的Gain Bandwidth、Slew rate，運用在Preamplifier(ex. 儀表放大器)的情況之下大部分是看用在哪個系統通訊? 生醫? 可以去推OPAmp的PSRR CMRR等參數 OPAmp當comparator用大概就像是開坦克車去跑F1賽道一樣，不是說坦克車比賽車差，只不過現在是跑賽車跑道… 戰車的規格做的在怎麼高，速度在怎麼快，要跟跑車比快還是辛苦，因為它們的用途不同，架構也就不一樣，設計的過程要考量的東西也不盡相同，但要作一台跑的比F1賽車快的坦克有沒有可能? 有~ 對岸什麼東西都做出來了這個世界上還有什麼不可能… 只不過不太值得就是了，雖然說OPAmp跟comparator的符號長的一樣不過他們其實還是很不同的~ ============== 介紹完了OPAmp 接下來換介紹我自己 XD ============= 回到正題，有這麼多評估OPAmp好壞的參數那有沒有comparator的呢? 有的一般來說就是speed(settling time)、input offset、resolution為主要考量當然還有G大所說的kickback noise、clock feedthrough、channel charge injection 等問題要考量，其中speed跟resolution比較像是規格，其他的比較像是製程變異或者開關切換本身會帶來的問題。目前comparator的主流應該是latch-based comparator居多基本的架構就是Preamplifier + Latch (+ buffer)，buffer要不要加得視情況而定 Preamplifier其實有點像架構簡單的OPAmp，不過不同的地方在於它不需要像OPAmp的Gain要高達數百數千甚至數萬，這個preamplifier的規格一般而言個位數到十幾就差不多了，因為它的功能只是要把兩個輸入電壓的壓差放大(開迴路操作)讓後面的latch能夠快速的比較出來(positive feedback) 當然這個preamplifier也要夠快，不然會拖垮comparator的速度加裝preamplifier的好處蠻多的，latch的offset會因為preamplifier 的關係讓它的影響變小，而開關切換造成的一些雜訊也可以由preamplifier擋下來，不會讓他影響到前面的電路(ex. Sample & Hold) preamplifier可以將較小的壓差放大然後比較出來也就等效的把comparator的resolution提升了，另外preamplifier自己本身的offset 可以由一些SC電路技術抵銷，不過這樣一來就要考量穩定度的問題了(負迴授) 當然加裝preamplifier的代價就是增加power消耗，尤其是flash ADC使用的比較器是以2^N來計算，數量非常可觀 ================= 閒聊 ================= 本身有參予設計過的ADC是successive approximation ADC跟 pipeline ADC Flash ADC不是很熟只有一些簡略的概念以Flash ADC來說comparator本身的設計可能還好，加上他一個週期就可以作一次A/D轉換，所以clocked comparator就等同於S/H電路了，comparator的速度則是主要要求，因此CML(current mode logic)為基礎的latch應用在comparator 還算一個不錯的方法。 comparator的resolution變的沒有那麼重要，首先是因為Flash ADC本身不太可能做到太高解析度(約4~6 bits)再者就是編碼器裡面的校正技術 (現在還蠻熱門的研究方向)可以把comparator造成的誤差校正回來 comparator可能會有preamplifier的設計但是正常不會有SC的消除offset技術在裡頭，因為速度太快了~ CIC得獎晶片有一個是Flash ADC操作頻率是5GHz 另一個重點就是參考電壓的準確度，Flash ADC的參考電壓是由電阻分壓取得的而矽製程的電阻，製程漂移蠻大的，參考電壓飄掉就像是量身高的尺不準一樣轉換出來的數位值後面再校正都沒有用，電路設計有電阻平均校正技術，layout 方面也有相關的論文提出一些技術，如環狀電阻佈局技術就是去避免電阻彼此之間的Mismatch，大家一起飄OK但要飄的一樣多，但是你飄5歐姆我飄10歐姆就仆街了。對於Flash ADC我懂的大概就這麼多吧 ==================== 後話 ====================== 對於ADC的研究，目前我也是剛開始而已，給你一些建議，可以先去找幾本不錯的教科書，專門講解Mixed-signal IC的那種會比較好，或者去修MSIC的課，了解有哪些參數可以評估ADC or DAC的優劣，更進一步的是由這些參數去把子電路(comparator or OPAmp)的規格開出來，這是"從系統到電路"的觀點當然也要去看一些Analog IC的書把這些子電路練好，能修課作一些作業是最快的方式畢竟要累積經驗最快的方式還是實戰，如果能夠了解到電路非理想效應會影響到整個ADC，那麼"從電路到系統"也有了，這概念很重要，因為很多的校正的原點都在這裡對電路要有一些感覺，以OPAmp來說two-stage就是慢，補償是個原因，一般來說Cc>CL，slew rate的設計就受到蠻大的限制，最主要的是它的主極點不在負載端，如果你的電容負載變大第二極點會被拉回來，進而影響到電路的穩定度主極點做不到太高頻，因為補償本來就是把主極點往低頻拉藉此拉開兩個極點同時可能也不能掛太大的電容負載，優點就是高輸出擺幅，高增益。單級的OPAmp(Telescopic、fold cascade、gain boosting)來說就是高速但是擺幅受到限制(上下各疊兩層)，Gain也不好做大，Gain boosting雖然可以把 Gain提升(相當於疊三層)但是相對來說輸出擺幅更小，偏壓電路也不太好設計跟two-stage的偏壓電路比起來複雜多了大概說起來就是要了解為了解決什麼問題，然後要用什麼架構？這個架構會帶來哪些負面影響？該怎麼取捨？這樣大概就算入門了吧有一句話是這麼說的，如果CPU對數位電路來說像心臟那樣重要那麼OPAmp就是類比電路的心臟!! comparator也蠻重要的… 當腎臟好了 XD 還有switch、current mirror、analog buffer、Bias circuit…等都是需要下工夫的電路 (韓國人預言OPAmp以後會消失... 蠻有可能的) 還有一點蠻重要的就是去想辦法借到前輩的"碩士論文" 用中文寫的碩論第一個好處就是：它是用中文寫的 XD 還有就是他對電路的描寫可能比較親切近人，畢竟從課本或是paper參考的電路 size要怎麼給? 偏壓要怎麼設計? 電容值電阻值? 這些都是需要經驗的這也是類比工程師的價值所在，找個學長或者前輩巴著他，然後用力的吸(功) 能吸多少算多少，最根本的方式就是把電子學整個弄懂管他comparator還是 OPAmp還是其他電路反正都是由MOS兜起來的，只是用途不同罷了，由電路架構就可以猜出它為了避免什麼問題？想要提升什麼優勢？電流怎麼流動？電壓卡到哪裡？迴授的用途？到這種程度你就已經練成寫輪眼了，基本電路已經不是太大問題，看paper或者原文書你都可以了解設計者的理念了，等到你能夠跟你老闆打嘴砲然後把他唬的一愣一愣的，恭喜你連萬花筒都練成了… 直接放幻術 XD 對於電子學我還蠻推薦林昀的，雖然只是基本的電子學但是他把電路演進的理念講的很詳細，萬變不離其宗，分析他人的電路有了一定的經驗之後，接下來就有可能創新，雖然我本人還沒做到，但是我看到的強者大多是這樣養起來的最後是matlab要會用，因為ADC不管是模擬還是量測都需要用到這套軟體以上我懂的大概就這些歡迎各位朋友指教有機會在交流 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 140.123.110.207 ※ 編輯: bbyan 來自: 140.123.110.207 (11/18 06:25)

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windboy0620

11/18 08:00, , 1^F

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kokonut

11/18 09:06, , 2^F

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kokonut

11/18 09:07, , 3^F

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