Potrzeba Szybkości: Wprowadzenie

Przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) typu Flash, znany również jako przetwornik równoległy, to rodzaj układu elektronicznego, który konwertuje sygnał analogowy na sygnał cyfrowy. Jego cechą charakterystyczną jest niewiarygodna prędkość działania. Należy on do rodziny metod przetwarzania bezpośredniego, co oznacza, że napięcie wejściowe jest natychmiastowo porównywane ze wszystkimi możliwymi poziomami odniesienia jednocześnie w celu uzyskania wyniku.

Takie równoległe podejście czyni przetwornik Flash najszybszą dostępną architekturą, idealną do zastosowań wymagających ekstremalnie wysokich częstotliwości próbkowania, takich jak oscyloskopy cyfrowe, systemy akwizycji danych o dużej prędkości czy radia definiowane programowo (SDR).

Architektura i Komponenty

Architektura przetwornika Flash jest koncepcyjnie prosta, ale jej złożoność skaluje się wykładniczo wraz z rozdzielczością. Dla przetwornika o rozdzielczości $N$ bitów, składa się on z trzech głównych części:

1. Drabinka Rezystorowa: Łańcuch $L_R = 2^N$ identycznych rezystorów (o rezystancji R) jest podłączony między napięciem odniesienia ($U_{REF}$) a masą. Działa on jak dzielnik napięcia, tworząc $2^N-1$ unikalnych i stabilnych napięć odniesienia do porównań.
2. Bank Komparatorów: Jest to serce przetwornika, ogromny bank $L_K = 2^N - 1$ komparatorów analogowych. Nieznane napięcie wejściowe $U_{we}$ jest podawane jednocześnie na jedno wejście każdego komparatora. Drugie wejście każdego komparatora jest podłączone do innego odczepu drabinki rezystorowej, otrzymując w ten sposób unikalne napięcie odniesienia.
3. Dekoder: Wyjścia wszystkich $2^N - 1$ komparatorów są podawane do priorytetowego enkodera. Ten układ logiczny konwertuje wyjścia komparatorów (które tworzą "kod termometrowy" – ciąg jedynek, po którym następuje ciąg zer) na standardową $N$-bitową liczbę binarną, reprezentującą wartość napięcia wejściowego.

Kluczowe Parametry Wydajnościowe

Wydajność przetwornika Flash jest charakteryzowana przez kilka kluczowych metryk:

• Rozdzielczość ($R$): Jest to najmniejsza zmiana napięcia wejściowego, którą przetwornik może teoretycznie rozróżnić. Jest ona określona przez napięcie odniesienia i liczbę bitów ($N$). Rozdzielczość jest równa krokowi napięcia między sąsiednimi odczepami na drabince rezystorowej, znanemu również jako LSB (Najmniej Znaczący Bit).
  $R = \Delta U = \frac{U_{REF}}{2^N}$
• Błąd kwantyzacji: Nieodłączny błąd każdego przetwornika A/C, reprezentujący różnicę między rzeczywistym analogowym napięciem wejściowym a wartością reprezentowaną przez cyfrowy kod wyjściowy. W idealnym przetworniku Flash błąd ten wynosi co najwyżej $\pm \frac{1}{2}$ LSB.
• Czas przetwarzania (konwersji): Jest to całkowity czas od podania sygnału wejściowego do uzyskania ważnego sygnału cyfrowego na wyjściu. W przetworniku Flash jest to po prostu suma czasu odpowiedzi jednego komparatora i opóźnienia propagacji logiki dekodera. Równoległa natura oznacza, że czas ten nie wzrasta z liczbą bitów, co czyni go ekstremalnie szybkim.

Charakterystyka Przejściowa i Przesunięcie o R/2

Zależność między analogowym napięciem wejściowym a cyfrowym kodem wyjściowym opisuje charakterystyka przejściowa przetwornika, która idealnie ma kształt schodkowy.

W prostej drabince rezystorowej ze wszystkimi równymi rezystorami (R), przejścia między poziomami cyfrowymi następują przy całkowitych wielokrotnościach kroku rozdzielczości. Jednak powszechną techniką w celu poprawy dokładności jest zastosowanie rezystorów o wartości R/2 na górze i na dole drabinki. Powoduje to przesunięcie całej charakterystyki schodkowej o połowę LSB. Celem jest wyśrodkowanie kroków kwantyzacji wokół punktów przejściowych, co minimalizuje średni błąd kwantyzacji.