Przetworniki A/C typu Flash

Przetwornik Flash: podstawy

Przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) typu Flash, znany również jako przetwornik równoległy, konwertuje sygnał analogowy na sygnał cyfrowy. Jego cechą charakterystyczną jest krótki czas konwersji. Należy do rodziny metod przetwarzania bezpośredniego, w których napięcie wejściowe jest porównywane równocześnie z wieloma poziomami odniesienia.

Równoległa praca komparatorów zapewnia dużą szybkość i małe opóźnienie. Z tego powodu przetworniki Flash stosuje się między innymi w oscyloskopach cyfrowych, szybkich systemach akwizycji danych i radiach definiowanych programowo (SDR), gdy wymagane jest wysokie tempo próbkowania.

Architektura i komponenty

Architektura przetwornika Flash jest koncepcyjnie prosta, lecz liczba komparatorów i odczepów drabinki rośnie wykładniczo wraz z rozdzielczością. Dla przetwornika o rozdzielczości $N$ bitów składa się ona z trzech głównych części:

1. Drabinka rezystorowa: W uproszczonym układzie łańcuch $L_R = 2^N$ identycznych rezystorów o rezystancji R jest podłączony między napięciem odniesienia ($U_{REF}$) a masą. Działa jak dzielnik napięcia i wyznacza $2^N-1$ progów odniesienia do porównań.
2. Bank komparatorów: Bank $L_K = 2^N - 1$ komparatorów analogowych. Nieznane napięcie wejściowe $U_{we}$ jest podawane równocześnie na jedno wejście każdego komparatora. Drugie wejście każdego komparatora jest podłączone do innego odczepu drabinki, który wyznacza osobny próg odniesienia.
3. Dekoder: Wyjścia wszystkich $2^N - 1$ komparatorów są podawane do enkodera priorytetowego. Ten układ logiczny konwertuje wyjścia komparatorów, tworzące "kod termometrowy" z ciągiem jedynek i następującym po nim ciągiem zer, na $N$-bitową liczbę binarną reprezentującą skwantowaną wartość napięcia wejściowego.

Parametry pracy

Pracę przetwornika Flash opisuje kilka podstawowych parametrów:

• Rozdzielczość ($\Delta U$): Jest to najmniejsza zmiana napięcia wejściowego, którą idealny przetwornik może rozróżnić. Dla zakresu wejściowego od 0 do $U_{REF}$ określają ją napięcie odniesienia i liczba bitów ($N$). W tym modelu rozdzielczość jest krokiem napięcia między sąsiednimi progami drabinki, czyli jednym LSB (least significant bit).
  $\Delta U = \frac{U_{REF}}{2^N}$
• Błąd kwantyzacji: Jest to różnica między rzeczywistym analogowym napięciem wejściowym a wartością przypisaną do kodu wyjściowego. Przy idealnym kwantyzatorze z zaokrągleniem błąd wynosi co najwyżej $\pm \frac{1}{2}$ LSB.
• Czas przetwarzania (konwersji): Jest to czas od podania sygnału wejściowego do uzyskania ważnego sygnału cyfrowego na wyjściu. W uproszczonym modelu obejmuje opóźnienie najwolniejszego komparatora oraz opóźnienie enkodera i pozostałej logiki wyjściowej. Komparatory pracują równolegle, więc opóźnienie nie rośnie liniowo z liczbą bitów, choć większa rozdzielczość zwiększa liczbę elementów i obciążenia układu.

Charakterystyka przejściowa i przesunięcie o R/2

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

W prostej drabince z równymi rezystorami R przejścia między kodami następują przy całkowitych wielokrotnościach kroku rozdzielczości. Zastosowanie rezystorów R/2 na końcach drabinki przesuwa progi o połowę LSB. Takie ustawienie umieszcza środki przedziałów kwantyzacji wokół poziomów reprezentowanych przez kody i w idealnym modelu zmniejsza średni błąd kwantyzacji.