Nederlands
Menu

SAR-, delta-sigma-, pipeline- en flash-ADC: architecturen vergeleken

Analoog-digitaalomzetters (ADC's) zijn op verschillende manieren te bouwen, en elke architectuur kiest een andere balans tussen snelheid en resolutie. Flash is het snelst, maar heeft weinig bits. SAR is de compacte, zuinige algemene keuze met gemiddelde snelheid. Pipeline levert hoge snelheid bij gemiddelde tot hoge resolutie. Delta-sigma levert de hoogste resolutie ten koste van snelheid en past bij audio en precisiesensoren.

KenmerkFlashSARPipelineDelta-sigma
Werking2ᴺ − 1 comparatoren vergelijken de ingang gelijktijdig met alle drempelsBinair zoeken. Eén comparator en een interne DAC bepalen één bit per klokcyclusEen keten van trappen waarvan elk enkele bits bepaalt en het versterkte residu doorgeeftOversampling met een grove modulator vormt de ruis, en een digitaal filter maakt de uitgang
Typische resolutie4 tot 8 bits8 tot 18 bits8 tot 16 bits16 tot 24 bits of meer
Typische snelheidHet snelst. Tot enkele GS/sVan kS/s tot enkele tientallen tot honderden MS/s10 MS/s tot honderden MS/sHet langzaamst. Tot ongeveer 1 MS/s
LatencyEén klokcyclusN klokcycli voor N bitsEnkele klokcycliLang, door het digitale filter
Vermogensverbruik en oppervlakNemen snel toe met de resolutie. Groot en veel vermogenZeer zuinig en kleinGemiddeld tot grootGemiddeld. Het digitale filter neemt oppervlak in
Anti-aliasingfilterSteil filter nodigSteil filter nodigSteil filter nodigEen flauw filter volstaat, dankzij oversampling
Belangrijkste toepassingenSnelle oscilloscopen, optische en draadloze ontvangers, sub-ADC's binnen pipeline-ADC'sADC's in microcontrollers, IoT-sensoren, algemene data-acquisitieVideo-, communicatie- en beeldvormingssystemenAudiocodecs, weegschalen, precisiemetingen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Flash
Wanneer extreme snelheid nodig is en weinig bits volstaan, of als snel onderdeel binnen andere architecturen.
SAR
De standaard voor gemiddelde snelheid en gemiddelde tot hoge resolutie, vooral wanneer vermogen en afmetingen belangrijk zijn.
Pipeline
Wanneer zowel hoge snelheid als goede resolutie nodig zijn. Video en draadloze ontvangers.
Delta-sigma
Wanneer resolutie belangrijker is dan snelheid. Audio, weegschalen, sensoren met lage frequentie.

Veelgestelde vragen

Welke ADC-architectuur is het snelst?

Flash. Die vergelijkt de ingang gelijktijdig met alle drempels en haalt enkele GS/s, maar de resolutie is slechts enkele bits.

Waarom is een delta-sigma-ADC zo nauwkeurig?

Een grove modulator doet oversampling, drukt de kwantisatieruis naar hoge frequenties en een digitaal filter verwijdert die. Zo wordt bij lage snelheid een resolutie van 16 tot 24 bits bereikt.

Wat is een SAR-ADC?

Een ADC met successieve approximatie: één comparator en een interne DAC zoeken binair en bepalen één bit per klokcyclus. Klein, zuinig en veel gebruikt in microcontrollers.

Waarom heeft een flash-ADC zoveel comparatoren nodig?

Een flash-ADC van N bits heeft 2ᴺ − 1 comparatoren nodig, bij 8 bits dus 255. Afmetingen en vermogen nemen snel toe met de resolutie.

Test uw begrip

Welke uitspraak over een flash-ADC is juist?

  1. AEen groot aantal comparatoren werkt parallel en converteert in één keer, waardoor de converter snel is, maar de schakeling sterk groeit bij hogere resolutie
  2. BEr wordt bit voor bit achtereenvolgens vergeleken, waardoor de converter langzaam maar klein is
  3. CDe ingangsspanning wordt lange tijd geïntegreerd, waardoor de converter nauwkeurig maar langzaam is
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Een groot aantal comparatoren werkt parallel en converteert in één keer, waardoor de converter snel is, maar de schakeling sterk groeit bij hogere resolutie

Een flash-ADC vergelijkt de ingang met 2ᴺ−1 comparatoren gelijktijdig met alle drempels, zodat de conversie in één vergelijking klaar is en dit de snelste architectuur is (orde van enkele GS/s). Daar staat tegenover dat bij N bits 2ᴺ−1 comparatoren nodig zijn: 255 bij 8 bits en 1023 bij 10 bits, waardoor oppervlak, vermogensverbruik en ingangscapaciteit sterk toenemen. Flash-ADC's worden daarom gebruikt voor ultrasnelle toepassingen van circa 6 tot 8 bits en als bouwblok van pipeline- en subranging-ADC's.

Welke uitspraak over de werking van een successive-approximation-ADC (SAR-ADC) is juist?

  1. ADe ingangsspanning wordt gedurende een vaste tijd geïntegreerd en de ontlaadtijd wordt gemeten
  2. BBeginnend bij de hoogste bit wordt de uitgang van een interne DAC met de ingangsspanning vergeleken en wordt telkens één bit bepaald
  3. CEen hoge resolutie wordt verkregen door oversampling en noise shaping
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Beginnend bij de hoogste bit wordt de uitgang van een interne DAC met de ingangsspanning vergeleken en wordt telkens één bit bepaald

Een SAR-ADC vergelijkt vanaf de meest significante bit telkens of de ingang groter is dan de uitgang van de interne DAC en bepaalt zo bit voor bit het resultaat, zoals bij binair zoeken. Voor een N-bits conversie zijn N vergelijkingen nodig en volstaat één comparator. De architectuur combineert snelheid (enkele kS/s tot tientallen MS/s), nauwkeurigheid (8 tot 18 bits) en laag vermogensverbruik en is de standaard voor in microcontrollers geïntegreerde ADC's. Integratie wordt gebruikt bij de dual-slope-ADC, oversampling bij de ΔΣ-ADC.

Welke uitspraak over een ΔΣ-AD-converter (delta-sigma) is juist?

  1. ADoor oversampling en noise shaping is een hoge resolutie eenvoudig te bereiken
  2. BVan alle architecturen heeft deze de snelste conversie
  3. CVoor een N-bits conversie zijn 2ᴺ−1 comparatoren nodig
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Door oversampling en noise shaping is een hoge resolutie eenvoudig te bereiken

Een ΔΣ-ADC samplet met een frequentie die veel hoger is dan de signaalbandbreedte (oversampling), drukt het kwantisatieruis via een terugkoppellus naar hogere frequenties (noise shaping) en verwijdert dit met een digitaal filter. Zelfs met een grove 1-bits kwantisator wordt bij lage frequenties een resolutie van 20 bits of meer bereikt, met weinig afhankelijkheid van de nauwkeurigheid van analoge componenten. De architectuur wordt toegepast in audio, metingen en sensoruitlezing, maar is door de grote latency minder geschikt voor hoge snelheden.

  1. Hoeveel comparatoren zijn nodig voor een 3-bits flash-AD-converter?
  2. Hoeveel vergelijkingen voert een N-bits successive-approximation-AD-converter in principe uit per conversie?
  3. Welke digitale schakeling in een ΔΣ-AD-converter zet de snelle, grove kwantisatie-uitgang om in hoge-resolutiedata met een lage samplefrequentie?

Oefenvragen over A/D- en D/A-conversie

Belangrijke termen uitgelegd

SAR-ADC (successive approximation)
ADC die met een interne DAC en een comparator de bits één voor één vastlegt, te beginnen bij het meest significante bit. Goede balans tussen snelheid, nauwkeurigheid en vermogensverbruik.
ΔΣ-ADC (delta-sigma-ADC)
ADC die met een hoge frequentie oversampelt, de kwantisatieruis naar hoge frequenties verschuift en die daarna verwijdert. Wordt gebruikt voor toepassingen met hoge resolutie, zoals audio en metingen.
Flash-ADC
Snelste AD-omzetter, die met een groot aantal comparatoren de ingang in één keer vergelijkt. Voor N bits zijn 2ᴺ − 1 comparatoren nodig, waardoor de schakeling bij hogere resolutie snel groot wordt.
Pipeline-ADC
AD-converter die de conversie in meerdere trappen verdeelt, waarbij elke trap enkele bits bepaalt en de resterende fout naar de volgende trap doorgeeft, zoals bij lopendebandwerk. Combineert hoge snelheid met middelhoge tot hoge resolutie.

Verwante vergelijkingen