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LIRMM
Convertisseurs
Analogique/Numérique
&
Convertisseurs
Numérique/Analogique
Convertisseurs
Analogique/Numérique
&
Convertisseurs
Numérique/Analogique
Serge Bernard
Remerciements: P. Cauvet Ophtimalia– J.M. Dutertre ENSICAEN
LIRMM 2
Introduction : ApplicationsIntroduction : Applications
LIRMM 3
Plan du coursPlan du cours
IntroductionCAN
Echantillonnage QuantificationCodageArchitectures
CNAArchitectures
Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
Caractéristiques des convertisseursTest des convertisseurs
LIRMM 4
IntroductionIntroduction
Output code
000
000
010
001
000
001
100
111
100
time
cod
e
Analog signal
Time
Am
plit
ud
e ADC
Analog signal
Temps
DAC
Input codes
000
000
010
001
000
001
100
111
100
time
cod
e
Am
plit
ud
e
A/D & D/A Converters
LIRMM 5
CAN : IntroductionCAN : Introduction
Convertisseur A/N
Signal analogique Codes de sortie
Temps
Am
plit
ud
e
00
00
00
01
00
01
00
00
01
10
011
11
00
Temps
cod
e
CAN
Échantillonnage
1/Féch
1/Féch
000001010011100101110111
& CodageQuantification
V1V2V3V4V5V6V7V8
LIRMM 6
CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage
Temps
Amplitude
Tp=1/fp
t t t tt
tt
Fréquence
Amplitude
0 fp
2.fp3.fp 4.fp 5.fp 6.fpb)
Domaine Temporel Domaine Fréquentiel
LIRMM 7
Sampling & QuantizationSampling & Quantization
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0
• N samples in the time domain
N = 16
CAN : IntroductionCAN : Introduction
LIRMM 8
Discrete Fourier TransformDiscrete Fourier Transform transform time-discreet waveform to
frequency domain breakup time-domain waveform into sine-
waves of different frequencies and amplitudes which sum up to the original waveform
for any N:
1
0
2N
n
NjknenxkX
CAN : IntroductionCAN : Introduction
LIRMM 9
Discrete Fourier TransformDiscrete Fourier Transform N samples:
N/2 + 1 unique frequency bins Fres = Fs/N spaced apart
DC Fs/2
N = 8
f0 1 2 3 4 5 6 7 0
Fres
CAN : IntroductionCAN : Introduction
LIRMM 10
TF
TF-1 Fréquence
S(f)
Temps
s(t)
TF
TF-1
Téch=1/féch
Temps
pD(t)
1
1
féch 2.féch-féch-2.féch0 Fréquence
PD(f)
multiplication convolution
TF
TF-1TempsTéch=1/féch
séch(k.Téch)
Fréquenceféch 2.féch-féch-2.féch0
Séch(f)
CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage
Temporel
Discrétisation temporelle Périodisation fréquentielle
Fréquentiel
LIRMM 11
Fréquence
Séch(f)
0 féch 2.féch-féch-2.féch ½.féch-½.féch
S(f)
Fréquence0 féch-féch ½.féch-½.féch
fmax Périodisation
a)
CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage
Recouvrement
Fréquenceféch 2.féch-féch-2.féch0
Séch(f)
½.féch-½.féch
Périodisation
b)Sfiltré(f)
Fréquence0 féch-féch ½.féch-½.féch
Filtre antirepliement
Bande limitée Filtre antirepliement
LIRMM 12
TF
TF-1
TF
TF-1
Troncaturesur une période
Restitutiondu signal continu
Temps
Téch=1/féch
séch(k.Téch)
Temps
s(t)
Fréquence
féch-féch0
Séch(f)
½.féch-½.féch
S(f)
Fréquence
½.féch-½.féch
Fréquence
CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage
TF
TF-1
Discrétisationfréquentielle
Périodisationtemporelle
Temps
sP(t)
T0=1/f
SP(f)
f½.féch-½.féch
Echantillonnage fréquentiel Périodisation temporelle
LIRMM 13
t
sP(k.Téch)
TP=1/fP
f
féch-féch0
SP(f)
½.féch-½.féchfP-fP
T0=1/f
t
sT0(k.Téch)
féch-féch0 ½.féch-½.féch ffP-fP
SP(f)*PTobs(f)
t
pTobs(t)1
Tobs=N.Téch
0 ½.féch-½.féch ffP-fP
{SP(f)*PTobs(f)}. Df(f)
TF
TF-1
TF
TF-1
TF
TF-1
TF
TF-1
multiplication convolution
PTobs(f)
0
f
féch/N
mu
ltiplica
tion
Discrétisationfréquentielle
0 ½.féch-½.féch f
f=féch/N
f
Df(f)1
t
sP(k.Téch).pTobs(t)
Tobs=M.TP
LIRMM 14
TF
TF-1
TF
TF-1
TF
TF-1
t
sP(k.Téch)
TP=1/fP
T’0=1/’f
t
sT’0(k.Téch)
TF
TF-1
multiplication convolution
mu
ltiplica
tion
PT’obs(f)
0
f
féch/N’
f
féch-féch0
SP(f)
½.féch-½.féchfP-fP
Discrétisationfréquentielle
0 ½.féch-½.féch ’f
’f=féch/N’
f
D’f(f)1
t
sP(k.Téch).pT’obs(t)
T’obsM.TP
t
pT’obs(t)1
T’obs=N’.Téch
0 féch-féch ½.féch-½.féch ffP-fP
SP(f)*PT’obs(f)
0 ½.féch-½.féch ffP-fP
{SP(f)*PT’obs(f)}. D’f(f)
LIRMM 15
t
sP(k.Téch)
TP=1/fP
T’0=1/’f
t
sT’0(k.Téch)
multiplication
t
pT’obs(t)1
T’obs=N’.Téch
t
sP(k.Téch)
TP=1/fP
T’0=1/’f
t
sT’0(k.Téch)
multiplication
t
pT’obs(t)1
T’obs=N’.Téch
CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage
Window
LIRMM 16
CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage
windowed
not-windowedM = 211.1N = 1000
LIRMM 17
CAN : IntroductionCAN : Introduction
Signal période Tin
EchantillonnageM périodes Ns nombre d’échantillonsPériode Ts
Echantillonnage Cohérent (en single-tone)
a) b)Temps
Am
plit
ud
e
Téch
Te
Tacquisition
Temps
Am
plit
ud
e
T’éch
Te
Tacquisition
Ns.Ts=M.Tin
&
Ns et M nbres premiers
LIRMM 18
CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage
Echantillonnage temporel
Fréquence échantillonnage> 2*la bande de
fréquence du signal
Echantillonnage Fréquentiel
Fenêtres temporelles (hamming, hanning, …)=>
Signal périodique
Si single-tone (une fréquence)
Echantillonnage cohérent = Ns et M premiers entre
eux
Recouvrement
LIRMM 19
CAN : IntroductionCAN : Introduction
Convertisseur A/N
Signal analogique Codes de sortie
Temps
Am
plit
ud
e
00
00
00
01
00
01
00
00
01
10
011
11
00
Temps
cod
e
CAN
Échantillonnage
1/Féch
1/Féch
000001010011100101110111
& CodageQuantification
V1V2V3V4V5V6V7V8
LIRMM 20
CAN : QuantificationCAN : Quantification
Droite Idéale
Entrée Analogique
111
110
101
100
011
010
001
000
So
rtie
Nu
mér
iqu
e
PE
Quantification& Codage
Fonction de transfert des CAN
LSB =PE
2n
8 bits
24 bits
50 bits
LSB = 5/28 19 mV
LSB = 5/224 230 nV
LSB = 5/250 4 fV
VT7VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 V7V1 V2 V3 V4 V5 V6 V8
LIRMM 21
CAN : QuantificationCAN : Quantification
Fonction de transfert des CAN
Entrée analogiqueS
ort
ie n
um
éri
qu
e000
001
010011
100101
110
111
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT7 PE/2
Quantum q-PE/2
a) b)
Entrée analogique
So
rtie
nu
mé
riq
ue
000
001
010
011
100
101
110
111
Quantum q
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT7 PE0
Palier (code 010)
Transition de code
LIRMM 22
CAN : QuantificationCAN : Quantification
Tem
ps
Sig
na
l an
alo
giq
ue
d’e
ntré
e E
(t)
Te
Te /2
0
PE
-q
2
PE
-q
2
Temps
Equivalent analogique de la sortie Sa(t)
Te
0
4.q
q
7.q
Signal analogique d’entrée E(t)
Erreur de quantification Eq(t)
q/2
-q/20
Temps
Te
Valeur analogiqued’entrée
Code numériquede sortie
PE/2q/2
-PE/2 -q/2
000
111
q=LSB
LIRMM 23
CAN : QuantificationCAN : Quantification
Signal d’entrée
Bruit de quantification
-q/2 q/2
Fq(x)
Convertisseur de n bits
2
q2
22
PEA
1n
RMS
12
qdxx
q
1dx.)x(FxB
21
2q
2q
22
1
q2
q
n
1n
RMSdB 2.
2
3log20
12q
2q2
log20Bq
Alog20SNR 76,1n.02,6SNR dB
LIRMM 24
, SNR of ideal ADC
So, the effective number of bits of an actual ADC is given by:
Dynamic parameters: Effective Number Of BitsDynamic parameters: Effective Number Of Bits
SNR dB ni[ ] . * . 6 02 176
02.6
76.1
dBSINADENOB
CAN : QuantificationCAN : Quantification
LIRMM 25
CAN : CodageCAN : Codage
Convertisseur A/N
Signal analogique Codes de sortie
Temps
Am
plit
ud
e
00
00
00
01
00
01
00
00
01
10
011
11
00
Temps
cod
e
CAN
Échantillonnage
1/Féch
1/Féch
000001010011100101110111
& CodageQuantification
V1V2V3V4V5V6V7V8
LIRMM 26
Plan du coursPlan du cours
Introduction CAN
Echantillonnage Quantification Codage Architectures
• Flash• Rampe• Approximation successives• Pipeline• ∑-∆• Folding-interpolated
CNA Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires Caractéristiques des convertisseurs Test des convertisseurs
LIRMM 27
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Entrée AnalogiqueVref
3R/2
R
R
R
R
R
R/2
R
+-
+-
+-
+-
+-
+-
+-
Horloge
Sortie numérique sur 3 bits
Convertisseur Flash
Codeurn bits 2n Comparateurs
1
1
1
0
0
0
0
011
LIRMM 28
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Ve
logique de commandeHorloge
Compteur
Sortie numérique
c
R
-PE
Vs
t1
Vs
Ve=PE/8
PE = Pleine Echelle
t1 = temps fixe t2= temps de mesure
Convertisseur double rampe
Ve= PE
t2 = t1
Ve =PE x t2
t1
t2
Nombre de Cycles = 2n
LIRMM 29
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Convertisseur Pipeline 1/2
LIRMM 30
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Convertisseur Pipeline 2/2
LIRMM 31
Architectures : Multi-step (example = 2-step)
-
Vin
Coarse
ADCDAC
Fine
ADC
MSB Group n/2 bits
LSB Group n/2 bits*Ref: “Principles of data
conversion”B. Razavi
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
LIRMM 32
Folding Interpolation (F&I) Principle 1/6
Full Flash
Folding
Input Voltage
Com
para
tors
In
put
4 bitFlash ADC
4 bitFlash ADC
FoldingCircuit
Coarse Quantization
Fine Quantization
Vin MSB’sOut
LSB’sOut
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
LIRMM 33
F&I : Cellule de base 2/6
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
LIRMM 34
F&I : flash classique 3/6
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
LIRMM 35
Architectures : Folding principle 4/6
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
LIRMM 36
F&I : Interpolation Principle 5/6
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
LIRMM 37
F&I: Exemple d’architecture finale 6/6
Reference
AnalogPreprocessing
Input AmplRef &Folding
MSB-1MSB
Inte
rpola
tion
Comp. &ErrorCorrection
BinaryEncoder
MSB-2BitSync
8
64 32
Vin
*Ref: “Integrated ADC’s and DAC’s”
R. Van de Plassche
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
LIRMM 38
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Entrée analogique
Registre à approximations
successives
Convertisseur N/A
Sortie
numérique
Tension d'entrée
V
PE/2
PE/4
3PE/4
Horloge
Convertisseur à approximations successives
Temps
100000
110000
101000
101100
101010
101011
Nombre de Cycles = Nombre de bits
LIRMM 39
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Convertisseur ∑-∆ 1/2
1ère Etape => Suréchantillonnage
Neffectif = N+ K/4
LIRMM 40
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Entrée
IntégrateurComparateur
CNA
Modulateur
1 bit
Fe
analogique
Convertisseur ∑-∆ 2/2
Dsp
Bande utile
Dsp
Bande utile
- Fe Fe
Dsp
Bande utile
n bits à Fe/nFiltre décimateur
Dsp
Bande utile
LIRMM 41
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Architecture Points forts Points faibles
Intégration+ résolution+ Faible consommation+ Excellente réjection analogique du bruit
- vitesse de conversion (2n.cycles)
SAR + résolution élévée+ Faible consommation
- Vitesse de conversion (n. cycles)
-S D+ résolution la plus élevée+ NLD excellente+ Faible consommation+ Rejection du bruit (numérique)
- Vitesse d’échantillonnage limitée
Pipeline+rapidité+ Correction numérique des erreurs+ Très bon rapport vitesse résolution
Folding Interpolation
+ rapide+ Faible capacité d’entrée / flash
- résolution limité- Mise en œuvre complexe- consommation élevée
Flash + les plus rapides- Résolution limitée- Capacité d’entrée élevée- forte consommation
LIRMM 42
Architectures vs application areas
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
Audio Video Imaging Telecom Instrument
Flash Multistep Folding SAR Sigma-delta
LIRMM 43
IntroductionIntroduction
Output code
000
000
010
001
000
001
100
111
100
time
cod
e
Analog signal
Time
Am
plit
ud
e ADC
Analog signal
Temps
DAC
Input codes
000
000
010
001
000
001
100
111
100
time
cod
e
Am
plit
ud
e
LIRMM 44
FoldingInterpolation
CAN : ArchitecturesCAN : Architectures
24
20
16
12
8
4
10 100 10 10 100 1G 10G1k 1M 1M100
Approximat° successives
-S D
Ram
pe
Flash
PipelineSubranging
Facteur de Mérite = résolution x fréquence
Prix CAN est proportionnel au Facteur de mérite
Architecture Application
LIRMM 45
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 46
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 47
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 48
Plan du coursPlan du cours
IntroductionCANCNA
IntroductionArchitectures
• Parallele• Série • ∑- ∆• CNA à sources unitaires
Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
Caractéristiques des convertisseurs
LIRMM 49
What is a Digital-to-Analog Converter?What is a Digital-to-Analog Converter? synonyms DAC, D/A
n-bitDAC
analogLPF
VC
C0 C1 Ci C2 n-1
CV0
V1
Vi
V2 n-1
V
CNA: IntroductionCNA: Introduction
LIRMM 50
Parallel architectures (1/3)Parallel architectures (1/3)
uniform ladders • stacked/binary weighted ladders+Vref
-Vref
Vout
“2n-1”
“2n-2”
“0”
“1”
IdumpIout
I
2I
msb
I
(msb
-1)I
“msb” “msb-1” “2” “1”
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
LIRMM 51
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
CNA // : à résistances pondérées (2/3)
2R
4R
2n R
Vréf I1
I2
In
c1
R2
VréfCI
iii
Is
Masse virtuelle
LIRMM 52
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
CNA // : Réseau R/2R (3/3)
2R
2R
R
2R
R
2R
R
2R
E
AB C D
VS
b1 b2 b3 b4
4i
1i
1iinS 2.b
2
EV
LIRMM 53
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
CNA Série
Vref
S1
S2
S3
C1 C2
Vout
Vout
Vref/2
Vref/4
5Vref/8
Temps
Code 101
LSB
Nombre de Cycles = 2n
LIRMM 54
Bitstream architectures (1/5) Bitstream architectures (1/5)
Bitstream DACright channel
left channel
oversamplingfilter(s)
noise-shaper(k-th order)
q-bit bitstreamDAC
analogLPF
(n,fs) (n,mfs) (q,mfs)
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
LIRMM 55
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
CNA ∑-∆ (2/5)
Suréchantillonnage x 256 Interpolation et filtre passe bas
Modulateur ∑-∆CNA1 bit
Filtre analogiquePasse bas (lissage)
44,1kHz16 bits
11,2 MHz16 bits
11,2 MHz1 bits
Sortie Analogique
féch 2.féch0
Séch(f)
fin
Fréquence0
Séch(f)
fin 8 féch
Fréquence0
Séch(f)
fin 8 féch Fréquence0
Séch(f)
fin 8 féch
LIRMM 56
quantificateurintégrateur
- + Z-1X[z] Y[z]
+
Q[z]
D/DY[z] = Z-1.X[z] + Q[z] – Z-1.Q[z]
y(n) = x(n-1) + q(n) – q(n-1)
Y[z] = Z-1.X[z] + (1 – Z-1).Q[z]
FTS(z)= Z-1 FTB(z)=(1 - Z-1) Fe/2
Z-1
(1-Z-1)
1
2
f
Amplitude
1 bit
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
Modélisation ∑-∆ (3/5)
N bits
LIRMM 57
Y[z] = Z-1.X[z] + Q[z] – 2Z-1.Q[z] + Z-2.Q[z] = Z-1.X[z] + (1 – Z-1)2.Q[z]
y(n) = x(n-1) + q(n) – 2q(n-1) + q(n-2)
Q[z]
- +
Z-1
intégrateur
- + Z-1Y[z]
+X[z]
D/D1 bit//
//
N bits
N bitsN bitsintégrateur
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
Modélisation ∑-∆ d’ordre 2 (4/5)
LIRMM 58
Y[z] = Z-1.X[z] + (1 – Z-1)2.Q[z]
FTS(z)= Z-1 FTB(z)=(1 - Z-1)
Z-1
(1-Z-1)2
1
2
f
Amplitude
Fe/2
Modulateur d ’ordre 2 Modulateur d ’ordre n
Y[z] = Z-1.X[z] + (1 – Z-1)n.Q[z]
FTB(z)=(1 - Z-1)nFTS(z)= Z-1
CNA : ArchitecturesCNA : Architectures
Modélisation ∑-∆ d’ordre n (5/5)
LIRMM 59
Plan du coursPlan du cours
IntroductionCANCNA
IntroductionArchitectures
• Parallele• Série • ∑- ∆• CNA à sources unitaires
Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
Caractéristiques des convertisseurs
LIRMM 60
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
Convertisseur
CNA
256 sources de courant
élémentaires
Source de référence
Miroir 1
Miroir 2
Courant de Sortie
DacON
Com
man
de
logi
que
RL
Vdd
DC
Vdd
3,3V
VddVdd
Rpol
A
C
B
Idac
CNA
CNA à sources unitaires
LIRMM 61
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
Décodeur thermomètre colonne
Dé c
o deu
r t h
e rm
omèt
re li
gne
44
8
Vref_0
Vref_1
Fonctionlogique
IDAC
M1
M2
M3 M4
M5
on on on on on on on on on on on on on on on on
on on on on on on on on on on on on on on on onon on on on on on on on on on on on on on on onon on on on on on on on on on on on on on on onon on on on on on on on on on on on on on on on
on on on on on on on on on on on on on on on on
on on on on on off off off off off off off off off off offoff off off off off off off off off off off off off off off offoff off off off off off off off off off off off off off off off
off off off off off off off off off off off off off off off offoff off off off off off off off off off off off off off off off
off off off off off off off off off off off off off off off off
off off off off off off off off off off off off off off off off
off off off off off off off off off off off off off off off offoff off off off off off off off off off off off off off off off
off off off off off off off off off off off off off off off off
(D7 à D0)
(D3 à D0)
(D7 à
D4)
Cj
Li-1
Li
Source de courant unitaire
S
Vref_0
Vref_1
VDD
Tn1
Tn0
Tp3
Tp2
Tp1
Tp0
Rpol
Ipol
ID1
Gnd
Vref_0
Vref_1
VDD
Tn1
Tn0
Tp3
Tp2
Tp1
Tp0
Rpol
Ipol
ID1
Gnd
Source de référence
LIRMM 62
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
LIRMM 63
Référence de courantRéférence de courant
Rpol
MP0
MP1
Rs
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
LIRMM 64
Référence de courantRéférence de courant
ipolRpol
VIpol ref
Avec
Rp
ol
A
Vref
MP0
Vdd
Ipol
RpolA
Vgsipol MP
.0
Rpol
MP0
MP1
Rs
Rsro
gmA
MP
MP
11
1
1
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
LIRMM 65
• le montage cascode :
• Problème : stabilité -> Besoin d’un Start Up
Rpol
W=40u ; L=1,5uMN0
W=40u ; L=1,5uMN1
W=40u ; L=1,5u
MN2
W=40u ; L=1,5u
MN3
W=21u ; L=3u
MN6
W=40u ; L=1,5u
Q15
W=40u ; L=1,5u
Q16
W=40u ; L=1,5u
Q17
W=40u ; L=1,5u
Q18
W=40u ; L=1,5u
Q19
W=40u ; L=1,5u
Q20
W=40u ; L=1,5u
Q21
W=40u ; L=1,5u
Q22
W=100u ; L=0,35u
MP0
W=200u ; L=0,35u
MP1
W=15u ; L=1,5u
MP28
W=15u ; L=1,5u
MP25
W=40,05u ; L=1,5u
MN5
Référence de courantRéférence de courant
11
)322.1.(3
13
1
rorororogro
gA
m
m
Étage de polarisation
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
LIRMM 66
Rp
ol
W=40u ; L=1,5uMN0
W=40u ; L=1,5uMN1
W=40u ; L=1,5u
MN2
W=40u ; L=1,5u
MN3
W=21u ; L=3u
MN6
W=100u ; L=0,35u
MP0
W=200u ; L=0,35uMP1
W=15u ; L=1,5u
MP28
W=15u ; L=1,5u
MP25
W=40,05u ; L=1,5u
MN5
W=0,7u ; L=3,5u
MN71
W=0,7u ; L=0,35uMP20
/Dac_on
W=0,7u ; L=0,35u
MN80
W=0,7u ; L=,,35u
MN70Dac_on
Principe du Start upPrincipe du Start up
Chute de ce potentiel
BB
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
LIRMM 67R
po
l
1 2 1 2
W=0,7u ; L=0,35u
MN80
W=0,7u ; L=0,35uMN76
W=0,7u ; L=0,35uMN85
W=0,7u ; L=0,35u
MN88
W=40u ; L=1,5uMN0
W=40u ; L=1,5u
MN1
W=40u ; L=1,5u
MN2
W=40u ; L=1,5u
MN3
W=0,7u ; L=3,5u
MN71
W=0,7u ; L=0,35uMN86
W=0,7u ; L=0,35u
MN89
W=21u ; L=3u
MN6
W=42u ; L=1,5u
MN19
W=42u ; L=1,5u
MN18
W=40u ; L=1,5u
MN20
W=40u ; L=1,5u
MN21
W=40u ; L=1,5u
MN7
W=40u ; L=1,5u
MN8
W=40u ; L=1,5u
MN10
W=40u ; L=1,5u
MN9
W=40u ; L=1,5u
MN11
W=40u ; L=1,5u
MN12
W=100u ; L=0,35u
MP0
W=200u ; L=0,35u
MP1
W=0,7u ; L=0,35u
MP20
W=0,7u ; L=0,35uMP28
W=15u ; L=1,5u
MP24
W=0,4u ; L=20uMP27
W=2u ; L=0,35uMP87
W=15u ; L=1,5u
MP25
W=40,05u ; L=1,5u
MN5
Vue Schématique Vue Schématique
Dac_on
Miroir 1 Miroir 2
Référence de courant
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
LIRMM 68
Résultat : Analyse CornerRésultat : Analyse Corner
Tension d’alimentation
Cou
rant
de
pola
risa
tion
tm : typical meanWP : Worst PowerWS : Worst SpeedWO : Worst OneWZ : Worst Zero
CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
LIRMM 69
256 sources de
courantélémentaires
16 Y
16 Y
16Y
X X
X
16Y
X
Z
DacONSource de référence
IyIxPolarisation des blocs X et Y
en courant
Polarisation des 256 blocs Z en tension
LIRMM 70
Iy= 320 µA
4 Bloc X 64 Bloc Y
Ix=80 µA +
Miroir 1
Miroir 2
Vdda
Sortie
Vdda
256 Bloc Zsources élémentaires
Sortie
Vdda
Sortie
1 2 256
Idac
Vdd
5 µA 5 µA 5 µA
Source de réference
LIRMM 71
Plan du coursPlan du cours
IntroductionCANCNAExemple de CNA 8 bits à sources unitaires
Caractéristiques des convertisseursTest des convertisseurs
LIRMM 72
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
Paramètres Dynamiques
ParamètresStatiques
Performancesde
l’échantillonnage
LIRMM 73
Paramètres Statiques : Offset
Droite Idéale
Entrée Analogique
111
110
101
100
011
010
001
000
Sor
tie N
umér
ique
VT7VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 PE
Droite Idéale
Offset
Entrée Analogique
111
110
101
100
011
010
001
000
Sor
tie N
umér
ique
VT7VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 PE
Offset décalage de la fonction de transfert
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 74
Paramètres Statiques : Gain, Non-linéarités
Erreur de Gain
Entrée Analogique
111
110
101
100
011
010
001
000
Sor
tie N
umér
ique
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT7 PE
droite idéale
Gain D(Vti+1 - VTi) = cst
NLI
NLD
Entrée Analogique
111
110
101
100
011
010
001
000S
ortie
Num
ériq
ue
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT7 PE
NL GAIN + OFFSET
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 75
Performances de l’échantillonnage : jitter
dt
dV.tV j
DV
Dtj
ÉchantillonnageThéorique
jitter = Dtj Erreur de Conversion
EchantillonnageRéel
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 76
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
Paramètres Dynamiques : THD, SNR...
Fin 2.Fin 3.Fin 4.Fin 5.Fin 6.Fin
0
ModuledB
Fréquence
Féch
2
Spectre du signal
A = amplitude du fondamental Hk = amplitude la kème harmonique
Ai = amplitude de la ième raie Bm = amplitude du bruit
mdB B
Alog.20)SNR(
Signal sur bruit
SFDR
A
)Amax(log.20)SFDR( i
dB
Dynamique de codage
A
H
log.20)THD( 1K
2K
dB
Taux de distorsion harmonique
LIRMM 77
, SNR of ideal ADC
So, the effective number of bits of an actual ADC is given by:
Dynamic parameters: Effective Number Of BitsDynamic parameters: Effective Number Of Bits
SNR dB ni[ ] . * . 6 02 176
02.6
76.1
dBSINADENOB
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 78
Dynamic parameters: Inter-Modulation Distortion Dynamic parameters: Inter-Modulation Distortion
Frequency
Mag
nit
ud
e
f1
2f1-f22f2-f1 f1+f2
f2
2f2 2f1
f1-f2
f1+2f2 2f1+f2
3f2 3f1
IMD dBP
Psignal[ ] log10
intermod
Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs
LIRMM 79
D/A parameters: transmissionD/A parameters: transmission
D
A
D
A
...,C5,C13,C20,C14,C1,...
...,0,0,0,0,0,0,.....
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 80
Transmission: spectral analysisTransmission: spectral analysis
fft 2ft 3ft kft
BWm
channel 1
spec
tral
den
sity
fft 3ft
BWm
channel 2
spec
tral
den
sity
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 81
Transmission: SNR, THD and SINADTransmission: SNR, THD and SINAD
• Signal-to-Noise Ratio (SNR)SNR
P
PSNR
P
Psignal
noise
signal
noise
, log( )10
P asignal ~ 12
THDP
P
a a a
aharmonics
signal
k
( ) (...
)/ /1 2 22
32 2
12
1 2
SINADP
P Psignal
noise harmonics
fft 2ft 3ft kft
BWm
channel 1
spec
tral
den
sity a1
a2
a3 ak
s
• Total Harmonic Distortion (THD)
• Signal-to-Noise And Distortion ratio (SINAD)
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 82
Transmission: ENOB, SFDR and DFDRTransmission: ENOB, SFDR and DFDR
• Effective Number Of Bits (ENOB)ENOB SINADdB ( . ) / .1 761 6 02
SFDRa
s20 1log(
max( ))
fft 2ft 3ft kft
BWm
channel 1
spec
tral
den
sity a1
a2
a3 ak
SFDR • Spurious Free Dynamic Range (SFDR)
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 83
Transmission: channel separation and crosstalkTransmission: channel separation and crosstalk
• channel separation
• crosstalk
Ch sepP
P
b b
aharmonics signal one channel
signal other channel
( )
( )
12
32
12
crosstalkP
P
b
asignal one channel
signal other channel
,
,
12
12
fft 2ft 3ft kft
channel 1
spec
tral
den
sity a1
a2
a3 ak
s
fft 3ft
channel 2
spec
tral
den
sity
b1 b3
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 84
Transmission: transient responseTransmission: transient response
zero level
full scale level
10%
90%
rise time
clock feedthrough
overshoot level
undershoot level
2 % error band
50% full scale
settling time
glitch energy
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 85
Practical casesPractical cases
parallel DAC
test audio video control RAMDAC bitstream
offset
gain **
DNL ** ** **
INL ** **
SNR ** **
THD ** **
SINAD ** **
** = often tested, * = sometimes tested
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 86
Practical casesPractical cases
parallel DAC
test audio video control RAMDAC bitstream
dyn range
ch sep * * *
Xtalk * * *
PSRR * * *
transresponse
**
channelmatching
**
** = often tested, * = sometimes tested
Caractéristiques des CNACaractéristiques des CNA
LIRMM 87
Plan du coursPlan du cours
Introduction
CAN
CNA
Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires
Caractéristiques des convertisseurs
Test des convertisseurs
LIRMM 88
Les Types de ConvertisseursLes Types de Convertisseurs
Le test ne dépend pas du type de CANTest Fonctionnel
24
20
16
12
8
4
10 100 10 10 100 1G 10G1k 1M 1M100
Approximat° successives
-S D
Ram
pe
Flash
Subranging
F= résolution x fréquence
Prix CAN est proportionnel à F
LIRMM
andWireless Digital
ContexteContexte
LIRMM
Complex system block diagramComplex system block diagram
LIRMM
Digital components to implement software applications
Complex system block diagramComplex system block diagram
LIRMM
Analog/RF components to transmit and receive the data
Complex system block diagramComplex system block diagram
LIRMM
Converters (DACs ADCs) to interface both domains
Complex system block diagramComplex system block diagram
LIRMM 94
MotivationMotivation
One Chip Set-top Box: 2 ADC, 6 DAC… Video decoder: 12 ADC, 2 DAC, …
Complex SoC or SiP
DA
C3
ADC4
DA
C1
DAC4
AD
C3
ADC1
AD
C2
RF Part Digital part 2
Analog Part 1
Analog Part 2
Analog Part 1
Digital part 3 Digital part
4
Digital part 1
Set-top box:PNX8327
LIRMM 95
Test des CI Analogiques et MixtesTest des CI Analogiques et Mixtes
Mixed-signal testing
Area distribution cost distribution
Design& manufacture
Digital test
Analog test
50%
10%
40%
10%
90%
Digital part Analog part
Difficulties of analog testing+
Accessibility
LIRMM 96
Prix de revient
200 Euros
Influence du coût du test
En 2015 180 € 20 €
100 €
TestConception + Fabrication
En 2003 100 €
Test des circuits MixtesTest des circuits Mixtes
LIRMM 97
Test du battement de fréquence (& enveloppe) Test qualitatif
Régression sinusoïdale offset, gain, bruit
Test par Histogramme Paramètres statiques (offset, gain, NL)
Test par FFT (Fast Fourier Transform) Paramètres dynamiques (SNR, THD, SPIR…)
Techniques de test des Convertisseurs A/N
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
LIRMM 98
Test du battement de fréquenceSignal d’entrée
Echantillonnage
Signal reconstitué
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
LIRMM 99
Principe :
Signal d’entrée sinusoïdal Fentrée = Féchantillonnage + petit DF
Valeur de DF variation de 1LSB pour la plus grande
pente du signal d’entrée
Analyse de la sinusoïde de sortie (de fréquence DF)
Donne une indication sur la présence de NL et de codes
manquants
Test du battement de fréquence
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Précision
Complexité Temps de calcul Peu utilisé
LIRMM 100
Régression sinusoïdale
01110
01010
01100
Temps
Am
plitu
de
Estimation : A.sin(2p.Fin+f)+MA
mpl
itude +
Bruit
CAN
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
LIRMM 101
Principe : Signal d’entrée sinusoïdal (1.sin(2 .p Fin+ ))f Estimer le signal sinusoïdal de la forme
(A.sin(2 .p Fin+ )+ )f M vu à travers le convertisseur Les paramètres M, A donnent respectivement la
valeur du gain et de l’offset du CAN sous test
Régression sinusoïdale
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Précision
Complexité Temps de calcul Peu utilisé
LIRMM 102
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
PE
Am
plitu
de
0
CAN
Code i
Histogramme
Paramètres
• Offset• Gain• NLD• NLI
Code i
+
-
PE
0
Am
plitu
de
OU
Temps
LIRMM 103
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
Entréeanalogique
Cod
ede
sor
tie
Histogramme
PEH(i)
100011010
111
000
110101
001
H(i)=nbr d’apparition du code i
nbr total d’échantillons
LIRMM 104
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
Entréeanalogique
Cod
ede
sor
tie
Histogramme
PEH(i)
100011010
111
000
110101
001
H(i)=nbr d’apparition du code i
nbr total d’échantillons
LIRMM 105
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
Entrée Analogique
Cod
ede
sor
tie
Histogramme
FSH(i)
LIRMM 106
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
EntréeAnalogique
Codede sortie
Histogramme
VT3 FS
2A
H(i)
in
n
n
inn
nTréf
A
PE
2
22i2arcsin
A
PE
2
2i2arcsin
N)i(H
LIRMM 107
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
EntréeAnalogique
Codede sortie
Histogramme
VT3 FS
2A
H(i)
LIRMM 108
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
EntréeAnalogique
Codede sortie
Histograme
VT3 FS
2A
H(i)
LIRMM 109
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Temps
EntréeAnalogique
Codede sortie
Histogramme
VT3 FS
2A
H(i)
LIRMM 110
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par histogramme
Précision Nombre d’échantillons
Pas de paramètres Dyna. Application Indus.
Principe : Signal d’entrée sinusoïdal ou linéaire (triangle,
rampe)
Construire l’histogramme expérimental = Fréquence d’apparition des codes de sortie
Comparer cet histogramme avec l’histogramme idéal
LIRMM 111
Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N
Test par FFT
Sensible à la Synchro.
Pas de paramètres Stat.
Rapide
Application Indus.
Temps
PE
Am
plit
ud
e
0
CANµPou DSP
ParamètresSNR , THD, SFDR, IMD ...
Spectre