L07 CNA in tehnologie CMOS - · PDF file&1$ vq whkqrorjlh &026 l ,rxw fxujh sulq uh]lvwruxo gh...

1

4 CNA în tehnologie CMOS

4.1 Suport teoretic 4.1.1 Structură unipolară

Figura 4.1 relevă circuitul multiplicator a unui CNA unipolar.

Linia punctată include structura internă simplificată a unui convertor AD7520 în tehnologie CMOS pe 10 biți. Circuitele integrate cu structură similară (cu diferite rezoluții și eventual diferite alte proprietăți) sunt produse de Analog Devices şi Texas Instruments.

Structura principală a circuitului este reprezentată de rețeaua de rezistențe R-2R și de comutatoarele aferente în tehnologie CMOS.

Pentru o comportare corectă, cei doi pini de ieșire în curent Out1 și Out2 trebuie conectați la potențialul de 0V prin metode externe. Aplicația tipică a acestui circuit conectează Out2 la GND și folosește un amplificator operațional în conexiune inversor pentru a genera o masă virtuală pentru Out1, ca în Figura 4.1. Rezistența de reacție internă de 10kΩ este potrivită conform rezistenței R a rețelei R-2R, precum și ținând cont de eventualele variații.

Fiecare comutator este controlat de un bit al numărului de intrare: K1 de

- +

Iout1

10K

Vo

V-

OA

20K

20K 10K

20K 10K

20K 10K

20K

... ...

Vref in

K1

Ki

Ki+1

K10

I1

Ii

Ii+1

I10

... ...

Iref

Out2

a10(LSB)

ai+1

ai

a1

... ...

Out1

Rfeedback VDD GND

Vref VDD

Iout2

Figura 4.1 Structura internă simplificată a AD 7520 (cu linie punctată) şi conexiunea tipică.

Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator

2

către MSB…K10 de către LSB.

Numărul binar unipolar de la intrarea CNA-ului poate fi scris ori “fracționar”, compus din biții ai, cu i=1…n, a1=MSB…an=LSB, (n=10 pentru AD7520):

Ori, ca “întreg”, compus din biţii bi, cu j=0…n-1, bn-1=MSB…b0=LSB (n=10 pentru AD7520):

Unde: bn-i = ai i=1...n. Cele două reprezentări sunt legate prin formula:

Rezistența echivalentă de la pinul Vref către GND este R; curentul prin pinul Vref este:

Curentul se divide în fiecare nod al rețelei R-2R; curentul prin ramura i este:

Iout1 adună toți curenții din ramurile corespondente fiecărui bit ai=1 iar Iout2 din ramurile corespondente fiecărui bit ai=0:

Unde }{A este complementul lui {A}:

)1...0[;2....0}{1

)1(1

AaaaaA

n

i

iinn (4.1)

)2...0[;2...}{1

0011

nn

j

jjn NbbbbN

(4.2)

}{2}{ AN n (4.3)

R

VI ref

ref (4.4)

i

refi

II

2 (4.5)

AIaII refi

iirefout

2

8

11 (4.6)

AIaII refi

N

iirefout

2

12 (4.7)

)1...0[}{;2....0}{1

)1(1

AaaaaA

n

i

iinn (4.8)

CNA în tehnologie CMOS

3

Și:

Iout1 curge prin rezistorul de reacție și generează tensiune de ieșire:

Din punctul de vedere al unei reprezentări întregi:

Comutatoarele CMOS din AD7520 (şi ale circuitelor similare) permit ambele polarități pentru Iref, Vref, I1, I2, Vout, etc. Circuitul din Figura 4.1 poate lucra ca și un multiplicator pe două cadrane. 4.1.2 Structură bipolară Figura 4.2 relevă structura schematică a unui CNA bipolar. OA2 este în

conexiune ne-inversoare; chiar dacă amândouă bucle de reacție coexistă, cea “pozitivă” este “minimizată” de bucla inversoare a lui OA1, care “forțează” tensiunea de pe intrarea ne-inversoare a OA2 la GND. Ca și o consecință, tensiunile de intrare ale lui OA2 sunt egale și nule, din cauza masei virtuale de pe intrarea “-“ a OA1. Circuitul din jurul OA2, cu R1 = R2, funcționează ca o “oglindă de curent”:

Ecuațiile lui Kirchhoff pentru nodurile de intrare ale OA2 sunt:

11}{}{ LSBAA (4.9)

i

refnLSBrefLSBoutout

IIIIIII

2;21 (4.10)

FSFSrefi

iirefoutout VAVAVaRIRIV ...02

8

11

(4.11)

FSLSBnFS

nrefout VNVNVN

VV ...022

(4.12)

1outI2outIVref

Rfeedback

- +

AD7520 Iref Vref

- +

Ic

{A}

Rc

I1 I2

If

OA1

OA2

Vo 210·R

Rf=R

R1 R2

V2

Figura 4.2 CNA bipolar cu AD7520

2

22

1

21 R

VI

R

VI (4.13)

0

0

21

12

III

III

fout

cout (4.14)


4

Și, considerând (4.10):

Unde {A}U este un număr unipolar, fracționar, ca în (4.1). Notând {A’}BO, numărul în format Binar Deplasat:

Ecuația (4.17) devine relația de definiție pentru un CNA Binar Deplasat:

Din punctul de vedere a unui număr întreg, {N’}BO, numărul întreg Binar Deplasat (echivalent cu mutarea virgulei fracționare cu n-1 biți spre dreapta):

Ecuația (4.17) devine relația de definiție a unui CNA Binar Deplasat:

Circuitul este un CNA bipolar, ceea ce înseamnă că numărul de intrare este bipolar, în cod Binar Deplasat. Cel mai semnificativ bit este acum Bitul de Semn (0 pentru “negativ”, 1 pentru “pozitiv”). Complementând MSB va modifica circuitul într-un CNA în Complement față de 2. Având la dispoziție ambele polarități pentru Iref, Vref, I1, I2, Vout, etc precum și ambele polarități pentru numărul de intrare, circuitul din Figura 4.2 poate lucra ca și un multiplicator pe 4 cadrane.

LSBn

refccoutoutf I

R

VIIIII

2;21 (4.15)

)1}{2( Ureff AII (4.16)

)1}{2()1}{2( UrefUfrefffo AVARIRIV (4.17)

1...11}{2}'{ UBO AA (4.18)

FSFSBOFSBOrefo VVAVAVV ...}'{}'{ (4.19)

111 2...22}'{}'{ nnnBOBO AN (4.20)

FSFSBOLSBnBO

refo VVNVN

VV ...}'{2

}'{1

(4.21)


5

4.2 Rezultate experimentale și măsurători

CNA-ul CMOS AD7524 este folosit pe placheta experimentală. Are o structură similară cu AD7520, cu excepția:

- Are o rezoluție de doar 8 biți. - Prezintă latch-uri pentru compatibilitatea cu magistrala de date a

unui microprocesor. Dacă acestea nu sunt folosite, pinii ChipSelect şi Write se leagă la GND.

4.2.1 Funcționare unipolară

Figura 4.3 relevă schema completă a plachetei experimentale, dar circuitele nefolosite în experimentul curent sunt blurate. Se observă că J3 are un jumper între pinii 2-3, pentru alega Out2 al U2 la GND, iar J4 are un jumper între pinii 1-2, pentru a separa U1A.

U2 şi U1B formează circuitul echivalent din Figura 4.1, cu:

- Vref = W1, canalul 1 al AWG-ului Analog Discovery.

Figura 4.3 CAN CMOS – operare unipolară – placheta experimentală

U2AD7524

AD7524

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Out1Vref

RFB

Out2/CS/WR V

DD

GND

U1A

3

2

11

4

1

U1BAD8567ARUZ

5

6

11

4

7

J3

J4

R1

10k

ΩR

21

0kΩ

1+2+

1-2-

VDD5.0VVEE

-5.0V

J2

DIO

7

DIO7DIO6DIO5DIO4DIO3DIO2DIO1DIO0

VEE-5.0V

VDD

5.0V

DIO

6D

IO5

DIO

4D

IO3

DIO

2D

IO1

DIO

0

U5

AD8561AR

2

3

41

7

8

56VEE

-5.0V

VDD

5.0V

CmpEOC

VDD5.0V

J1

U4AD7524

AD7524

D011

D110

D29

D38

D47

D56

D65

D74

Out1 1

Vref15 RFB

16

Out2 2/CS12

/WR13 VDD

14

GND

3

U1C10

9

11

4

8

U1D12

13

11

4

14

J5

J6

R3 10kΩ

R4

10kΩ

VDD5.0V


Stb

U3 74F574DW

1D2

2D33D4

4D5

5D6

6D7

7D8

8D9

~OC1

CLK11

1Q 19

2Q 183Q 17

4Q 16

5Q 15

6Q 14

7Q 13

8Q 12

Vin

W2 =>

Vref W1 =>

J7J8

J9

VSS0.0V

<= W2

VC+

C3

10nF

C4

10nF

C5

10nF

C6

10nFVEE

-5.0V

VDD

5.0VC1

2.2µF

C2

2.2µF

C7

10nF

C8

10nF

C9

10nF

Cmp

(Analog DiscoveryWaveform Generator)

U6A

AD8592ARM3

2

410

1

5

U6B

7

8

410

9

6

VA+

Cmp

C10

1nF

-3V

U7TPS72301

VREG

IN2

EN3

GND

1

FB 4

OUT 5

VEE-5.0V

C122.2µF -3V

2.7V

R5 10kΩ

D1

BZX384-C3V3

2.7VR610kΩ

SnH

SnH<=DIO10

VSH

Analog DiscoveryWaveform Generator

J10 SnH

C1410nF

Vin

R733kΩ

R822kΩ

<=DIO8DIO9=>

=> DIO9

Stb

Analog DiscoveryPattern Gen. and Logic Analyzer

<=DIO11DIO11=>

Vref

W1 =>Vref

U8TPS79927DDC

VREG

IN1

EN3

GND

2

OUT 5

VDD5.0V

C11

2.2µF

2.7V

C13

10nF

C1510pF

VB-

VBo

C16

10p

F

VAoVA-

C1710pF

VDo

VD-

C18 10pF

VC-


6

- Biți de date = DIO7 (MSB)…DIO0(LSB) din Analog Discovery.

Se observă că C15, C16, C17 și C18, sunt adăugate pentru a compensa U1B, U1A, U1D și U1C. Ei reduc fenomenul de „ringing” și riscul oscilațiilor aferente amplificatoarelor operaționale de mare viteză AD8567.

Figura 4.4 relevă placheta experimentală pregătită cu jumpere și sonde de osciloscop pentru experimentul în regim static al CNA-ului. Se observă că aceeași plachetă este folosită și pentru alte experimente.

4.2.1.1 Experiment CNA în regim static

Pe placheta experimentală: - Plasați jumperele:

o J3 = 2-3 – scurtcircuitează Iout2 la GND. o J4 = 1-2 – deconectează U1A.

- Plasați sondele de osciloscop: o Channel 1 la J9-2 = W1 = Vref o Channel 2 la J8-2 = VBo = Vout

În WaveForms:

- În Wavegen, W1, setați-l constant, tensiune pozitivă sau negativă pentru Vref.

- În StaticIO, setați un slider pentru biții DIO7…DIO0.

- În Supplies, activați sursele continue V+/V-. (Dacă WaveForms raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele, încercați să porniți sursele pe rând: prima dată cea pozitivă, iar după câteva secunde, cea negativă)

- În Scope, deschideţi Measurements pentru Channel 1 Average şi pentru Channel 2 Average. Setaţi o rată de eşantionare joasă (i.e. 100ms/div). Aceasta mediază mai multe eșantioane pentru a obține valori măsurate mai stabile.

Figura 4.4 Placheta experimentală CAN CMOS


7

- Modificați numărul de intrare în StaticIO și analizați tensiunea de ieșire în fereastra de măsurare a osciloscopului.

Sarcina 1. Folosind valorile măsurate, scrieți ecuațiile și calculați valorile reale pentru εoffset, εgain, V’FS și V’LSB.

Sugestie: Ecuațiile ideale ale unui CNA sunt:

Considerând erorile de ofset și câștig, ecuațiile CNA-ului devin:

4.2.1.2 Experiment CNA în regim dinamic

Pe placheta experimentală: - Plasați jumpere:


- Plasați sondele de osciloscop: o Channel 1 la J8-3 = VB- = U1B intrarea inversoare (masă

virtuală). o Channel 2 la J8-2 = VBo = Vout

În WaveForms:

- În Wavegen, W1, setați-l ca și o constantă, tensiune pozitivă pentru Vref.

- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biții DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0. Setați

frecvența de ceas la 1MHz. - În Supplies, activați sursele continue V+/V-. (Dacă WaveForms

raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele, încercați să porniți sursele pe rând: prima dată cea pozitivă, iar după câteva secunde, cea negativă).

- În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la Digital, și setați Trigger Condition pentru DIO7 Falling Edge.

- În Scope, Add/Math/Simple: C2-C1, Math1 relevă căderea de tensiune la bornele lui RFB.

}{AVV FSo (4.22)

}{', AVV FSabsoffo (4.23)

}{)1(}{)( ,,,, AVAVV FSrelgainabsoffabsgainFSabsoffo (4.24)


8

- În Scope, setaţi baza de timp corespunzătoare pentru a vizualiza mai multe perioade ale semnalului „dinte de ferăstrău”, Vout.

- Modificaţi valorile lui Vref (în WaveGen1), Frequency (în Patterns), Time/Base (în Scope). Observați efectele și înțelegeți mecanismele.

- Identificați neidealizatele și erorile din imaginea osciloscopului: timp de stabilire, overshoot, glitch-uri. Schimbați baza de timp și Range pentru o analiză în detaliu și pentru măsurători.

Timpul de stabilire, tset, este timpul scurs din momentul modificării valorii intrării digitale la o valoare stabilă a tensiunii de ieșire, într-o bandă acceptabilă a erorii (precizie).

Sarcina 2. Măsurați valoarea reală a tset, cu o precizie de ±10mV.

Figura 4.5 Experiment CAN în regim dinamic (unipolar) – osciloscop


9

Sugestie: Cazul cel mai defavorabil este o excursie completă a tensiunii; pentru un semnal „dinte de ferăstrău”, de la VFS la 0, când numărul de intrare se resetează. Se poate ușor sincroniza cu frontul căzător al bitului MSB din busul de date din Scope. Modificaţi baza de timp și poziția, respectiv Range și Offset pentru a optimiza analiza, ca în Figura 4.6.


10

Eventual folosiți ferestrele Zoom din Scope (View/Add Zoom, și folosiți mouse-ul pentru a modifica factorul de mărire). Modificați Frequency în Patterns (dacă e nevoie), pentru a face perioada mai lungă decât timpul de stabilire. Observaţi fenomenul de „ringing” datorat cursei mari a tensiunii și înțelegeți că, pentru acest circuit, componenta importantă a lui tset este dată

Figura 4.6 Măsurarea pentru Overshoot și pentru timpul de stabilire


11

de compensarea incompletă a amplificatorului operațional. Se observă că sondele osciloscopului influențează forma de undă a semnalului (chiar dacă sunt independente/în pereche/răsucite).

Fenomenul de „ringing” presupune o oscilație amortizată după fiecare pas de tip „scară” a tensiunii de ieșire. Amplitudinea („overshoot”) și frecvența fenomenului de „ringing” depinde de caracteristicile în frecvență ale circuitului. Fenomenul de „ringing” presupune o insuficientă compensare de fază, iar o eventuală supra-compensare ar duce la o caracteristică exponențială în domeniul timp, ca în Figura 4.7, unde o capacitate de 39pF a fost conectată în paralel cu C15.

Fenomenul de „overshoot” - Vset, este perioada de timp scursă din momentul schimbării valorii de intrare numerice până când tensiunea de ieșire se stabilizează într-o bandă de eroare acceptabilă.

Sarcina 3. Măsurați valoarea reală a overshoot-ului și frecvența de „ringing”.

Se observă glitch-ul de pe VB- (canalul 1 al osciloscopului). Teoretic,

acesta ar fi trebuit să fie masă virtuală, din cauza buclei inversoare a U1B.

Figura 4.7 Comportarea etajului de ieșire la supra – compensare.


12

Reacția negativă ar trebui să forțeze VBo la o tensiune care să provoace tensiune zero pentru VB-:

Dar, când VBo nu poate avea valoarea necesară, VB- nu este zero; în acest caz, VBo ar fi trebuit să se modifice mai rapid decât Slew Rate-ul amplificatorului operațional, ceea ce este imposibil, astfel generându-se un puls pe VB-.

Fenomenul de „glitch”, este o caracteristică pulsatorie a Vout datorată nepotrivirii timpilor de comutare a mai multor biți ce se modifică în același timp. Fenomenul de „glitch” poate fi măsurat în amplitudine sau din punct de vedere energetic “energia”= suprafaţa închisă de „glitch” în µV•sec.

Cazul cel mai defavorabil apare când toți biții se modifică deodată, de la 0111… la 1000… (de exemplul la mijlocul scării unui numărător binar), sau invers. Se poate observa ușor, sincronizându-ne cu frontul ascendent al bitului MSB, din busul digital din Scope. Modificați Time/Base și Position, respectiv Range și Offset pentru a analiza în detaliu, ca în Figura 4.8. Se observă vă VBo ar fi trebuit teoretic să se modifice de la 127•VLSB la 128•VLSB, cu o diferență de VLSB. Dar amplitudinea „glitch-ului” este mult

VRIVV FBFBBoB 0 (4.25)

Figura 4.8 Fenomenul de “glitch”


13

mai mare. Se observă de asemenea că variația VBo ar trebui să fie teoretic mai rapidă decât Slew Rate-ul amplificatorului operaţional, deci viteza VBo este limitată de Slew Rate, iar diferența o vom găsi la VB-.

Sarcina 4. Măsurați valoarea reală a amplitudinii glitch-ului și aproximați vizual energia glitch-ului.

Sugestie: Pentru a aproxima energia glitch-ului, aproximați suprafața aferentă glitch-ului la un triunghi. Modificați Time/Base şi Position, respectiv Range și Offset în mod convenabil.

Sarcina 5. Identificați glitch-urile de amplitudini imediat următoare. Explicați.


14

4.2.1.3 Experiment CNA multiplicator

Pe placheta experimentală: - Puneți jumpere pe:


- Plasați sondele osciloscopului pe: o Channel 1 pe J9-2 = Vref = W1. o Channel 2 pe J8-2 = VBo = Vout

În WaveForms:

- În Wavegen, W1, setați o tensiune sinusoidală cu frecvența de 3kHz pentru Vref, fără ofset și de amplitudine 2V.

- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biții DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0 cu

frecvența de ceas de 100kHz. Aceasta va genera un semnal „dinte de ferăstrău” digital cu frecvența de 100kHz/28.

- În Supplies, activați amândouă sursele +/-V. - În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la

Digital, și setați Trigger Condition la DIO7 Falling Edge. Extindeți

Figura 4.9 CAN unipolar multiplicator (multiplicator pe două cadrane).


15

bus-ul digital în Scope, pentru a observa reprezentarea grafică a valorilor fiecărui semnal din bus, ca în Figura 4.12. Se observă că reprezentarea grafică depinde de Format-ul ales pentru bus (Binary/Vector/Signed/OnesComplement/2sComplement…). Alegeți orice reprezentare Unipolar, deoarece DAC CNA-ul este unipolar.

- În Scope, setați Time/Base și Range în mod convenabil.

Se observă că tensiunea de ieșire este produsul este produsul dintre tensiunea bipolară Vref și numărul de intrare unipolar. Circuitul funcționează pentru ambele polarități ale lui Vref, deoarece comutatoarele CMOS permit curgerea curentului în ambele direcții.

Sarcina 6. Generați un produs de două semnale sinusoidale: Vref de frecvență 3 kHz și număr de intrare de frecvență 100Hz.

Sugestie: Generați un semnal sinusoidal creat extern de frecvență 100Hz cu ajutorul Patterns:

- Creați un fișier .csv cu 1000 de linii. În coloana A, puneți valorile întregi 0…999. În celula B1, implementați formula: =128+INT(127*SIN(2*PI()*A1/1000)). Copiați celula B1 în celule B2…B1000. Acesta va calcula 1000 de eșantioane întregi în fiecare perioadă a unui sinus pe 8 biți, cu o rezoluție de fază de 2*π/1000. Salvați fișierul .csv. În momentul salvării, formulele sunt înlocuite de valori numerice.

- În Patterns, modificați tipul bus-ului la Custom și editați-l. Click Import și selectați fișierul .csv realizat. Selectați coloana 2 să fie încărcată pentru tot bu-ul, ca în Figura 4.13. Astfel, valorile

Figura 4.10 Importarea unui fișier .csv în Patterns.


16

zecimale din coloana B a fișierului .csv sunt convertite în binar, și fiecare bit este încărcat în semnalul aferent din bus..

- Asigurați-vă, că sunt exact 100 de eșantioane în buffer.

- Setați frecvența la 100kHz. Frecvența sinusului va fi 100kHz/1000samples = 100Hz.

- Rulaţi instrumentele și analizați imaginea de pe osciloscop. Observați că tensiunea de ieșire are polaritate inversă față de Vref, din cauza reacției negative.

- Modificați fin frecvența lui Vref (ex. la 3.003kHz). Observați efectul

Figura 4.12 CAN unipolar multiplicator (multiplicator pe două cadrane) – semnal sinusoidal.

Figure 4.11 Edit a bus in Patterns.


17

și explicați.

4.2.2 Funcţionare bipolară

În Figura 4.13, jumperele J3 și J4 au fost mutate pentru a conecta U1A în circuit. Structura schematică este similară cu cea din paragraful Error! Reference source not found.. Circuitul reprezintă un CNA bipolar pe 7+1 biți, în cod Binar Deplasat şi poate funcționa ca și multiplicator pe 4 cadrane, cu:

- Vref = W1, Channel 1 al AWG-ului de pe Analog Discovery. - Biți de date = DIO7 (MSB=Bit semn)…DIO0(LSB) din Analog

Discovery.

4.2.2.1 Experiment CNA în regim static

Pe placheta experimentală: - Plasați jumpere pe:

o J3 = 1-2 – conectează Iout2 la oglinda de curent U1A.

Figura 4.13 CAN CMOS, funcționare bipolară – schema experimentală

U2AD7524

AD7524

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Out1Vref

RFB

Out2/CS/WR V

DD

GND

U1A

3

2

11

4

1

U1BAD8567ARUZ

5

6

11

4

7

J3

J4

R1

10k

ΩR

21

0kΩ

1+2+

1-2-

VDD5.0VVEE

-5.0V

J2

DIO

7


VEE-5.0V

VDD

5.0V

DIO

6D

IO5

DIO

4D

IO3

DIO

2D

IO1

DIO

0

U5

AD8561AR

2

3

41

7

8

56VEE

-5.0V

VDD

5.0V

CmpEOC

VDD5.0V

J1

U4AD7524

AD7524

D011

D110

D29

D38

D47

D56

D65

D74

Out1 1

Vref15 RFB

16

Out2 2/CS12

/WR13 VDD

14

GND

3

U1C10

9

11

4

8

U1D12

13

11

4

14

J5

J6

R3 10kΩ

R4

10kΩ

VDD5.0V


Stb

U3 74F574DW

1D2

2D33D4

4D5

5D6

6D7

7D8

8D9

~OC1

CLK11

1Q 19

2Q 183Q 17

4Q 16

5Q 15

6Q 14

7Q 13

8Q 12

Vin

W2 =>

Vref W1 =>

J7J8

J9

VSS0.0V

<= W2

VC+

C3

10nF

C4

10nF

C5

10nF

C6

10nFVEE

-5.0V

VDD

5.0VC1

2.2µF

C2

2.2µF

C7

10nF

C8

10nF

C9

10nF

Cmp

(Analog DiscoveryWaveform Generator)

U6A

AD8592ARM3

2

410

1

5

U6B

7

8

410

9

6

VA+

Cmp

C10

1nF

-3V

U7TPS72301

VREG

IN2

EN3

GND

1

FB 4

OUT 5

VEE-5.0V

C122.2µF -3V

2.7V

R5 10kΩ

D1

BZX384-C3V3

2.7VR610kΩ

SnH

SnH<=DIO10

VSH

Analog DiscoveryWaveform Generator

J10 SnH

C1410nF

Vin

R733kΩ

R822kΩ

<=DIO8DIO9=>

=> DIO9

Stb

Analog DiscoveryPattern Gen. and Logic Analyzer

<=DIO11DIO11=>

Vref

W1 =>Vref

U8TPS79927DDC

VREG

IN1

EN3

GND

2

OUT 5

VDD5.0V

C11

2.2µF

2.7V

C13

10nF

C1510pF

VB-

VBo

C16

10p

F

VAoVA-

C1710pF

VDo

VD-

C18 10pF

VC-


18

o J4 = 2-3 – conectează U1A în circuit. - Plasați sondele osciloscopului:

o Channel 1 la J9-2 = W1 = Vref o Channel 2 la J8-2 = VBo = Vout

În WaveForms:

- În Wavegen, W1, setați o tensiune constantă, pozitivă sau negativă pentru Vref.

- În StaticIO, setați un Slider pentru biții DIO7…DIO0. Instrumentul StaticIO din WaveForms transformă cei 8 biți de deasupra într-un întreg fără semn. Dar, în această configurație, placheta experimentală transformă aceeași biți într-un număr întreg în format binar deplasat, bipolar, pe 7+1 biți. Pentru valoarea în binar deplasat, scădeți 128 din numărul afișat în partea dreaptă a Slider-ului.

- În Supplies, activaţi ambele surse +/-V. (Dacă WaveForms raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele setate de utilizator, încercați să porniți sursele pe rând: prima sursa pozitivă, și după câteva secunde cea negativă).

- În Scope, deschideți Measurement pentru Channel 1 Average și Channel 2 Average. Setați o rată de eșantionare mică (i.e. 100ms/div). Aceasta va media mai multe eșantioane pentru măsurători mai precise.

- Modificați numărul de intrare în StaticIO și citiți tensiunea de ieșire în fereastra Measurement al Scope. Se observă că polaritatea tensiunii de ieșire se modifică când polaritatea numărului de intrare se modifică.

4.2.2.2 Experiment CNA în regim dinamic

Pe placheta experimentală: - Păstrați jumperele pe:

o J3 = 1-2 – conectează Iout2 la oglinda de curent U1A. o J4 = 2-3 – conectează U1A în circuit.

- Place sondele osciloscopului pe: o Channel 1 pe J8-3 = VB- = intrarea inversoare a U1B (masă

virtuală). o Channel 2 pe J8-2 = VBo = Vout

În WaveForms:


19

- În Wavegen, W1, setați o valoare constantă, pozitivă sau negativă pentru Vref.

- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biții DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0 cu

frecvența de ceas de 1MHz. - În Supplies, activați ambele surse +/-V. (Dacă WaveForms

raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele setate de utilizator, încercați să porniți sursele pe rând: prima sursa pozitivă, și după câteva secunde cea negativă)

- În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la Digital, și setați Trigger Condition la DIO7 Falling Edge.

- În Scope, Add/Math/Simple: C2-C1, Math1 va releva tensiunea la bornele rezistorului RFB.

- În Scope, setați Time/Base astfel încât să vizualizați mai multe perioade ale semnalului „dinte de fierăstrău”, Vout.

- Modificați valorile lui Vref (în Wavegen1), Frequency (în Patterns), Time/Base (în Scope). Observați efectele și analizați mecanismul.

- Observați că amplitudinea lui Vout este dublă comparativ cu funcționarea unipolară, pentru aceleași valori ale tensiunii Vref.

- Identificați neidealitățile și erorile în imaginea osciloscopului: timpul de stabilire, „overshoot”, „glitch-uri”. Modificați Time/Base și Range pentru o analiză în detaliu și pentru măsurare.

4.2.2.3 Experiment CNA multiplicator

Pe placheta experimentală: - Păstrați jumperele pe:

o J3 = 1-2 – conectează Iout2 la oglinda de curent U1A. o J4 = 2-3 – conectează U1A în circuit.

- Plasați sondele osciloscopului pe: o Channel 1 pe J9-2 = Vref = W1. o Channel 2 pe J8-2 = VBo = Vout

În WaveForms:

- În Wavegen, W1, setați o tensiune sinusoidală cu frecvența de 3kHz sinus pentru Vref, fără ofset și de amplitudine 2V.

- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biţii DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0 cu

frecvența de ceas de 100kHz. Astfel se va genera un semnal „dinte de ferăstrău” digital cu frecvența 100kHz/28.


20

- În Supplies, activați ambele surse +/-V. - În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la

Digital, și setați Trigger Condition la DIO7 Falling Edge. Extindeți liniile bus-ului în canalul digital al osciloscopului, pentru a analiza reprezentarea grafică a valorilor semnalelor din acesta, ca în Figura 4.12. Observați că reprezentarea grafică depinde de Format-ul ales pentru bus (Binary/ Vector/ Signed/ OnesComplement/ 2sComplement…). Alegeți orice reprezentare unipolară, deoarece codul Binar Deplasat folosește aceeași secvență de cod.

- În Scope, setaţi Time/Base şi Range în mod convenabil.

Observați că tensiunea de ieșire este produsul dintre tensiunea bipolară Vref și numărul de intrare unipolar. Circuitul funcționează pentru ambele polarități ale lui Vref, deoarece comutatoarele CMOS permit curgerea curentului în ambele direcții. Deoarece numărul de intrare este bipolar, circuitul funcționează în toate cele 4 cadrane.

Sarcina 7. Implementați un produs de două semnale sinusoidale: frecvență de 3 kHz pentru Vref și număr de intrare cu frecvența de100Hz.

Sugestie: Urmăriți aceeași pași ca și pentru experimentul aferent funcționării unipolare. Deoarece codul Binar Deplasat folosește aceeași secvență de cod ca și pentru unipolar, același șir de eșantioane va funcționa și în această configurație aferentă unui cod Binar Deplasat corect.

- Rulați toate instrumentele și observați imaginea de pe osciloscop. Polaritatea tensiunii de ieșire depinde atât de numărul de intrare cât și de polaritatea tensiunii Vref.

- Modificați fin frecvența Vref (ex. la 3.003kHz). Observați efectul și explicați.


21

Figura 4.14 CNA bipolar multiplicator (multiplicator pe 4 canale)

L07 CNA in tehnologie CMOS - · PDF file&1$ vq whkqrorjlh &026 l ,rxw fxujh sulq uh]lvwruxo gh...

Documents

Transcript of L07 CNA in tehnologie CMOS - · PDF file&1$ vq whkqrorjlh &026 l ,rxw fxujh sulq uh]lvwruxo gh...