בראד בראנון, Analog Devices
כשכל-כך הרבה ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) זמינים, קשה לדעת איזה מהם מתאים יותר עבור יישום נתון. גיליונות הנתונים גורמים לרוב לבלבול, ורבים מנתוני המפרטים משפיעים על הביצועים בדרכים שאינן ניתנות לחיזוי מראש.
לרוב, בעת בחירת ממיר, המהנדסים בוחנים פשוט את הרזולוציה, את יחס האות לרעש (SNR) או את ההרמוניה. אף כי אלה חשובים, נתוני מפרטים אחרים יכולים להיות משמעותיים לא פחות.
הפרדה (רזולוציה)
הפרדה, אולי הנתון הכי פחות מובן, מתייחסת למספר הביטים במוצא, אבל אינה מספקת מידע שימושי על הביצועים. חלק מגיליונות הנתונים מציינים מספר אפקטיבי של ביטים (ENOB), נתון אשר משתמש במדידות SNR בפועל כדי לחשב את נצילות הממיר. מדד שימושי יותר לביצועי ממיר הוא צפיפות ספקטרלית של רעש (NSD), המוגדרת ב-dBm/Hz או ב-nV/√Hz. NSD יכול להיות מחושב כאשר יודעים את קצב הדגימה, את טווח הכניסה, את ה-SNR ואת עכבת הכניסה (ל-dBm/Hz). משיודעים נתונים אלה, ניתן לבחור ממיר כדי להשוות לביצועים האנלוגיים של מעגלי החזית. זוהי שיטה טובה יותר לבחירת ADC מאשר פשוט לקבוע את ההפרדה.
משתמשים רבים מודאגים גם מביצועים טפיליים והרמוניים. אלה אינם קשורים להפרדה, אבל מתכנני ממירים מכווננים לרוב את התכנונים שלהם, כך שההרמוניה תהיה תואמת להפרדה.
דחיית ספק הכוח
נתון דחיית ספק הכוח (PSR) מודד כיצד אדוות ספק הכוח מצומדת לכניסת ה-ADC באופן שמופיע על המוצאים הדיגיטליים של הממיר. עם PSR מוגבל, רעש על קו ספק הכוח יונחת רק ל-30 עד 50 דציבל מתחת לרמת הכניסה.
באופן רגיל, האות הבלתי הרצוי על ספק הכוח יחסי לטווח הכניסה של הממיר. לדוגמה, אם הרעש על ספק הכוח הוא 20mV RMS וטווח כניסת הממיר הוא 0.7V RMS, אזי הרעש על הכניסה הוא -31dBFS. אם לממיר יש 30dB PSR, רעש קוהרנטי יופיע כקו ספקטרלי של -61dBFS במוצא. PSR חשוב לקביעה של כמה סינון ונטילת צימוד יצטרך ספק הכוח. PSR חשוב בסביבות של רעש גבוה, כמו ביישומים רפואיים או תעשייתיים, בהם ממירי DC-to-DC עשויים לשמש לצורך נצילות הספק גבוהה.
דחיית אות במצב משותף
נתון Rejection Common-Mode (CMR) מודד את האות הדיפרנציאלי המושרה בנוכחות של אות במצב משותף (common-mode). התקני ADC רבים משתמשים בכניסות דיפרנציאליות כדי לספק חסינות גבוהה מפני אותות במצב משותף, ומאחר שמבני כניסה דיפרנציאליים דוחים באופן טבעי תוצרי עיוות בסדר זוגי.
כמו עם PSR, אותות במצב משותף יכולים להיות מושרים על-ידי אדוות ספק הכוח, אותות בהספק גבוה המושרים על מישור האדמה, זליגת RF דרך ערבלים ומסנני RF, ויישומים שבהם קיימים שדות חשמליים ומגנטיים גבוהים. אף כי ממירים רבים אינם מפרטים CMR, לרוב יש להם CMR של 50dB עד 80dB.
קצב עליית השעון
קצב עליית השעון (clock slew rate) הוא קצב העלייה המינימלי הנדרש כדי להשיג את הביצועים שהוגדרו. למרבית הממירים יש מספיק שבח על חוצץ השעון כדי להבטיח שרגע הדגימה יוגדר היטב, אבל רעש עודף יופיע אם קצב העלייה איטי מספיק כדי לייצר דרגה גבוהה של אי ודאות לגבי רגע הדגימה. אם מוגדר קצב עלייה מינימלי בכניסה, המשתמשים צריכים לעמוד בדרישה זו כדי להבטיח את ביצועי הרעש שהוגדרו.
ריצוד מיפתח
ריצוד מיפתח (aperture jitter) הוא אי-הוודאות הפנימית של השעון ל-ADC. ביצועי הרעש של ה-ADC מוגבלים על-ידי ריצוד השעון, הן הפנימי והן החיצוני.
בגיליון נתונים טיפוסי, ריצוד מיפתח מתייחס לממיר בלבד. ריצוד מיפתח חיצוני מסתכם בצורת RMS עם ריצוד מיפתח פנימי. עבור יישומי תדר-נמוך, הריצוד עשוי להיות טפל, אבל ככל שהתדר האנלוגי גדל, הרעש שמקורו בריצוד הופך לדאגה גוברת. אי שימוש בשעון הולם יוביל לביצועים ירודים מן הצפוי.
בנוסף לרעש מוגבר מריצוד השעון, יופיעו קווים ספקטרליים באות האנלוגי, אשר אינם קשורים מבחינה הרמונית לשעון, כעיוות על המוצא המסופרת. לפיכך, אות השעון אמור להיות עם הטוהר הספקטרלי הגבוה ביותר האפשרי.
השהיית מיפתח
השהיית מיפתח (aperture delay) היא פרק הזמן שבין היישום של אות הדגימה לבין הרגע שבו אות הכניסה נדגם בפועל. זמן זה – באופן טיפוסי ננו-שנייה או פחות – עשוי להיות חיובי, שלילי או אפילו אפס. השהיית המיפתח אינה חשובה בדרך כלל, למעט מקרים בהם ידיעת רגע הדגימה המדויק משמעותית.
זמן המרה ושיהוי המרה
זמן המרה (conversion time) ושיהוי המרה (conversion latency) הם שני מפרטים הקשורים ביניהם באופן הדוק. זמן המרה מתייחס בדרך-כלל לממירי SAR (successive-approximation), בהם קצב שעון מהיר משמש לעיבוד אות הכניסה, אשר מופיע על המוצא הרבה יותר מאוחר מאשר פקודת ההמרה, אבל קודם לפקודת ההמרה הבאה. הזמן שבין פקודת ההמרה לבין השלמת ההמרה הוא זמן ההמרה.
שיהוי המרה מתייחס בדרך-כלל לממירים מצונררים (pipelined). השיהוי, מדד של מספר הצינורות (שלבים דיגיטליים פנימיים) אשר משמשים לייצור הפלט הדיגיטלי, מוזכר לרוב במונחים של השהיות צינור. ניתן לחשב זמן המרה בפועל על-ידי הכפלת מספר זה בפרק זמן הדגימה המשמש ביישום.
זמן התעוררות
כדי לשמר הספק ביישומים המודעים להספק, מתנתק ההתקן בדרך-כלל במהלך פרקי זמן של חוסר שימוש יחסי. אף כי צעד זה חוסך הספק ניכר, כמות סופית של זמן נדרשת לייחוסים פנימיים כדי להתייצב ולפונקציונליות של השעון הפנימי לשוב ולתפקד כאשר ההתקן נדלק שוב. במהלך פרק זמן זה, נתוני ההמרה הנוצרים לא יעמדו במפרטים.
עומס מוצא
כמו כל התקני הפלט הדיגיטליים, התקני ADC – בעיקר התקנים עם יציאת CMOS – מגדירים את יכולת דחף המוצא. אף כי חשוב לדעת נתון זה מסיבות של אמינות, הביצועים האופטימליים יתרחשו בדרך-כלל בפחות ממלוא יכולת הדחף.
ביישומים הדורשים ביצועים גבוהים, חשוב למזער את עומס המוצא ולספק נטילת צימוד הולמת ועריכה אופטימלית כדי למזער את נפילת המתח על ספק הכוח. כדי להימנע מבעיות אלה, מספקים ממירים רבים מוצאי LVDS. מאחר ש-LVDS סימטרי, זרמי מיתוג מצטמצמים והביצועים הכוללים משתפרים. אם יציאות LVDS זמינות, צריך לעשות בהן שימוש כדי להבטיח את הביצועים הטובים ביותר.
 |
| איור 1. ביצועים עם גבול עליון (משמאל) וביצועים עם גבול עליון חלקי (משמאל) |
מונוטוניות
ממיר לא-מונוטוני הוא כזה שבו הקודים הדיגיטליים מפגינים שינוי מקומי בסימן השיפוע. לפיכך, בקלט אנלוגי הגדל ללא הרף, המוצא הדיגיטלי מפגין שינוי מקומי בשיפוע מחיובי לשלילי ובחזרה לחיובי. ביישומים שבהם ביצועי AC חשובים, סביר להניח כי התנהגות לא-מונוטונית לא תגרום לבעיה. עם זאת, ביישומים שבהם ADC הוא חלק מחוג סגור, התנהגות כזאת יכולה בדרך-כלל לגרום לאי יציבות של החוג ולביצועים דלים. לטובת יישומים כאלה, יש לבחור ממיר בקפידה כדי להבטיח שיש לו ביצועים מונוטוניים.
קריטריונים שלא פורטו
פריט אחד חיוני שאינו מפורט הוא מערך המעגל המודפס. בעוד שניתן לפרט רק מעט בהקשר זה, נתון זה יכול להשפיע באופן משמעותי על ביצועי הממיר. אם היישום אינו כולל מספיק קבלים נוטלי-צימוד, לדוגמה, יופיע רעש עודף שמקורו בספק הכוח. בגלל ה-PSR הסופי, רעש על הספקים יצומד לתוך הכניסות האנלוגיות וישחית את ספקטרום המוצא הדיגיטלי, כפי שניתן לראות באיור 1.
בראד בראנון הוא מהנדס יישומי מערכות ב-Analog Devices