Ein ADC wandelt lediglich ein analoges Signal in ein digitales um. Warum haben wir dann spezielle ADCs für Audio- und Videoanwendungen? Was wäre, wenn man stattdessen einen Allzweck-Operationsverstärker verwenden würde?
Ein ADC wandelt lediglich ein analoges Signal in ein digitales um. Warum haben wir dann spezielle ADCs für Audio- und Videoanwendungen? Was wäre, wenn man stattdessen einen Allzweck-Operationsverstärker verwenden würde?
Antworten:
Erstens denke ich, dass Sie das Wort "nur" sehr leichtfertig verwenden. ADCs sind einige der komplexesten und herausforderndsten Mixed-Signal-Systeme, die derzeit verwendet werden. Um unterschiedliche Leistungsziele zu erreichen, verwenden praktische ADCs viele verschiedene Architekturen (die derzeit wichtigsten sind Sigma-Delta, SAR und Pipelined).
Das ADC-Design zeichnet sich durch sehr schmerzhafte Kompromisse zwischen Geschwindigkeit, Genauigkeit, Rauschen und Verlustleistung aus. Wenn Sie beispielsweise den SNDR eines ADC mit begrenztem thermischen Rauschen um ein Bit erhöhen, wird die Leistung ungefähr um das Vierfache erhöht (da das Rauschen proportional zu sqrt (C) ist).
Bei der ersten Bestellung (und das ist SEHR rau) kann man sich vorstellen, dass das Geschwindigkeitsgenauigkeitsprodukt eines ADC konstant ist. Um einen ADC sehr genau zu machen, muss er langsam sein. Umgekehrt haben die schnellsten ADCs (jetzt mit 40 GS / s und darüber hinaus) sehr niedrige Auflösungen (4 - 6 Bit oder so). Dies ist auf eine Kombination von Faktoren zurückzuführen, wie z. B. Überabtastung (Mehrfachabtastung und Mittelwertbildung), die die Geschwindigkeit verringert, und die Fähigkeit von Abtast- und Halteschaltungen, Signale mit der erforderlichen Genauigkeit zu erfassen (z. B. ein 10-Bit-Abtast- und -hold muss das Eingangssignal mit einer Genauigkeit von ca. 0,1% abtasten. Ein 16-Bit-Sample-and-Hold muss den Eingang mit einer Genauigkeit von ca. 0,001% (!) abtasten. Die Genauigkeit, nämlich das Einstellen des Signals, benötigt Zeit.
Ein Audio-ADC hat also typischerweise 16 bis 24 Bit und eine effektive Abtastrate von 44 kHz bis 96 kHz oder mehr. (Denken Sie daran, dass der ADC aufgrund der Sigma-Delta-Modulation VIEL schneller abtastet.)
Ein Video-ADC besteht normalerweise aus 8-12 Bit (manchmal 14b) und Abtastwerten zwischen 10 und 40 MHz.
Ein ADC in einem Gb-Ethernet-Chip entspricht eher 6 - 8 Bit bei 125 MHz.
Ein ADC in einem 10-Gbit-Ethernet-Chip entspricht eher 6 bis 8 Bit bei 1,25 GHz.
Ein ADC für einen DDR4-Transceiver oder einen Radarempfänger kann eher 4 Bit bei 10 GHz sein.
Und so weiter. Der Grund, warum es so viele ADCs gibt, ist, dass es so viele Stellen im Parameterraum gibt. Interessieren Sie sich für Lärm? Es wird dich kosten. Interessiert dich Macht? Es wird dich kosten.
Ein Allzweck-ADC ist ein Gleichgewicht verschiedener Faktoren, das in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet wird, jedoch nicht mit extremer Geschwindigkeit oder Genauigkeit arbeiten kann.
Von einem Allzweck-ADC wird erwartet, dass er alle Arten von Frequenzinhalten von DC bis zu seiner Bandbreitengrenze recht gut erfasst. Die Genauigkeit bei der Aufzeichnung eines bestimmten Frequenzinhalts sollte durch das Vorhandensein anderer Frequenzinhalte nicht beeinträchtigt werden.
Es wird erwartet, dass ein Audio-ADC einigermaßen gut bei der Erfassung von Audiosignalen in einem Bereich funktioniert, der sich nicht auf Gleichstrom erstreckt und normalerweise nicht so hoch ist wie bei vielen Allzweck-ADC-Geräten. Während die Genauigkeit, mit der ein Allzweck-ADC Inhalte mit einer Frequenz erfassen kann, von anderen Frequenzen nicht beeinflusst werden sollte, ist dies bei Audio-Frequenzen weniger wichtig. Das Verhältnis zwischen dem lautesten zulässigen Signal und der Menge an Rauschen auf dem leisesten erkennbaren Signal sollte hoch sein, aber es ist oft akzeptabel, dass das Verhältnis zwischen dem lautesten Signal und der Menge an Rauschen, die auf diesem Signal vorhanden wäre, viel geringer ist.
Ein Video-ADC muss viel schneller arbeiten als viele Allzweck- oder Audiogeräte, erfordert jedoch häufig keine besonders guten Spezifikationen für die Linearität. Während die Verzögerung zwischen einem am Eingang eines Allzweck-ADC auftretenden Signal und seiner Weitergabe an den Ausgang normalerweise nicht mehr als zwei Abtastzeiten beträgt, kann diese Zeit auf einem Video-ADC länger sein. Wenn ein ADC in einem Regelkreis verwendet wird, ist es wichtig, die Verzögerung durch den ADC zu minimieren. Wenn jedoch eine Verzögerung akzeptabel ist, kann die Hardware des ADC vereinfacht werden. Ein 6-Bit-ADC, der "sofortige" Ergebnisse liefern muss, benötigt 63 Komparatoren, und ein 8-Bit-ADC benötigt 255. Ein solches Design wird als "Flash" -ADC bezeichnet, und die Kosten für Flash-ADCs steigen exponentiell mit der Auflösung. Wenn man keinen ADC braucht, um schnell zu sein,
Ein moderner Video-ADC wird als Kreuzung zwischen den beiden Ansätzen fungieren. Jede bestimmte Probe muss in mehreren Schritten durch verschiedene Teile des ADC verarbeitet werden, aber verschiedene Teile des ADC können alle gleichzeitig arbeiten. Sobald die erste Stufe eines Pipeline-ADC eine Probe an die zweite Stufe übergibt, kann sofort mit der Arbeit an der nächsten Probe begonnen werden. Es muss nicht warten, bis die verbleibenden Phasen ihre Arbeit an der ersten Probe beendet haben. Ein Video-ADC benötigt möglicherweise 125 ns, um eine Probe zu verarbeiten, und kann dennoch 64 Millionen Proben pro Sekunde verarbeiten. Die Tatsache, dass Daten aus der ersten Stichprobe erst verfügbar sind, nachdem acht weitere eingetroffen sind, ist ein winziger Preis für die Anzahl der einfachen Stufen und nicht für eine wirklich massive.
ADC für allgemeine Zwecke - Dies sind die allgemeinen ADCs für Mühlen, die Sie für Ihre Wägezelle, Ihren Temperatursensor usw. verwenden würden. Sie kommen Single-Ended und Differential, alle Arten von
Audio-ADC - Es gibt zwei Dinge, die Audio-ADCs zu etwas Besonderem machen können. Erstens haben sie normalerweise AC-gekoppelte Eingänge, was bedeutet, dass sie anstelle eines Bereichs von 0 bis 5 V einen Bereich von -2,5 bis 2,5 V haben. Die meisten dieser Tage werden 24-Bit sein. Meistens verfügen sie über eine I2S-Schnittstelle und einen integrierten DAC für jeden ADC.
Video-ADC - Betrachten Sie alte 640x480-VGA-Signale der alten Schule. Es hatte einen 25-MHz-Pixeltakt. Video-ADCs müssen wahnsinnig schnell sein.
Im weitesten Sinne geht es hauptsächlich um Bandbreite und Quantisierungstreue.
Audio erfordert Konvertierungsraten mit relativ niedriger Geschwindigkeit (z. B. 44,1 kHz), normalerweise jedoch eine Auflösung von 16 Bit oder mehr.
Video hat weitaus höhere Konvertierungsraten (mehrere MHz), aber normalerweise eine viel niedrigere Auflösung - beispielsweise 8, 10 oder 12 Bit pro Farbkanal (RGB).
Es gibt andere Anwendungen, bei denen auch ein "Audio" - oder "Video" -ADC geeignet ist.
Für diese Art von Anwendungen (und andere) ist es wichtig, dass die ADCs mehrere Kanäle gleichzeitig abtasten (z. B. links + rechts Audio oder RG & B-Video), wodurch sich die Anzahl der im System / auf dem System benötigten ADCs im Wesentlichen verdoppelt / verdreifacht Chip (was natürlich teurer ist), während "Allzweck" -ADCs oft NICHT in der Lage sind, mehrere Kanäle gleichzeitig abzutasten, sind sie nur ein einziger ADC mit einem Multiplexschalter vor sich, um den gewünschten Kanal auszuwählen - wenn Sie also Wenn Sie alle 4 Kanäle abtasten möchten, probieren Sie # 1, dann # 2, dann # 3 und dann # 4. Wenn Ihnen dieser zeitliche Unterschied zwischen der Probenahme keine Rolle spielt, ist diese Art von ADC mit mehreren Eingängen in Ordnung.
Die Operationsverstärker, die an der Front-End-Analogschaltung von ADCs beteiligt sind, sind wiederum für eine Reihe von Parametern spezifiziert, die der Bandbreite und Amplitude der zu manipulierenden Signale entsprechen - GainBandwidth-Produkt, Eingangsoffsetspannung, Spannungsbereiche, Linearität usw. Der Begriff "Allzweck" -Operverstärker ist zwar etwas mittelgroß, bedeutet aber im Grunde, dass er sich in keiner bestimmten Spezifikation auszeichnet. Ob dies für eine bestimmte Anwendung gut genug ist oder nicht, muss vom Designer berechnet werden.
Bearbeiten: Außerdem verfügen viele ADCs über Differenzeingänge, für die normalerweise Differential-Operationsverstärker erforderlich sind.