111
LIRMM Convertisseurs Analogique/Numérique & Convertisseurs Numérique/Analogique Serge Bernard Remerciements: P. Cauvet Ophtimalia– J.M. Dutertre ENSICAEN

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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

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LIRMM 2

Introduction : ApplicationsIntroduction : Applications

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LIRMM 3

Plan du coursPlan du cours

IntroductionCAN

Echantillonnage QuantificationCodageArchitectures

CNAArchitectures

Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires

Caractéristiques des convertisseursTest des convertisseurs

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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LIRMM 16

CAN : EchantillonnageCAN : Echantillonnage

windowed

not-windowedM = 211.1N = 1000

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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

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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

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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

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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

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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

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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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LIRMM 29

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

Convertisseur Pipeline 1/2

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LIRMM 30

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

Convertisseur Pipeline 2/2

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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

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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

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LIRMM 33

F&I : Cellule de base 2/6

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

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LIRMM 34

F&I : flash classique 3/6

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

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LIRMM 35

Architectures : Folding principle 4/6

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

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LIRMM 36

F&I : Interpolation Principle 5/6

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

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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

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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

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LIRMM 39

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

Convertisseur ∑-∆ 1/2

1ère Etape => Suréchantillonnage

Neffectif = N+ K/4

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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

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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

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LIRMM 42

Architectures vs application areas

CAN : ArchitecturesCAN : Architectures

Audio Video Imaging Telecom Instrument

Flash Multistep Folding SAR Sigma-delta

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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

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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

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LIRMM 45

Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs

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LIRMM 46

Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs

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LIRMM 47

Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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LIRMM 62

CNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitairesCNA : Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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LIRMM 71

Plan du coursPlan du cours

IntroductionCANCNAExemple de CNA 8 bits à sources unitaires

Caractéristiques des convertisseursTest des convertisseurs

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LIRMM 72

Caractéristiques des ConvertisseursCaractéristiques des Convertisseurs

Paramètres Dynamiques

ParamètresStatiques

Performancesde

l’échantillonnage

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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LIRMM 87

Plan du coursPlan du cours

Introduction

CAN

CNA

Exemple de CNA 8 bits à sources unitaires

Caractéristiques des convertisseurs

Test des convertisseurs

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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

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LIRMM

andWireless Digital

ContexteContexte

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LIRMM

Complex system block diagramComplex system block diagram

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LIRMM

Digital components to implement software applications

Complex system block diagramComplex system block diagram

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LIRMM

Analog/RF components to transmit and receive the data

Complex system block diagramComplex system block diagram

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LIRMM

Converters (DACs ADCs) to interface both domains

Complex system block diagramComplex system block diagram

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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

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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

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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

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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

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LIRMM 98

Test du battement de fréquenceSignal d’entrée

Echantillonnage

Signal reconstitué

Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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LIRMM 105

Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N

Test par histogramme

Temps

Entrée Analogique

Cod

ede

sor

tie

Histogramme

FSH(i)

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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

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LIRMM 107

Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N

Test par histogramme

Temps

EntréeAnalogique

Codede sortie

Histogramme

VT3 FS

2A

H(i)

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LIRMM 108

Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N

Test par histogramme

Temps

EntréeAnalogique

Codede sortie

Histograme

VT3 FS

2A

H(i)

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LIRMM 109

Test des Convertisseurs A/NTest des Convertisseurs A/N

Test par histogramme

Temps

EntréeAnalogique

Codede sortie

Histogramme

VT3 FS

2A

H(i)

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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

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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