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DESIGN ELEKTRONIK 04 2022 26 www designelektronik de Halbleiter | A D-Wandler der schrumpfenden Reserven beim Signalhub im Voltage-Mode-Schaltungen im Current Mode Doch auch wenn eine feste Obergrenze im Strombereich nicht immer sofort ersichtlich ist sind Ströme und Spannungen durch endliche Knotenimpedanzen aneinander gebunden Die ursprünglichen Randbedingungen für die Verarbeitung von Signalen im Voltage Mode führten unweigerlich zu ähnlichen Herausforderungen bei Current-Mode-Systemen Ferner arbeiten viele Signalquellen Sensoren und Aktuatoren im Voltage-Mode-Betrieb sodass die Spannungs Stromund Strom Spannungswandler unvermeidbar zu neuen Engpässen werden Inzwischen hat sich die Geschwindigkeit mit der die Versorgungsspannungen verringert werden verlangsamt Das Pro blem der Spannungsreserve bleibt dennoch bestehen Entwickler von Analogschaltungen haben begonnen sich mit einer weiteren analogen Variable zu beschäftigen die man zur Darstellung und Verarbeitung von Informationen verwenden könnte Zeitintervalle Bei Schaltungen wie PLLs Phase Locked Loops oder DLLs Delay Locked Loops die im Zeitbereich arbeiten handelt es sich um ausgereifte Architekturen Bahnbrechende Arbeiten bei Time-Domain-Wandlern lassen sich bis zu den Anfängen vor einigen Jahrzehnten zurückverfolgen Zeit Digital-Wandler TDCs und Digital Zeit-Wandler DTCs sind zu wichtigen Funktionsblöcken für digitale und semidigitale Timing Taktsysteme geworden » Schaltungsprimitive TDCs DTCs Zwei der wichtigsten analogen Schaltungsprimitive für die Verarbeitungszeit sind der CMOS-Inverter und das flankengetriggerte D-Flip-Flop DFF Die von TDCs DTCs verarbeiteten Signale im Spannungs-Strombereich verlaufen im Allgemeinen annähernd rechteckig oder insbesondere bei hohen Frequenzen verzerrt sinusförmig Allerdings ist nicht die Signalform entscheidend Entscheidend ist wann solche Signale vorher festgelegte Schwellwerte überschreiten und damit den Zeitpunkt des Übergangs von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 bestimmen Der Übergang wird als Nulldurchgangszeit bezeichnet In TDCs DTCs ist der CMOS-Inverter oft stromlos damit seine Gate-Verzögerung mit einem Steuerstrom I Coder einer Steuerspannung V Ceingestellt werden kann Er wird zur Realisierung einer spannungsgesteuerten Verzögerungseinheit VCDU verwendet Bild 2 Am Eingang befindet sich ein Signal Ø in am Ausgang ein Signal Ø out Die Steuervariable in diesem Beispiel ist V Cund sie kann sich auf die Netto-Gate-Verzögerung ∆Taus - wirken Die Kleinsignalverstärkung G Ø am Ruhepunkt der Spannungs Zeit-Kennlinie der VCDU bestimmt die Fähigkeit dieses Primitivs Zeit zu verarbeiten VCDUs wie die in Bild 2 oder andere insbesondere solche in differenzieller Form sind Funktionsblöcke für Ringoszillator-VCOs und spannungsgesteuerte Verzögerungsleitungen die dann zur kontinuierlichen Verarbeitung von Zeitsignalen verwendet werden Das andere Zeitbereichs-Primitiv ist das flankengetriggerte D-Flip-Flop DFF gemäß Bild 3 Es kann als analoges Primitiv verwendet werden um eine Komparatorfunktion zu realisieren da es bei zwei Impulsen zum Beispiel Ø in und Ø ref die an seinen D-Eingang beziehungsweise seinen Takteingang angelegt werden Bild 3 an seinem Q-Ausgang eine logische 1 liefert wenn Ø in vor Ø ref liegt Ø in < Ø ref und andernfalls eine logische 0 Ø in ≥ Ø ref Die VCDU und das DFF können dann zum Aufbau von TDCs und DTCs verwendet werden Ein einfaches Beispiel ist der in Bild 4 dargestellte Time-Domain-Flash-A D-Wand - ler Hier wird die Gate-Verzögerung ∆Tder VCDU herangezo - gen um die Schwellenwerte des Time-Domain-Komparators festzulegen was somit die Quantengröße und die Nennauflösung des Wandlers bestimmt Feinere Quanten können durch Phaseninterpolation zwischen den Ausgängen zweier Verzögerungselemente oder durch Verwendung eines gleitenden »Time Veneers« erzielt werden welches durch Einführung einer zweiten zeitverschobenen servound spannungsgesteuerten Verzögerungsleitung entsteht Diese Techniken bringen jedoch zusätzliche Komplexität Flächenbedarf Leistungsaufnahme Rauschen und Linearitätsprobleme mit sich die sorgfältig zu handhaben sind Eine andere gängige Möglichkeit zur Entwicklung eines TDCs besteht darin einen Ringoszillator-VCO mit VCDUs aufzubauen Das analoge Spannungseingangssignal wird zur Steuerung der VCDUs verwendet sodass die Oszillatorfrequenz des VCOs vom zu digitalisierenden Eingangssignal abhängt Ein Zähler oder ein Array von DFFs die mit den Ausgangsphasen des Ringoszillators verbunden sind wird dann verwendet um die Oszillatorfrequenz auf eine digitale Darstellung des analogen Eingangs abzubilden Modernere »VCOADC«-Architekturen nutzen solche VCOs als Quantisierer die in Zeitbereichsoder klassische Spannungsbereichs-Delta Sigma-Modulatoren eingebettet sind » Funktionieren TDCs also? Wie gut sind TDCs im Vergleich zu herkömmlichen ADCs? Die Kurven für den Apertur-Jitter und die Energie für alle A D-Wandler traditionell und Time Domain zeigt Bild 5 für alle auf der ISSCC und dem VLSI-Symposium in den letzten zwanzig Jahren veröffentlichten Beiträge In beiden Kurven sind die TDCs als schwarze Quadrate eingezeichnet Auch eingezeichnet sind hybride TDCs Damit gemeint sind A D-Wandler-Architekturen die herkömmliche spannungsgesteuerte Schaltkreise und Time-Domain-Sub-Blöcke enthalten Außerdem liegen die neuesten Datenpunkte näher an den Geraden für den Stand der Technik niedrige Jitter-Werte Bild 4 Ein Flash-TDC Bi ld Ana lo g Dev ic es