Параллельные АЦП (Flash ADC) являются самым быстрым типом АЦП и по принципу действия наиболее простым преобразователем, использующим большое количество компараторов, работающих параллельно. N-разрядный параллельный АЦП состоит из 2N резисторов и 2N-1 компараторов, размещенных, как это показано на рис.12.11. На каждый компаратор подается опорное напряжение, значение которого для соседних точек отличается на величину, соответствующую одному младшему значащему разряду (МЗР) (более старшие разряды — в верхних по схеме элементах). При фиксированном входном напряжении все компараторы, размещенные на схеме ниже некоторой точки, имеют входное напряжение выше опорного напряжения. На их логическом выходе присутствует " 1". У всех же компараторов выше этой точки опорное напряжение больше входного, и их логический выход установлен в "0". Поэтому 2N-1 выходов компаратора ведут себя аналогично ртутному термометру, и выходной код такого АЦП иногда называют «кодом термометра». В действительности, было бы непрактично выводить 2N-1 линий данных наружу, поэтому они преобразуются шифратором в N-разрядный двоичный код.
Рис. 12.11 Параллельный (flash) АЦП
Входной сигнал подается на все компараторы сразу, поэтому "выход термометра" имеет задержку по отношению к входному сигналу, равную задержке только одного компаратора и N-разрядного кодера. Это соответствует задержке нескольких логических элементов, так что процесс преобразования осуществляется очень быстро. Но такая архитектура предполагает использование большого числа резисторов и компараторов, имеет ограничение по максимальной разрешающей способности и, чтобы обеспечить высокое быстродействие, каждый компаратор должен иметь довольно высокий уровень потребления энергии. Следовательно, к проблемам параллельных АЦП относятся ограниченная разрешающая способность, высокий уровень рассеивания энергии вследствие большого количества высокоскоростных компараторов (особенно на частотах дискретизации больших, чем 50 МГц) и относительно большие размеры кристалла и высокая стоимость. Кроме того, для питания быстрых компараторов необходимым током смещения, цепочка опорных резисторов должна иметь низкое сопротивление, чтобы этот источник давал весьма большие токи (> 10 мА).
На практике реализуются преобразователи до 10-разрядов, но обычно параллельные АЦП имеют разрешающую способность, соответствующую 8-разрядам. Их максимальная частота дискретизации может достигать 1 ГГц при ширине полосы пропускания по уровню полной мощности более 300 МГц.
Идеальный компаратор параллельного преобразователя имеет хорошие характеристики и по постоянному, и по переменному току. Поскольку синхронизирующий строб подается на все компараторы одновременно, параллельный преобразователь автоматически реализует схему выборки-хранения на своем входе. На практике существуют различия в задержках компараторов и другие рассогласования по переменному току, которые вызывают уменьшение эффективного числа разрядов на высоких входных частотах. Это происходит потому, что скорость нарастания сигналов непосредственно на входах сопоставима со временем преобразования компаратора.
Вход параллельного АЦП непосредственно подключается к большому количеству компараторов через буферный усилитель. Каждый компаратор имеет изменяющуюся в зависимости от напряжения емкость перехода, и наличие этой емкости, зависящей от сигнала, приводит в большинстве параллельных АЦП к уменьшению эффективного числа разрядов и к большим искажениям на высоких входных частотах.
Добавление одного разряда к общей разрешающей способности параллельного преобразователя требует удвоения количества компараторов! Это ограничивает практическую разрешающую способность высокоскоростных параллельных преобразователей до 8 разрядов, так как при более высоких разрешающих способностях слишком велико выделение тепла.
В 10-разрядном АЦП AD9410 с быстродействием 200 Мб/с для минимизации числа предварительных усилителей в компараторах преобразователя, а также для уменьшения мощности (1,8 Вт), используется метод, называемый интерполяцией. Метод иллюстрируется на рис.12.12. Интерполирующий flash АЦП уменьшает количество предварительных усилителей вдвое.
Рис. 12.12. Интерполирующий АЦП
Предварительные усилители (обозначены "A1", "A2" и т.д.) представляют собой каскады с низким коэффициентом усиления Ku, ширина полосы пропускания которых пропорциональна обратным токам дифференциальных пар. Рассмотрим случай положительного пилообразного входного сигнала, который первоначально меньше опорного напряжения V1 усилителя А1. По мере того, как значение входного сигнала приближается к V1, значение дифференциального выхода А1 приближается к 0 (т.е. А = A) в точке переключения компаратора. Сигнал с выхода A1 подается на дифференциальный вход триггера 1. Пока входные сигналы остаются положительными, выход А также сохраняется положительным, а выход B становится отрицательным. Получаемая в результате интерполяции точка переключения соответствует A = B. Пока входной сигнал остается положительным, третья точка переключения определяется условием B = B. Эта новая архитектура уменьшает входную емкость АЦП и, таким образом, минимизирует ее изменение под действием входного сигнала и связанные с этим искажения. УВХ на входе модели AD9410 улучшает ее линейность по переменному току.
