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La elección correcta de ventilador

Los circuitos de los controladores para la entrada analógica del ADC, no el ADC en sí, se han convertido en un factor limitante a la hora de determinar la precisión general de circuitos. En primer lugar, la circuitería del controlador debe amortiguar la señal de entrada y proporcionar ganancia. Además, debe cambiar niveles o convertir una señal con referencia a masa en una señal completamente diferencial para satisfacer el rango de voltaje de entrada así como los requisitos del modo común del ADC. Todo ello debe ser hecho sin añadir ninguna distorsión a la señal original. Este artículo presenta un circuito para un amplificador de ADC sencillo que convierte una señal de entrada con referencia a masa de ±10V en una señal diferencial completa capaz de controlar el LTC2377-20 SAR ADC de 20 bits con un error de linealidad combinada de solo 2ppm. También se examinan aquí diferentes opciones para proporcionar una impedancia de entrada más alta y una corriente de alimentación general más baja.

Descripción del circuito

El circuito de la Figura 1 convierte una señal con referencia a masa de ±10V en la señal diferencial completa de ±5V que el LTC2377- 20 (U1) requiere. El LTC2377-20 es un ADC SAR de baja potencia, 20 bits y 500ksps con una no-linealidad integral típica (INL por sus siglas en inglés) de ±0,5ppm. El voltaje a AIN es amortiguado por el U4, que a su vez controla la cadena de resistencias del U5 actuando así como un divisor de precisión. El U3 opera en una ganancia de menos una media y controla el centro de la cadena de resistencias del U5 para mantener el voltaje en modo común del ADC a VREF/2. El U3 y el U4 son LT1468A, unos amplificadores operacionales altamente lineales de baja derivación. El U5 es una red cuádruple de resistencias igualadas LT5400A con un desajuste garantizado máximo del 0,01%. Los valores de las resistencias igualadas en el U5 son importantes porque cualquier desajuste contribuye tanto a una desviación como a un error de fondo de escala en este circuito. Por esta razón y debido a su coeficiente de voltaje extremadamente bajo, no se deben usar resistencias discretas en vez del LT5400A. El R4 ofrece un ajuste de un cuarto de escala a la salida del U3. El R1 y R2 forman un divisor que fija la entrada no invertida del U3 a VREF/2. El R5 y R6 establecen la ganancia del amplificador invertido U3 a -0,5. El C10 y C12 combinados con las resistencias del U5 forman filtros de 1,4MHz en las entradas del ADC. Asimismo, la resistencia entre los pines 1 y 8 del U5 ayudan a aislar la salida del U4 del pico de carga que aparece cuando el ADC cambia del modo de suspensión al modo de muestreo. El LTC6655A-5 (U2) es seleccionado como referencia para este circuito debido a su habilidad para establecerse rápidamente después de los transitorios que ocurren en el pin REF durante las conversiones y debido a su bajo ruido.

Rendimiento del circuito

El rendimiento AC típico de este circuito incluye THD de -123,5dB y SNR de 102,7dBFS con una tasa de muestreo de 500ksps y una señal de entrada de 100Hz. Este comportamiento se puede ver en el FFT de la Figura 2. Los rendimientos THD y SNR están cerca de las cifras típicamente encontradas en la hoja de datos del LTC2377-20 e indican una degradación de rendimiento mínima al usar este circuito. El comportamiento de linealidad típica para el circuito combinado sobre todo el rango de señal de entrada de ±10V, como se muestra en la Figura 3, es de +2ppm, -1,3ppm con una tasa de muestreo de 500ksps. La linealidad está limi- tada por el INL del ADC y el CMRR del amplificador operacional U4. La derivación combinada de la entrada del ADC, incluyendo las contribuciones del U4, U5 y U1, se mide a +50μV. La derivación del U3 no tiene ningún efecto en la derivación de este driver. El análisis del peor caso de derivación de la entrada del ADC es calculado añadiendo la derivación máxima del U1, U4 y U5: VOS(MAX) = 13ppm • 10μV/ppm + 75μV/2 + (5/2 – 5/(2.0001)) • 1E6μV VOS(MAX) = 292μV = 29.2ppm El LT1468A tiene una corriente de desviación de entrada máxima de ±40nA. Para aplicaciones que necesitan una impedancia de entrada más alta, el U4 puede ser reemplazado por el LT1122A. El LT1122A es un amplificador operacional de entrada JFET y rápido tiempo de establecimiento con una corriente de desviación de entrada máxima de 75pA. Al usar el LT1122A en este circuito, el INL es +6ppm, -1,1ppm, como se muestra en las comparaciones de rendimiento del amplificador operacional en la Tabla 1. El ADC del LTCC2377-20 tiene una corriente de alimentación típica de 4,2mA con su plena tasa de muestreo de 500ksps. El LTC2377- 20 se desconecta automáticamente después de una conversión y no se vuelve a conectar hasta el comienzo de la siguiente conversión. Esta función de auto-apagado reduce la disipación de potencia del ADC al tiempo que la tasa de muestreo se reduce hasta 1μA para aplicaciones con tasas de muestreo muy bajas. Para aplicaciones con tasas de muestreo bajas en las que la corriente de alimentación es importante, la corriente máxima de alimentación de 5,2mA del LT1468A puede resultar demasiado alta. El amplificador operaciónal LT1012A y su corriente de entrada de picoamperios, su desviación de microvoltios y bajo ruido con una corriente de alimentación máxima de 500μA a ±15V puede reemplazar al LT1468A para este tipo de aplicaciones. Con tasas de muestreo de hasta 125ksps, el LT1012A consigue una linealidad del +0,9ppm, -0,5ppm como se muestra en las comparación de rendimiento del amplificador operacional en la Tabla 1. En tasas de muestreo por encima de los 125ksps, el rendimiento del INL comienza a degradarse, dado que el amplificador operacional no se puede establecer lo suficientemente rápido para controlar de forma precisa el ADC.

Conclusión

El circuito del driver de ADC mostrado aquí convierte una señal con referencia a masa de ±10V a una señal diferencial completa de ±5V para el LTC2377-20 ADC SAR de 500ksps. El rendimiento de circuitos combinados consigue una desviación de 50μV, INL de 2ppm, un SNR de 102,7dBFS y un THD de -1223,5dB. El controlador consiste principalmente en dos amplificadores operacionales LT1468A y un conjunto de resistencias igualadas LT5400A. Versiones alternativas de este circuito usan el operacional LT1122A para proporcionar 75pA de corriente de entrada máxima o el operacional LT1012A con tasas de muestreo reducidas para disminuir la corriente de alimentación. El DC2135, una placa de demostración que es una versión de este circuito está disponible en Linear Technology.  



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