Kevin Tretter, Ingeniero Superior de Marketing de Productos, Microchip Technology inc.
Como su nombre indica, los, convertidor analógico-digital (ADC) son amplificadores especiales diseñados específicamente para trabajar con los ADC, incluidas las arquitecturas basadas en aproximación sucesiva, pipelines y delta-sigma. Estos amplificadores especiales son componentes de circuito críticos que permiten que el ADC funcione a pleno rendimiento, como se analizará en las siguientes secciones.
¿Qué es un controlador de convertidor analógico-digital y por qué lo necesito?
Como su nombre indica, los convertidor analógico-digital (ADC) son amplificadores especiales diseñados específicamente para trabajar con los ADC, incluidas las arquitecturas basadas en aproximación sucesiva, pipelines y delta-sigma. Estos amplificadores especiales son componentes de circuito críticos que permiten que el ADC funcione a pleno rendimiento, como se analizará en las siguientes secciones. La necesidad de acondicionamiento de señales analógicas, incluidos los ADC, sigue creciendo a medida que los sensores son cada vez más abundantes en diversos mercados finales. Estos mercados finales incluyen:
- Comunicaciones
- Medicina
- Consumo
- Industrial
- Automoción
En el caso de los ADC, la tendencia del mercado es hacia dispositivos de mayor resolución y velocidad a medida que el coste de estas soluciones se hace más asequible.
Comprendiendo las entradas ADC
Antes de hablar de las funciones técnicas que requiere un controlador ADC, es necesario hacer un breve repaso de la arquitectura de entrada de los ADC actuales. Una señal diferencial puede definirse como dos nodos que tienen señales iguales pero opuestas alrededor de un punto fijo (el nivel de modo común). Los dos nodos de señal suelen denominarse positivo y negativo (no inversor e inversor), como se muestra en la figura 1.
En el ejemplo anterior, la tensión de entrada a escala completa es de 5V pico a pico de forma diferencial, con cada tramo oscilando 2,5V pico a pico. El nivel de modo común en este ejemplo es de 2,5V. La mayoría de los ADCs actuales de alto rendimiento implementan una arquitectura de entrada diferencial, ya que proporciona un rendimiento superior (en relación con las entradas de un solo extremo). Estas ventajas de rendimiento incluyen la capacidad de rechazar el ruido de modo común y las señales de interferencia comunes y un aumento de 6 dB (o un factor de 2) en el rango dinámico.
Los ADC pueden suponer un reto especialmente difícil para los diseñadores de sistemas, ya que ofrecen una variedad de arquitecturas de muestreo de entrada diferentes que deben considerarse a nivel de sistema. Para los fines de esta discusión, nos centraremos en los ADC que utilizan una estructura de condensadores conmutados para realizar el muestreo de entrada. En su forma más básica, esta estructura de entrada se compone de un condensador relativamente pequeño y un interruptor analógico, como se muestra en la Figura 2 a continuación.
Cuando el interruptor está configurado en la posición 1, el condensador de muestreo se carga hasta la tensión del nodo de muestreo, en este caso VS. A continuación, el interruptor se coloca en la posición 2, donde la carga acumulada en el condensador de muestreo se transfiere al resto de los circuitos de muestreo. El proceso vuelve a empezar.
Una entrada de condensador conmutado no regulada, como la descrita anteriormente, puede causar importantes problemas a nivel de sistema. La corriente necesaria para cargar el condensador de muestreo a la tensión adecuada debe ser suministrada por el circuito externo conectado a la entrada del ADC. Cuando el condensador se conmuta al nodo de muestreo (posición del interruptor 1 en la Figura 2), se requerirá una gran cantidad de corriente para comenzar a cargar el condensador. La magnitud de esta corriente instantánea es una función del tamaño del condensador de muestreo, la frecuencia a la que se conmuta el condensador y la tensión presente en el nodo de muestreo. Esta corriente de conmutación puede describirse mediante la siguiente ecuación:
En el ejemplo anterior, C es la capacitancia del condensador de muestreo, V es la tensión presente en el nodo de muestreo (en este ejemplo denotado como VS), y f es la frecuencia a la que se enciende y apaga el conmutador de muestreo. Esta corriente de conmutación da lugar a elevados picos de corriente en el nodo de muestreo, como se ilustra en la Figura 2.
Las implicaciones de esta corriente de conmutación deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar los circuitos analógicos delante del convertidor A/D. Como esta corriente pasa a través de cualquier resistencia, se producirá una caída de tensión, lo que dará lugar a un error de tensión en el nodo de muestreo del convertidor A/D. También puede producirse una distorsión si el nodo de entrada no se asienta completamente antes del siguiente ciclo de muestreo.
Solución: Controladores ADC
Mantener la integridad de la señal del sensor necesaria para aprovechar al máximo estos ADC de mayor resolución y velocidad se convierte en un gran reto. A medida que aumenta la resolución y la velocidad del ADC, los efectos del ruido y la distorsión de la señal del sensor se hacen más notables. A mayores velocidades de muestreo de los ADCs, hay que tener cuidado para asegurar que la señal de entrada se haya asentado antes del evento de muestreo y que las señales de mayor ancho de banda no se solapen en el ancho de banda de la señal de interés.
Para superar estos retos de acondicionamiento de la señal, muchas aplicaciones ADC requieren un controlador ADC que proporcione suficiente asentamiento y anti-solapamiento. Como se ha descrito anteriormente, la mayoría de los ADCs modernos implementan una arquitectura de entrada diferencial. Una de las principales funciones del controlador del ADC es proporcionar una conversión de extremo único a diferencial de la señal entrante.
Otra función del controlador del ADC es amortiguar la señal de entrada, aislando así el resto de la circuitería de la inyección de carga en el nodo de entrada del ADC. El controlador del ADC proporciona una carga instantánea para asegurar que el nodo de muestreo se asienta dentro del tiempo de pista, minimizando así cualquier distorsión relacionada con el asentamiento.
La mayoría de los amplificadores del controlador del ADC también proporcionan un pin de hardware que permite al usuario nivelar la tensión de modo común. Esta característica es ideal para asegurar que la señal diferencial resultante se centra dentro del rango de tensión de entrada del ADC, maximizando así el rango dinámico.
Por último, al igual que la mayoría de los componentes de amplificación, los controladores de ADC pueden proporcionar amplificación de la señal de entrada, así como filtrado activo. Hay que tener en cuenta que la mayoría de los controladores de ADC están especificados con una ganancia relativamente baja, normalmente ganancias de sólo 1 o 2 V/V. Al mantener la ganancia de bucle cerrado del amplificador baja, la ganancia de bucle se maximiza, lo que resulta en la menor distorsión. Por ejemplo, si un amplificador tiene una ganancia en bucle abierto de 100 dB y está configurado para una ganancia en bucle cerrado de 200, o 46 dB, esto deja sólo 54 dB de margen de ganancia en bucle abierto para asegurar la linealidad, o aproximadamente una parte en 500. Por lo tanto, es común tener una etapa de ganancia separada que se encuentra cerca de la fuente de la señal.
Para sacar el máximo provecho de su convertidor de datos, el controlador del ADC debe optimizar el rendimiento al tiempo que añade una distorsión, ruido y errores de tiempo de asentamiento insignificantes a la señal de origen. El controlador diferencial MCP6D11 está diseñado específicamente para maximizar el rendimiento de los ADC de alta velocidad, como el MCP33131, que es un ADC SAR de 16 bits y 1MSPS. Para ver un ejemplo de cómo estos dos dispositivos trabajan juntos para maximizar el rendimiento, consulte la placa de evaluación MCP331x1 (ADM00873).
