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Nuevas innovaciones en los CI para conversión de datos

El mundo moderno en el que vivimos va saturándose cada vez más de enormes cantidades de datos, basados en señales tanto analógicas como digitales. Los valores analógicos son típicos de los fenómenos naturales, como la temperatura, la luz, el sonido y la presión. En cambio, la tecnología electrónica se basa en la recepción, el procesamiento y la posterior transmisión de señales digitales. Aunque las señales analógicas y digitales pueden comportarse de forma muy diferente, es frecuente que los sistemas electrónicos incorporen los dos tipos. Las señales se originan en el mundo real y tienen que volver a él para que los humanos las perciban e interactúen con ellas. Para eso se necesitan los conversores de datos, tanto de tipo analógico a digital (ADC) como de tipo digital a analógico (DAC), que a menudo van acompañados de acondicionamiento de la señal con el fin de poder prepararla para la siguiente etapa de procesamiento. Las formas de ondas analógicas varían continuamente en frecuencia y amplitud a lo largo del tiempo, y están representadas por un conjunto de valores potencialmente infinito. Los sonidos que escuchamos y las palabras que vocalizamos cuando hablamos son analógicos. Las imágenes y el vídeo también son analógicos en origen, y nuestros ojos, que son sofisticados sensores analógicos, los traducen en visión.

La medición de los latidos del corazón o el seguimiento de nuestro movimiento implican la captura de señales analógicas y su posterior procesamiento. Por el contrario, la información digital está representada por señales discretas cuantificadas en tiempo y amplitud utilizando bits digitales en formato binario. Este lenguaje digital permite un procesamiento eficiente y un almacenamiento de datos a largo plazo. Como consecuencia, su uso está muy extendido en sistemas informáticos y de telecomunicaciones. El hardware electrónico siempre precisará de interfaces que traduz can las señales del mundo analógico al digital, y viceversa. Por tanto, los ADC y los DAC son componentes fundamentales para los ingenieros. Imaginemos el diseño de un sistema inteligente de control de temperatura de un vehículo. Los equipos de ingeniería que realicen esta tarea necesitarán leer múltiples temperaturas analógicas procedentes de sensores colocados en las diferentes zonas de pasajeros del habitáculo y de sensores externos. Los ADC se utilizarán para convertir esos valores analógicos en una representación binaria, con pasos discretos que el microcontrolador (MCU) del sistema puede procesar.

El MCU combinará esos datos con los comandos y los ajustes introducidos por los ocupantes mediante una interfaz hombre-máquina (HMI). Los valores analógicos de temperatura obtenidos de los ocupantes del vehículo (así como los comandos físicos de la HMI) se convertirán de nuevo en señales digitales mediante un ADC. El MCU utilizará los datos de las señales digitales que se han acumulado para mantener un entorno estable. Los DAC pueden utilizarse para convertir las señales digitales en señales analógicas con el fin de proporcionar retroalimentación a la HMI. De lo contrario, el código binario sería completamente ininteligible para los ocupantes del vehículo.

Progreso tecnológico en el mundo de los conversores de datos

Las innovaciones progresivas en la conversión de datos de estas últimas décadas no solo han permitido avances en el rendimiento (que han resultado beneficiosos para todo, desde las comunicaciones móviles y las imágenes médicas hasta los sistemas audiovisuales de consumo), sino que también han contribuido a generar aplicaciones completamente nuevas. El continuo crecimiento de la demanda de comunicaciones de banda ancha (tanto por cable como inalámbricas) y de aplicaciones de imagen de alto rendimiento (desde imágenes médicas y científicas hasta inspección industrial) sumado a la aparición de la realidad aumentada, la realidad virtual y el reconocimiento facial, entre otras tecnologías, ha generado un mayor énfasis en la conversión de datos de alta velocidad. Los CI de conversión capaces de gestionar anchos de banda de señal superiores a 1 GHz son cada vez más comunes. Para lograr estas velocidades tan avanzadas, se han empleado diferentes arquitecturas de señales mixtas, cada una con unas ventajas operativas concretas.

La potencia de procesamiento y la velocidad de datos más elevadas que proporcionan tecnologías de proceso de un tamaño cada vez más reducido y que permiten fabricar transistores más pequeños capaces de conmutar más rápido (y a menor potencia) nos llevan de forma natural a una conversión más rápida. Como resultado, las señales de banda ancha expanden sus anchos de banda (a menudo hasta los límites de espectro definidos por las leyes físicas) y los sistemas de imagen son capaces de manejar más píxeles para acelerar la representación de contenido visual de mayor resolución. Con la definición de una nueva arquitectura para que los sistemas puedan aprovechar esta potencia extrema de procesamiento, asistimos a una tendencia emergente hacia conversores de datos multicanal, e incluso sistemas definidos por software. En lugar del enfoque convencional basado en realizar gran parte del trabajo de acondicionamiento de la señal en el dominio analógico al identificar, filtrar y amplificar una señal de interés de una emisora de radio (antes de llevar la señal al dominio digital), un enfoque de arquitectura multiportadora podría digitalizar todo el espectro y, a continuación, utilizar el procesamiento digital para identificar, seleccionar y recuperar las señales de interés.

Esto requiere circuitos más sofisticados, pero ofrece importantes ventajas, puesto que permite la recuperación simultánea de varias emisoras. En la práctica, la combinación de un digitalizador de banda ancha con un potente procesador y un conversor de datos de alta velocidad y alto rendimiento da lugar a una radio definida por software capaz de recuperar cualquier tipo de señal, lo que en el ámbito del procesamiento de señales equivaldría a la virtualización. Analog Devices (ADI) ha presentado recientemente el primero de una nueva línea de conversores de RF diseñados para aplicaciones de gran ancho de banda, como estaciones base de comunicaciones inalámbricas multibanda 4G/5G, sistemas de pruebas de producción multiestándar y electrónica para el sector de defensa. Basado en la tecnología CMOS de 28 nm, el AD9213 proporciona una potente combinación de velocidad, ancho de banda y rango dinámico.

Su mayor rendimiento paramétrico, su superior ancho de banda de Nyquist y sus capacidades de muestreo de RF a frecuencias de entrada analógicas más altas que los ADC de RF convencionales permiten la digitalización de señales de RF de hasta 7 GHz. Diseñado para hacer realidad la próxima generación de sistemas definidos por software en aviónica, instrumentación y comunicaciones, favorece una mayor integración de los sistemas y un menor consumo de energía. El AD9213 proporciona a los ingenieros aeroespaciales y de defensa la capacidad de procesar grandes secciones de espectro en aplicaciones de vigilancia electrónica, así como una mayor resolución y un mayor alcance en sistemas de radar. Los sistemas de radar de antenas en fase de alta densidad, los sistemas de prueba 5G y las comunicaciones por satélite exigen una velocidad de datos más elevada, un mayor ancho de banda y una menor potencia, a lo que a menudo se suman limitacion es en cuanto al tamaño del circuito impreso. El ADC de banda ancha ADC12DJ3200 de Texas Instruments ofrece una velocidad de muestreo ultrarrápida de 6,4 GSPS con una resolución de 12 bits. Gracias a su alto rango de frecuencia de entrada analógica, con muestreo directo de RF de hasta 10 GHz (con cobertura de las bandas L, S y C y extendiéndose a la banda X), permite simplificar las arquitecturas de los sistemas y proporciona una mayor agilidad de la frecuencia, al tiempo que reduce la complejidad del filtro, lo que ahorra espacio en la placa y mantiene bajo el número de componentes.

Para los ingenieros que diseñan soluciones de monitorización continua en aplicaciones de tecnología ponible de salud y gimnasios, Maxim ofrece un frontal analógico (AFE) completo de electrocardiograma (ECG) y bioimpedancia (BioZ). Capaz de medir la frecuencia cardíaca, la respiración y las arritmias, el MAX30001 es lo suficientemente pequeño y eficiente como para incorporarlo en prendas de ropa con sensores biológicos para monitorizar y realizar un seguimiento de parámetros de salud de manera ininterrumpida. Este dispositivo de grado clínico cuenta con conversores de datos de alta resolución, que proporcionan un número efectivo de 15,9 bits con un ruido de 3,1 μVPP (típico) para medidas de ECG y un número efectivo de 17 bits con un ruido de 1,1 μVPP (típico) para medidas BioZ. Silicon Labs ha introducido los primeros ADC aislados de 10 bits del sector diseñados específicamente para las necesidades de monitorización de las líneas de suministro.

Los dispositivos de la familia Si890x emplean la tecnología de aislamiento digital basada en CMOS patentada por la empresa. La integración de las funciones de ADC y de aislamiento proporciona una solución de tamaño mucho más pequeño y compacto que la que podrían ofrecer los transformadores convencionales. Cada entrada del ADC dispone de un multiplexor analógico de 3 canales, que permite a un único Si890x monitorizar hasta tres señales diferentes (normalmente tensión y corriente de red de CA, junto con el tercer canal que sirve de recambio).

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