Los convertidores analógico a digital (ADC) de alta resolución son productos poco comunes. Atienden mercados muy específicos que exigen un alto rango dinámico y una buena precisión de las mediciones, a la vez que ayudan a ofrecer representaciones exactas de las señales del mundo real en entornos de ruido desafiantes. Hasta hace poco, este mercado fue en gran medida atendido por los ADC delta-sigma, dispositivos especializados que deben ser sobremuestreados y que generan tasas de salida de datos muy lentas. En este artículo se presenta un nuevo ADC de registro de aproximación sucesiva (successive approximation register, SAR) que combina una alta resolución con una tasa de muestra alta y un excepcional rango dinámico de 24 bits, que supera el rango dinámico y la precisión de las mediciones de sus pares. Las siguientes aplicaciones son ejemplos de cómo se le puede dar un buen uso a este rango dinámico alto.
Una aplicación médica, como un encefalógrafo, puede requerir la recopilación de señales en presencia de altos niveles de ruido; la actividad eléctrica que se produce en una célula cuando se la estimula, conocida como el potencial de acción, puede variar de 10 uV a 100 mV a frecuencias de 100 Hz a 2 kHz. Si las señales están tapadas por el ruido usted necesita promediar las muestras para resolver la señal, lo cual requiere un ADC con alto rango dinámico.
La sismología y la exploración sísmica son otras aplicaciones exigentes con requisitos comunes. Las señales de los sismómetros y los acelerómetros pueden tener un rango dinámico de 140dB y frecuencias de hasta 100 Hz. La relación señal-ruido (signal-to-noise ratio, SNR) de las señales sísmicas recibidas por los sensores es muy baja debido a la absorción y la atenuación del subsuelo y de las capas profundas durante la propagación de la señal. A raíz de esto, medir estas señales es un verdadero reto.
Un sensor de gas debe poder detectar concentraciones muy bajas de gas, cuya alarma debe activarse a niveles de detección tan bajos como 0,5 ppm. Una alta precisión y un amplio rango dinámico es vital para esta aplicación, no solo a los efectos de asegurar la pronta detección de sustancias químicas tóxicas, sino también para garantizar que las alarmas no se activan innecesariamente.
Las tendencias generales también están elevando las exigencias de la conversión de datos. El movimiento hacia dispositivos portátiles está dando como resultado el aumento de tareas de conversión de datos cada vez más complejas que migran a dispositivos que funcionan con baterías. Los diseñadores deben desarrollar soluciones que utilicen menos espacio y que, de forma simultánea, reduzcan al mínimo el consumo de energía.
Para las tareas de conversión de datos, cada una de las arquitecturas de ADC comunes trae consigo una lista de ventajas y desventajas.
Arquitecturas de los convertidores de datos
El diseño del convertidor analógico a digital implica, sobre todo, una serie de acuerdos. En el caso de los convertidores, mucho depende de cuál sea el objetivo primario: alta resolución, alta velocidad o bajo consumo de energía. Nota: no debe forzosamente elegir las tres.
Para cubrir el espectro completo de los requisitos de las aplicaciones, han aparecido múltiples arquitecturas de ADC en los últimos años, pero hay tres arquitecturas principales en uso hoy en día.
La arquitectura de registro de aproximación sucesiva (successive approximation register, SAR) ha sido tradicionalmente el caballo de batalla, la arquitectura a la que acudir para integrar aplicaciones de convertidor analógico a digital con señales de baja frecuencia. Ofrece la transición entre alta resolución, arquitecturas delta-sigma de baja velocidad y la arquitectura de segmentación de alta velocidad y de menor rendimiento. Por lo general, son de menor costo en comparación con los ADC segmentados y consumen una cantidad modesta de energía. El convertidor de registro de aproximación sucesiva no muestra latencia entre conversiones sucesivas, por lo que es ideal para las muestras de señales multiplexadas o no periódicas.
Los convertidores segmentados utilizan una arquitectura de segmentación secuencial de varias etapas para aumentar la velocidad de muestra. Ellos gobiernan el mercado a tasas de muestra muy altas para adquirir anchos de banda de la señal de ancho de señales a frecuencias más altas de entrada, y en función de cada muestra consumen menos energía en comparación con los veloces ADC de registro de aproximación sucesiva. No son adecuados para manejar las entradas multiplexadas o no periódicas porque tienen que "vaciar la tubería" cada vez que la fuente cambia, lo que añade una latencia considerable. El principal rival del ADC de registro de aproximación sucesiva para aplicaciones de mayor resolución ha sido el convertidor delta-sigma; este se basa en un modulador delta-sigma y un filtro de destrucción digital. En comparación con el registro de aproximación sucesiva, esta arquitectura es lenta y no es precisa. Lo más importante es que el espectro de ruido de un ADC sigma-delta incluye tonos de ruido vibratorios mientras que el ruido de fondo de los ADC de registro de aproximación sucesiva tiene una densidad espectral de potencia uniforme. Esto hace que los ADC de registro de aproximación sucesiva sean mejores para detectar tonos o vibraciones a niveles increíblemente bajos.
Presentación del LTC2380-24
A pesar de sus desventajas, la relativamente lenta arquitectura delta-sigma ha sido la única opción para aplicaciones de alta resolución debido a que los convertidores de registro de aproximación sucesiva tradicionalmente no han estado disponibles en resoluciones por encima de 18 bits. Recientemente, Power by Linear de Analog Devices presentó el LTC2380-24, un convertidor de registro de aproximación sucesiva que combina alta resolución (24 bits) con frecuencia de muestra alta (hasta 2 Msps). Es el miembro emblema de la familia LTC2380 de Power by Linear de Analog Devices, que incluye el LTC2378-20 de 20 bits 1 Msps , el LTC2379-18 de 18 bits 1,6 Msps y el LTC2380-16 de 16 bits 2 Msps, entre otros. Todas estas piezas vienen en los paquetes MSOP-16 y DFN de 4mm por 3mm y son compatibles con pines.
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La precisión de 24 bits, la rápida tasa de muestra de 2 Msps y la incomparable linealidad de ± 0,5 ppm (típica) le permite al LTC2380-24 resolver señales de entrada de muy bajo nivel en aplicaciones de alto rango dinámico, como ECG/EEG.
El LTC2380-24 incluye características adicionales que ayudan a simplificar los problemas de diseño comunes, tales como un filtro digital incorporado y compresión de ganancia digital para la operación de suministro individual.
Las especificaciones técnicas detalladas aparecen en la página del producto LTC2380-24; en este artículo se tratan algunas de las características especiales de la pieza y cómo se benefician las aplicaciones de destino, así como referencias acerca de un par de detalles de la aplicación.
Filtrado digital para promediado
Muchas aplicaciones, tales como la exploración sísmica, requieren la medición precisa de una señal de baja frecuencia débil en presencia de ruido de banda ancha. El sobremuestreo de una señal a una frecuencia mucho mayor que la de Nyquist, que entonces promedie el resultado de múltiples conversiones, reduce el efecto de este ruido no correlacionado. El sobremuestreo aumenta el rango dinámico efectivo del ADC mediante la difusión de ruido a través de un ancho de banda mayor, reduciendo así la densidad espectral de ruido en el ancho de banda de interés. Esto además reduce la complejidad del filtro front-end anti-aliasing, lo que da como resultado un menor consumo de energía y la introducción de menos ruido y distorsión.
El LTC2380-24 dispone de un filtro de promedio digital integrado que puede proporcionar esta función sin ningún hardware adicional, lo que simplifica el diseño y proporciona un número de ventajas únicas. La alta tasa de muestra del LTC2380-24 hace que sea una opción para muchas aplicaciones. El beneficio para el usuario es que esto libera valiosos recursos en el procesador que permiten realizar otras tareas, mientras que el promedio de los datos se puede transferir a velocidades mucho más lentas (tan bajo como 2 Msps).
El filtro de promedio digital utilizado en el LTC2380-24 se conoce como filtro SINC1. Puede promediar bloques de conversiones desde N = 1 hasta N = 65 536. Los resultados son impresionantes, el rango dinámico mejora de 101 dB a 1,5 Msps, para un verdadero rendimiento de 24 bits de 145 dB a 30,5 sps
Figura 1: Mejora del rango dinámico con filtro de promedio digital
Las frecuencias de entrada específicas se pueden rechazar mediante la selección de N en base a la tasa de muestra y la frecuencia deseada a ser rechazar. Esto es muy útil para rechazar frecuencias de línea de 50 Hz o 60 Hz, que son un problema para muchas aplicaciones de adquisición de datos sensibles.
Por ejemplo, al seleccionar N = 20 000 y una frecuencia de muestra de 1 Msps se rechazarán frecuencias de 50Hz; consulte la hoja de datos del LTC2380-24 para conocer más detalles.
Compresión de ganancia digital
Figura 2: Compresión de ganancia digital
El LTC2380-24 -24 incluye compresión de ganancia digital, (digital gain compression, DGC). Esta característica define la oscilación de entrada a gran escala para que esté entre el 10 % y el 90 % del rango de entrada analógica +/- VREF El pin REF/DGC se mantiene bajo para activar esta característica. La DGC permite que el circuito de acondicionamiento de señal ubicado delante del LTC2380-24 se alimente desde una sola fuente de alimentación de + 5V, ya que cada entrada de ADC oscila entre 0,5 V y 4,5 V cuando se usa una referencia de 5V con el LTC2380-24, como se muestra en la Figura 2. Esto elimina el requisito de un riel negativo en el controlador de ADC, lo cual reduce el costo del sistema y permite un ahorro de energía adicional para todo el sistema. Las aplicaciones con alimentación por batería y las portátiles, en particular, se beneficiarán de esta característica.
Administración de potencia
El LTC2380-24 se apaga una vez que la conversión está completa, aunque los datos de conversión de salida se pueden registrar. En el modo de apagado, la potencia total consumida es solamente 2,5u W (típica), por lo que es muy adecuado para aplicaciones de baja potencia que solo requieren muestras de entrada periódicas. El LTC2380-24 consume solo 28 mW desde una sola fuente de alimentación de 2,5 V cuando se toman muestras a 2 Msps.
Detalle de la aplicación: Optimización del controlador de entrada
A tasas de resolución y de muestra altas del LTC2380-24, es importante prestar atención a los circuitos del controlador de la entrada analógica del ADC para que no limite el rendimiento general. Con un LSB cuyo tamaño sea de tan solo 0,6μV for VREF=5V, ¡no es una tarea fácil asegurarse de que el controlador no sea el factor limitante!
Figura 3: Filtrado de entrada del LTC2380-24
Se recomienda utilizar un amplificador búfer para proporcionar baja impedancia de salida para la solución rápida de la señal analógica durante la fase de muestra y retención. La distorsión y el ruido del amplificador búfer y la fuente de señal se deben tener en cuenta, por supuesto, ya que le agregan ruido y distorsión al ADC.
Para minimizar el ruido, las señales de entrada deben filtrarse antes de la entrada del amplificador búfer con un filtro adecuado. El filtro simple RC de paso bajo (low pass filter, LPF 1) que se muestra en la figura 3 es suficiente para muchas aplicaciones.
Se necesita un filtro de paso bajo adicional, LPF 2, entre la salida del conductor y de la entrada del ADC. Esto es importante porque el proceso de muestra del LTC2380-24 crea una carga transitoria cuando el capacitor de muestra se conmuta al comienzo del proceso de muestra y espera. Esto "acorta" brevemente la salida del amplificador a medida que la carga fluye desde el amplificador hasta el capacitor de muestra. El controlador debe poder recuperarse de esta carga transitoria antes de que finalice el período de muestra. De lo contrario, la señal en el pin de entrada del ADC no será una representación válida. El LPF2 desacopla la muestra transitoria del ADC; la capacitancia proporciona la mayor parte de la carga y los resistores amortiguan y atenúan cualquier carga inyectada por el LTC2380-24.
El LPF2 proporciona un filtrado tanto diferencial como de paso bajo de modo común. La frecuencia de corte diferencial está dada por 1/2πR(2CD + CC), y la frecuencia de corte de modo común por 1/2πRCC .
Es fundamental que los capacitores de CC coincidan con la mayor exactitud posible. Dado que los resistores y los condensadores pueden añadir distorsión, el diseño debe utilizar componentes de alta calidad, tales como resistores de película metálica y cerámica de desvío cero (NPO) o capacitores de mica con plata.
Elección del controlador del amplificador operacional
Con el LTC2380-24 se utilizan comúnmente dos amplificadores operacionales diferentes para un mejor rendimiento de CA.
Para amortiguar una fuente completamente diferencial, o convertir una entrada de terminación sencilla a forma diferencial, se recomienda el LT6203. El LT6203 es una unidad de ganancia estable, amplificador operacional doble de baja potencia con entrada y salida de riel a riel. Incluye un producto de 100 MHz GBW, tensión de ruido ultra bajo de 1,9 nV/√Hz y distorsión armónica de menos de -80 dBc a 1 MHz. El LT6203 consume solamente 2,5 mg de corriente de suministro por canal, por lo que es adecuado para aplicaciones de baja potencia.
Se recomienda el controlador ADC de registro de aproximación sucesiva LTC6362 para operación de suministro único con una alimentación de 5V. También cuenta con entrada y salida de riel a riel, pero es completamente diferencial y tiene una densidad de ruido de 3,9 nV /√Hz, producto de 180 MHz GBW y distorsión de -116 dB a 1kHz.
La figura 4 muestra el LTC6362 utilizado en una aplicación de suministro única junto con el LTC6665, una referencia de tensión de precisión de baja deriva que tiene ruido de pico a pico de solamente 0,25 ppm y una precisión de 0,025 % como máximo. Tenga en cuenta que el voltaje en el pin 2 del LTC6362 establece el nivel de tensión en modo común. Si se lo deja flotando, un divisor de resistor interno desarrolla un voltaje predeterminado de 2,5 V con una alimentación de 5V.
Figura 4: Circuito de aplicación de suministro único mediante el uso del LTC6362
Una plataforma sísmica de exploración de petróleo puede utilizar 1000 o más elementos sensores, llamados geófonos. Cada uno de estos produce señales de bajo nivel en un entorno ruidoso a frecuencias de hasta 100 kHz. La alta tasa de muestra del LTC2380-24 permite el sobremuestreo y el uso del filtro de promedio digital para un rango dinámico máximo.
Del mismo modo, las aplicaciones médicas como la resonancia magnética, la cromatografía de gases y las máquinas de rayos X digitales implican la medición de precisión de las señales de bajo nivel e imponen serias exigencias en el frente de adquisición de datos de rango dinámico, por lo que el LTC2380-24 es la opción ideal.
Soporte de diseño
Evaluar el LTC2380-24 -24 es fácil con la placa de demostración DC2289, como se muestra en la figura 5.
El DC2289 muestra la correcta disposición y la selección de dispositivos recomendada para lograr el diseño de más alto rendimiento. La placa incluye el LT6203 como amplificador de búfer de entrada para una fuente de señal completamente diferencial y filtro de paso bajo incorporado.
Para demostrar los parámetros de rendimiento de DC, como el ruido de pico a pico y la linealidad de CC, el DC2289 se puede conectar al controlador en serie DC590B USB o a la placa de demostración DC2026C Linduino One compatible con Arduino. Alternativamente, la placa de recopilación de datos DC890B PScope™ se puede utilizar para demostrar las métricas de rendimiento AC como SNR, THD, SINAD y SFDR.
Figure 5: Tablero de evaluación de DC2289A
LTC ofrece una variedad de herramientas de adquisición de datos y de análisis gratuitas, incluido el sistema de QuikEval para el DC590 y el software PScope para el DC890. El código base completo del DC2026, LT Sketchbook.zip, está disponible para descarga en el sitio web de Power by Linear de Analog Devices. El paquete incluye el código de demostración y bibliotecas para todos los dispositivos cubiertos, incluido el LTC2380-24.
Conclusión
El LTC2380-24 es un convertidor analógico a digital innovador y sumamente preciso con una combinación única de alta resolución y alta velocidad.
Tiene una serie de características que ayudan a los diseñadores a resolver problemas y realizar tareas en una variedad de campos analógicos de precisión tales como la adquisición de datos, la exploración sísmica, el control de procesos médicos e industriales y los equipos de pruebas automatizadas (ATE).
Cuando se lo combine con la amplia gama de herramientas de desarrollo de Power by Linear de Analog Devices, el LTC2380-24 ayudará a los diseñadores a comenzar a trabajar rápidamente en su próximo proyecto de adquisición de datos de precisión.