El rendimiento y la confiabilidad están impulsando muchas aplicaciones de dispositivos y equipos científicos de laboratorio y campo (LFS) Sin embargo, las ineficiencias de la lista de materiales (BOM) pueden aumentar los costos y disminuir la precisión de las mediciones. Estas ineficiencias, con frecuencia, se relacionan con el suministro de dispositivos de la cadena de señales. Acceder a una solución de cadena de señales completa con soporte de aplicaciones con conocimientos y experiencia de un único proveedor confiable puede establecer eficiencias en el sistema y el diseño y una rápida introducción al mercado, lo cual de otro modo resulta difícil de lograr. Un diseño de referencia de "Circuits From The Lab" de Analog Devices, un colorímetro de canal doble con amplificadores de transimpedancia de ganancia programable y detección sincrónica digital, se usa para demostrar los beneficios de una solución de cadena de señales completa de un proveedor único.
En la medida que aumentan las oportunidades del mercado en expansión para producir dispositivos y equipos científicos de laboratorio y campo (LFS) de calidad, también crece la presión por introducir estas soluciones al mercado más rápido. Lograr estos ciclos rápidos de diseños, y a la vez mantener la precisión y la confiabilidad del dispositivo en general, depende en gran medida en suministrar eficiencia de calidad de los componentes fundamentales de la cadena de señales. Los componentes de la cadena de señales altamente integrados, como los amplificadores y los convertidores de analógico a digital (ADC), pueden llevar a mejorar la eficiencia de la lista de materiales (BOM) y a reducir los costos. Adicionalmente, poder suministrar los componentes fundamentales de la cadena de señales de un proveedor único puede proporcionar muchos beneficios relacionados con los costos y abrir oportunidades para soporte de aplicaciones mejoradas. Básicamente, estos factores pueden reducir la carga en los recursos de diseño y pueden generar un mejor diseño de rendimiento en una fracción del tiempo.
Leyenda: el kit de IOT de Zedboard se usa para generar una señal modulada y una interfaz para aplicaciones de espectroscopia, con la tarjeta de evaluación del colorímetro de canal doble, CN0363, de Analog Devices.
Los diseños de referencia de calidad ofrecen soluciones de circuitos adaptables a muchas aplicaciones
Analog Devices ofrece una gran biblioteca de diseños de referencia disponibles sin costo en su sitio web. Estos diseños de referencia se pueden utilizar de inmediato como soluciones de circuitos, o bien el diseñador puede utilizar las detalladas explicaciones para adaptar los circuitos según su aplicación personal. Estos diseños de referencia incluyen una amplia gama de componentes que podrían incorporarse en las pruebas de precisión de laboratorio o de campo y en los equipos de medición o de servicio.
Por ejemplo, la nota de circuito 0363 (CN0363), colorímetro de canal doble con amplificadores de transimpedancia de ganancia programable y detección sincrónica digital se crea con ADC líder y soluciones del amplificador de precisión de Analog Devices. Existe un video que incluye las notas de circuitos y proporciona percepciones del proceso junto con este artículo.
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El código FPGA de la CN0363 también se encuentra disponible a través de Analog Devices.
El circuito lleva a cabo mediciones de espectroscopia de absorción con tres longitudes de onda de luz diferentes, que aprovechan una tipología del circuito que rechaza las fuentes de ruido para poder obtener un resultado preciso. Estos dispositivos comúnmente se utilizan para análisis químico y en dispositivos e instrumentos de monitoreo ambiental para uso en la determinación de las características y las concentraciones de muestras de líquido.
Leyenda: los componentes de la cadena de señales clave de la CN0363 de la tarjeta de evaluación, ADA4528-1, ADA4805 y AD7175-2, se utilizan como amplificadores de transimpedancia, amplificadores de búfer de alta tasa de velocidad de rotación y convertidor analógico a digital de alta precisión respectivamente.
Los componentes clave de la cadena de señales reducen la complejidad de la BOM y mejoran el rendimiento
El colorímetro de canal doble está compuesto por un transmisor de tres fuentes de iluminación de frecuencia modulada que envía luz a través de una muestra de líquido y se atenúa mediante las características de frecuencia de la muestra antes de que sus respectivos fotodiodos lo reciban. El ADA4528-1 se utiliza como amplificador de transimpedancia para generar una tensión proveniente de la salida de corriente de los receptores de fotodiodos. Debido a que la salida de corriente de los fotodiodos puede ser demasiado débil para los líquidos altamente absorbentes, las características del amplificador de cero automático del ADA4528-1 se aprovechan para eliminar el error de desplazamiento, 1/f ruido, y también para inducir ruido de banda ancha muy bajo. Para evitar picos de ruido en la frecuencia de cero automático, esta se encuentra a unos 200 kHz, lo cual va mucho más allá del ancho de banda de la señal de 3dB del amplificador.
Leyenda: Las dos redes de retroalimentación de resistores independientes del amplificador de transimpedancia hacen posible la configuración del amplificador de transimpedancia a fin de optimizar la salida de materiales de características de mayor o menor absorción.
Si bien el ADA4528-1 puede tener una tensión de desplazamiento muy baja, el desplazamiento puede limitar la operación de carril a carril si el desplazamiento es negativo. A fin de no requerir un suministro de tensión negativo y asegurar que los amplificadores de transimpedancia no se corten, se usa el ADA4805-1 para suministrar una tensión magnetizada de desplazamiento regulada de 100 mV al ánodo del fotodiodo. El amplificador OP ADA4805-1 se usa como búfer de tensión altamente estable capaz de manejar cargas significativamente capacitivas y se ajusta bien para el desacople. La tensión magnetizada de los fotodiodos y la salida del potenciómetro digital AD5201 que se utiliza para establecer la corriente LED se regulan con el amplificador OP ADA4805-1.
Un divisor de haz se usa para dividir las salidas LED rojas, verdes y azules (RGB) al receptor de muestra y a un receptor de referencia. Tanto el receptor de muestra como el receptor de referencia incluyen circuitos idénticos del amplificador de transimpedancia de ganancia programable que van a canales separados del ADC Σ-Δ de 24 bits, el AD7175-2. A fin de muestrear ambos canales dentro del tiempo de retorno a valores nominales de ciclo único, el ADC se configura para proporcionar una tasa de transferencia de datos de 250 kSPS con un filtro de sinc5+sinc1. Este método produce una tasa de muestra efectiva, por canal, de 25 kSPS y un valor de salida cada 40 µs.
Leyenda: la salida de SPI del AD7175-2 permite 250 kSPS de datos de referencia y muestreados, que se usa para generar datos IQ y una comparación digital detallada de los datos.
Para evitar que se produzca aliasing de las frecuencias sobre 12,5 kHz, como los armónicos impares de la modulación de onda cuadrada, en la banda de paso del ADC, se implementa una etapa de desmodulación síncrona con un FPGA. No obstante, si no existe una fuente de ruido en las frecuencias de modulación, se volverán a guardar en las frecuencias fundamentales. Para evitar que esto suceda, se requiere mantener una relación de frecuencia de modulación y de muestreo dictada por la ecuación:
Beneficios de la cadena de señales de ruido ultrabajo, desvío cero y amplificadores OP de entrada/salida de carril a carril
El ADA4528-1 está diseñado para ajustarse a aplicaciones donde es de absoluta importancia limitar los errores en la cadena de señales. Esto puede incluir muchas aplicaciones médicas y en sensores, en las cuales se muestrean y convierten pequeñas tensiones. El amplificador demuestra un ruido típicamente bajo de 5,6 nV/√Hz a f = 1 kHz y 97 nV p-p a f = 0,1 Hz a 10 Hz a AV de +100, y un desvío de desplazamiento muy bajo de 0,015 μV/°C con una tensión de desplazamiento máxima de 2,5 μV. Estas especificaciones se hacen dentro de un rango de temperatura industrial y automotriz de −40 °C a +125 °C.
El ADA4528-1, con una capacidad de entrada y salida de carril a carril (RRIO) con un amplio rango de suministro de tensión de operación de 2,20 V a 5,5 V u operación de suministro doble de +/- 1,1 V a +/- 2,75 V, también ofrece un CMRR alto de 135 dB mínimo y PSRR de 130 dB mínimo. Estas características son especialmente importantes cuando se trata de señales de nivel muy bajo cercano al piso del ruido. Una alta ganancia de 130 dB y un corte de ganancia unitaria de 4 MHz permite un producto de ancho de banda de alta ganancia de 3 MHz a AV = +100 y un ancho de banda de ciclo cerrado de -3dB de 6,2 MHz.
El ADA4528-1 está disponible en paquetes de MSOP de 8 conductores y LFCSP de 8 conductores. Más información sobre este componente y el paquete doble, ADA4528-2, se puede encontrar en la nota de aplicación AN-1114, "El amplificador de desvío cero de mínimo ruido tiene una densidad de ruido de tensión de 5,6 nV/√Hz".
El amplificador OP de desvío de desplazamiento térmico bajo, de potencia y de carril a carril de ruido proporciona características de tasa de velocidad de rotación mejoradas
El ADA4805-1 proporciona un alto rendimiento con características mejoradas de ahorro de energía, específicamente diseñadas para sistemas de conversión de datos de alta resolución a niveles de baja potencia. Las aplicaciones ideales también incluyen instrumentación alimentada a través de batería, terminales portátiles de puntos de venta y filtros activos de microenergía. El ADA4805-1, con una corriente estática baja de 495 μA, también incluye una función de clavija de apagado, mientras está apagado, baja aún más la corriente estática de suministro a 3 μA. A fin de habilitar funciones de conversión analógica a digital (ADC) rápida, el tiempo de inicio del amplificador de apagado a totalmente encendido, es solo 3 μs.
Si bien el ADA4805-1 opera con muy baja potencia, el dispositivo también cuenta con un ancho de banda muy alto de -3dB de 105 MHz con una tasa de velocidad de rotación de 160V/μs y un tiempo de retorno a valores nominales a 0,1 % de 35ns. La tasa de velocidad de rotación alta y el rápido tiempo de retorno a valores nominales permite que el ADA4805-1 se aproveche como amplificador de búfer de manejo de carga capacitiva con excelentes características de desacople.
Además, la tensión de desplazamiento de entrada máxima de 125 μV y el desvío de desplazamiento de entrada típico de 0,2 µV/°C se presentan para un amplio rango de suministro 3 V a 10 V a +/- 1,5 V, 3 V, 5 V o +/- 5 V. Si bien la entrada incluye un rango de modo común de -Vs - 0,1 V a +Vs - 1V, la salida cuenta con un bajo ruido de 5,9 nV/√Hz a 100 kHz y 0,6 pA/√Hz a 100 kHz y baja distorsión de −102 dBc/−126 dBc HD2/HD3 a 100 kHz para una salida de carril a carril completa.
A fin de habilitar el mínimo rendimiento de ruido en el rango extendido de temperatura industrial y de automóvil de −40 °C a +125 °C, el amplificador ADA4805-1 está fabricado con un proceso bipolar complementario extra rápido (XFCB) específico de Analog Devices, Inc., y se ofrece en paquetes muy pequeños SOT-23 de 6 conductores y SC70 de 6 conductores. El ADA4805-2, versión de amplificador doble, también se encuentra disponible en paquetes MSOP de 8 conductores y LFCSP de 10 conductores.
Σ-Δ Los ADC con características de bajo ruido y rápido retorno a valores nominales ofrecen características flexibles para aplicaciones científicas de laboratorio y campo
El AD7175-2 ofrece un ruido muy bajo y un ADC Σ-Δ de rápido retorno a valores nominales con bits libres de ruido de 17,2 a 250 kSPS, 20 a 2,5 kSPS y 24 a 20 SPS con un INL de +/-1 ppm del rango de escala completa. El ADC se puede configurar como un convertidor completamente diferencial de 2 canales o un pseudoconvertidor diferencial de 4 canales con una tasa de salida flexible de 5 SPS a 250 kSPS. Las salidas del multiplexor de canal cruzado interno se pasan a través de los búferes de entrada analógica de carril a carril, los cuales presentan una entrada de gran impedancia.
Existen varias opciones de energía disponibles para el ADC, a 5 V AVDD1 o +/-2,5 V AVDD1/AVSS y 2 V a 5 V AVDD2 y IOVDD, y solo un consumo de corriente típico de 8,4 mA. El ADC también incluye una tensión de referencia en chip de 2,5 V y un bajo desvío de +/- 2ppm/°C.
Convenientemente, el AD7175-2 cuenta con bloques acondicionadores de señales analógicas y digitales integrados que permiten que cada canal de entrada analógica se pueda configurar de forma independiente. Por ejemplo, la eliminación de 50 Hz o 60 Hz de 85dB con tiempo de retorno a valores nominales de 50 ms a una tasa de transferencia de datos de salida de 27,27 SPS, es una función proporcionada por los filtros digitales que acondicionan la señal de entrada. Adicionalmente, otras funciones de procesamiento digital, como el desplazamiento y la calibración de ganancia, también se pueden configurar de forma independiente por canal. Las entradas digitales de control de E/S del puerto GPIO y MUX se pueden utilizar para controlar el multiplexor de entrada, o bien el AD7175-2 automáticamente puede realizar un ciclo entre las entradas y bajar la complejidad de los circuitos de control.
Con un activador Schmitt flexible de 3 o 4 hilos o una interfaz digital SCLK, el ADC es capaz de intercambiar datos compatibles con SPI, QSPI, MICROWIRE y DSP. El oscilador de reloj externo o interno se puede utilizar como temporizador y el ADC ofrece salida de reloj interno como referencia. Estas características, y el rango de temperatura industrial extendida de −40 °C a +105 °C, permiten que el AD7175-2 realice aplicaciones de control de proceso, instrumento multicanal médico/científico, temperatura/presión y de instrumento de cromatografía. El ADC se entrega en un paquete TSSOP de 24 conectores.
Leyenda: el AD7175-2 cuenta con muchas características de control digital mejoradas y funciones automáticas, las cuales reducen la cantidad de componentes externos requeridos.
Conclusión
Con la nota de circuito CN0363, Analog Devices puede demostrar los beneficios del proveedor de soluciones de circuitos con una línea de productos lo suficientemente diversa para proporcionar una solución de cadena de señales virtualmente completa para aplicaciones científicas de laboratorio y campo y otras. Estos beneficios ayudan a reducir la complejidad y los costos de la BOM, y a la vez reducir el tiempo de salida al mercado, además de facilitar el diseño para los ingenieros de diseño de sistemas.