ADC de SAR de gran exactitud para mediciones de precisión y seguimiento rápido de señales

La moderna tecnología de ADC de registro de aproximación (SAR) de Power by Linear de Analog Devices aporta un mejor rendimiento a las aplicaciones de precisión, compitiendo así con los mejores ADC delta-sigma en cuanto a las especificaciones de CC (INL, DNL, desplazamiento, error de ganancia y estabilidad) y, a la vez, conservando tasas de muestra altas y operación sin latencia. Los ADC de SAR de muestreo rápido suelen usarse para sobremuestrear señales bajas de ancho de banda. El sobremuestreo tradicional permite el uso de un filtro de diezmado (filtro de paso bajo + muestreo bajo), lo que aumenta el rango dinámico del sistema. Otro beneficio del sobremuestreo son los requisitos relajados en el filtro análogo anti-aliasing. Cuando no existe sobremuestreo, el filtro análogo anti-aliasing debe tener una caída pronunciada (banda de transición aguda), lo que aumenta su complejidad. Como alternativa, el sobremuestreo permite el uso de un filtro análogo simple de orden inferior en combinación con un filtro digital para crear un filtro anti-aliasing equivalente al modo combinado con una caída muy pronunciada. Sin embargo, la penalización consiste en que la carga de la tarea de este filtrado se traspasa al procesador central, y requiere un procesador más rápido para adquirir los datos a un ritmo mucho más rápido de la salida del ADC.

Por estos motivos, Power by Linear de Analog Devices está utilizando un enfoque diferente para el mercado de precisión. Está combinando la gran precisión y rapidez de su arquitectura de ADC de SAR con los filtros digitales integrados. Los últimos productos son el LTC2508-32 y el LTC2512-24. El LTC2508-32 es un ADC de SAR de 32 bits 1Msps con un filtro digital integrado que se configura con un pin y que está optimizado para aplicaciones de precisión con un bajo ancho de banda. El LTC2512-24 es un ADC de SAR de 24 bits 1.6Msps con un filtro digital integrado para aplicaciones con un bajo ancho de banda superior. El LTC2508-32 alcanza un rango dinámico impresionante de 145dB en la tasa de salida más lenta de 61sps, mientras que el LTC2512-24 se orienta a 117dB en una tasa de salida de 50ksps.

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Un aspecto clave de los ADC delta-sigma es que la salida del modulador no se puede usar directamente. Es decir, es una señal de baja resolución con un ruido de cuantificación determinado y un SNR muy bajo. Se usan diversas técnicas para darle forma al ruido de cuantificación del modulador delta-sigma, como llevarlo a una frecuencia más alta donde es más fácil filtrarlo, con señales de interés que ocupan frecuencias más bajas en la banda de paso del filtro. Por lo tanto, la salida del modulador se puede filtrar a paso bajo para producir resultados de conversión que pueden utilizarse. No obstante, debido a la naturaleza pura de su arquitectura, el modulador delta-sigma sufre de tonos falsos en el espectro de salida. Por más que lo intenten, los tonos falsos del modulador pueden aparecer (y aparecen) en la banda de paso.

Intentar encontrar una pequeña señal puede ser casi imposible con la presencia de estos aumentos. Los ADC de registro de aproximación sucesiva (SAR) no sufren esta deficiencia y tienen un espectro de energía de ruido blanco casi ideal. Esto lograría que los ADC de SAR sean una mejor alternativa para detectar tonos o vibraciones a niveles de energía increíblemente bajos. Sin embargo, de todos modos, muchos ADC de SAR sufren de discontinuidades en la función de transferencia de CC en el nivel de 16 a 18 bits, lo que compromete el rendimiento de CC.

El LTC2508-32 y el LTC2512-24 tienen buenas características de linealidad sin la falta de ningún código. Esto les permite a las aplicaciones aprovechar al máximo el tremendo rango dinámico de los datos de salida filtrados.

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Con una densidad espectral de ruido de solo 22nV_RMS/√Hz, el LTC2508-32 ofrece el rendimiento de ruido más bajo de cualquier solución de ADC de la competencia con una resolución de 24 bits o 32 bits (Figura 1). A diferencia de la salida del modulador delta-sigma, la salida de este convertidor de SAR de Power by Linear de Analog Devices tiene una densidad espectral de energía de ruido plana, sin ningún tono con el cual lidiar. Esto significa que el filtro digital puede diseñarse de forma arbitraria para los requisitos de la aplicación final en lugar de filtrar los ruidos y tonos del modulador. El filtro LTC2508-32 es una arquitectura de "sincronización amplia", que representa un equilibrio elegido cuidadosamente entre la eliminación de la banda de detención y el tiempo de retorno a valores nominales. El filtro digital LTC2512-24 tiene una planitud de la banda de paso de 0.001dB "sin compromisos" que se extiende a fo/4 (media zona de Nyquist). La zona de transición y la atenuación de la banda de detención del filtro LTC2512-24 son menos agresivas que las de muchos filtros delta sigma, lo que permite un tiempo de retorno más rápido y menos artefactos en el dominio del tiempo. Una vez más, la ausencia de tonos es lo que logra que este filtro sea práctico.

El filtro LTC2508-32 ofrece 4 filtros de diezmado que se seleccionan con pins, con sus propiedades indicadas en la Tabla 1. Los cuatro filtros diferentes de diezmado permiten a los diseñadores compensar el ruido con el ancho de banda según la aplicación elegida. Para cada configuración del filtro LTC2508-32, el filtro digital es un filtro de respuesta a impulsos finitos (FIR) de paso bajo con una respuesta de fase lineal. La salida del filtro digital luego se muestrea con el factor de muestreo correspondiente (DF). Por lo tanto, la tasa de transferencia de datos de salida resultante (f_O) es igual a f_SMPL/DF. En cada una de las elecciones de filtros de diezmado, el ancho de banda de 3dB es inversamente proporcional al valor de DF seleccionado. Cada configuración proporciona un mínimo de 80dB de atenuación para frecuencias en el rango de f_O /2 y f_SMPL – f_O /2. Por cada aumento cuádruple en el factor de muestreo, el rango dinámico de ADC aumenta aproximadamente 6dB, lo que trae como resultado un rango dinámico de 131dB a DF=256, hasta 145dB a DF=16384. Esto es equivalente a una cantidad de bits eficaz (ENOB) de 24 bits. Tenga en cuenta que es importante que el resultado del ADC esté limitado por el proceso de calidad del ruido, es decir, ruido termal, no la cuantificación del ruido. Esto quiere decir que el ADC debe proporcionar, al menos, unos cuantos bits más que el ENOB, y con una palabra de salida de 32 bits, el filtro LTC2508-32 brinda una cantidad de bits suficiente para representar los datos filtrados con un número entero de bytes.

Tabla 1: Propiedades de los filtros del LTC2508-32

La salida del filtro LTC2508-32 siempre está totalmente instalada en 10 muestras de salida, independientemente del DF. A medida que el factor de muestreo aumenta, el ancho de banda disminuye, lo que limita el ruido y posteriormente incrementa el rango dinámico.  Con un factor de muestreo de 256, el ancho de banda de -3dB de la salida filtrada es 480Hz, lo que trae como resultado una tasa de transferencia de datos de salida de 3906sps. Con el DF más alto de 16384, el ancho de banda de -3dB es de apenas 7.5Hz, lo que proporciona el filtrado más alto del ruido y genera la tasa de transferencia de datos de salida más lenta de 61sps.

Figura 1: Respuesta de paso del LTC2508-32

Además, el LTC2508 ofrece flujos de salida de datos dobles, la versión de 32 bits filtrada digitalmente de la señal de entrada y una salida compuesta de 22 bits sin latencia directamente del convertidor de SAR de la interfaz. La palabra de salida sin latencia consiste de un código de 14 bits que representa la entrada diferencial y un código de 8 bits que representa la tensión de modo común de entrada. La salida sin latencia es especialmente útil en aplicaciones de control, para realizar seguimiento rápido de la señal de entrada y proporcionar respuestas inmediatas para las condiciones de carga cambiantes. También se puede usar para supervisar la calidad de la señal entrante e indicar las fallas del sistema, por ejemplo, al detectar señales excesivamente ruidosas u oscilantes que pueden estar ocultas por el filtro digital. Se puede usar esta información en combinación con el valor de modo común de 8 bits para el mantenimiento predictivo.  Los cambios en la tensión de modo común pueden apuntar a una subida problemática, lo que genera una falla potencial en el equipo. Para el diseñador, esto se ve como dos ADC en uno, lo que ofrece representaciones de la señal de entrada que coinciden perfectamente y que no están sujetas a problemas de divergencias o desvíos.

El filtro LTC2512-24 ofrece muchas similitudes con el LTC2508-32, con 4 filtros de diezmado que se seleccionan por pins, como se ve en la Tabla 2. La Figura 2 muestra la respuesta de amplitud del filtro original de CC a f_O, la tasa de transferencia de datos de salida. Los factores de muestreo de 4 a 32 son compatibles, lo que trae como resultado una mejora de 3dB en el rango dinámico por cada aumento doble en el factor de muestreo. El LTC2512-24 tiene la misma salida de código compuesto de 22 bits, por lo que proporciona una representación en tiempo real casi ideal de la señal de entrada. En el caso del LTC2512-24, la salida siempre está totalmente instalada en 35 muestras de salida.

Tabla 2. Propiedades de los filtros del LTC2512-24

Figura 2: Magnitud de la respuesta de la frecuencia del filtro digital LTC2512-24. f_O = f_SMPL/ DF

El filtro LTC2508-32 es un excelente candidato para aplicaciones de sismología y exploración de petróleo y gas, donde el ADC debe resolver señales de un nivel extremadamente bajo tapadas por el ruido. El ancho de banda más amplio y la banda de paso plana del filtro LTC2512-24 pueden ser más adecuadas para instrumentos médicos, como electrocardiogramas, que se benefician del rango dinámico alto de la salida filtrada, mientras que utilizan la salida sin latencia para la información en tiempo real, como la ubicación de sondas. Estos ADC son ideales para cualquier aplicación de precisión que use un bucle de control que deba reaccionar rápidamente a cambios en la señal de entrada que no serían visibles de inmediato a través de la salida más lenta filtrada. Puede consultar más información sobre esta familia en arrow.com