El ADC de SAR de 18 bits y 15 Msps mejora el rendimiento en aplicaciones de control de alta velocidad y adquisición de datos

En la actualidad, con el ADC LTC2387-18 de 18 bits y 15 Msps, Power by Linear de Analog Devices ofrece las ventajas de la arquitectura del registro de aproximación sucesiva (SAR) a estas aplicaciones.

Figura 1: ADC de SAR LTC2387-18 de 15 Msps con interfaz LVDS (Fuente: Power by Linear de Analog Devices)

El LTC2387-18 ofrece muchos beneficios con respecto a los ADC segmentados, lo cual hace posible que aplicaciones que tradicionalmente se basaban en el desempeño del ADC segmentado, lleven a cabo mejoras importantes en el rendimiento.

¿SAR o convertidor segmentado?

El diseño del convertidor analógico a digital implica diversos compromisos, dependiendo de cuál sea el objetivo principal: alta resolución, alta velocidad o bajo consumo de energía.

Con el fin de cubrir la gama completa de requisitos de las aplicaciones, con el correr de los años han aparecido múltiples arquitecturas de ADC; las arquitecturas de segmentación y SAR son las dos opciones más populares para las aplicaciones industriales, de instrumentación y médicas con tasas de muestras en el rango de kHz a MHz y resoluciones hasta 20 bits.

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 frecuencia más baja. 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.

Comparación del rendimiento del LTC2387 frente al LTC2269

¿De qué forma el rendimiento del LTC2387-18 se compara con un convertidor segmentado de rendimiento comparable? En la Figura 2 aparece una comparación de las especificaciones clave entre el LTC2387-18 y el LTC2269, convertidor segmentado de 16 bits, 20 Msps.

Figura 2: Comparación del rendimiento entre el LTC2387-18 y el LTC2269

Ventajas del LTC2387-18

El LTC2387-18 posee muchas ventajas:

• Latencia: los ADC segmentados sufren múltiples ciclos de latencia. La arquitectura SAR del LTC2387 no tiene retraso por segmentación ni latencia. Esto es particularmente importante en aplicaciones de control de bucle cerrado en las que la conversión analógica a digital es parte del sistema de respuesta negativa. Al utilizar un ADC sin latencia, se proporciona un mayor ancho de banda y una respuesta más rápida.

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• Precisión de CC: el LTC2387-18 ofrece desempeño ante errores de desplazamiento e INL superior. Si bien el LTC2269 posee un rendimiento de CC superior con relación a los productos de la competencia, los ADC segmentados pueden ser sensibles a las imperfecciones del proceso, lo cual provoca no linealidades en cuanto a ganancia, desplazamiento y otros parámetros.

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• SNR: debido a la amplia gama de entrada de 8.192Vp-p, el LTC2387-18 genera al menos 10 dB de ventaja de SNR en comparación con algunos de los mejores ADC segmentados con tasas de muestra similares. Esto es particularmente importante en aplicaciones de imágenes. Los sensores de imágenes de matriz capturan imágenes continuas y son ampliamente utilizados en los detectores industriales, fotografía aérea e imágenes satelitales. Dichas aplicaciones requieren escaneos de alta velocidad para mejorar la eficacia de la detección o capturar objetos que se mueven rápidamente. La imagen que se capturará podría incluir objetos con mucha luz y con poca luz, que requieren un rango dinámico por sobre 90 dB. Los números de SNR y SINAD del LTC2387-18 resisten bien incuso a tasas de muestras más altas hasta la frecuencia Nyquist, tal como aparece en la Figura 3. Este beneficio del rendimiento lo distingue de los ADC SAR de la competencia.

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• Ruido 1/f: si bien esto no se menciona específicamente en la hoja de datos y es muy difícil de medir, la arquitectura del LTC2387 genera un error de desplazamiento significativamente menor. Esto también produce ruido 1/f sustancialmente más bajo. Los ADC segmentados, en general, sufren de ruido 1/f elevado.

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• Sensibilidad de diseño: el rendimiento del convertidor segmentado depende más del diseño de PCB que de otras arquitecturas.

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• Tamaño del paquete: el LTC2387-18 se ofrece en un paquete QFN-32 5x5. El LTC2269, con su interfaz paralela, requiere un paquete QFN-48 7x7 más grande. Una versión de canal doble del LTC2269 se encuentra disponible con salidas LVDS en serie (el LTC2271) y se ofrece en un paquete QFN-52 7x8 de ahorro de espacio.

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• Figura 3: el rendimiento de SNR y SINAD del LTC2387-18 con entradas rápidas hasta la frecuencia Nyquist

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• Observe que la SNR (relación señal/ruido) es la relación de la señal de entrada de RMS con la suma de RMS de todos los demás componentes del espectro, excluidos los armónicos. SINAD se define como la relación señal/(ruido + distorsión) y la medición incluye tanto los armónicos de ruido como de señal. Ninguna de las relaciones incluye cc. SINAD se degrada más rápidamente que SNR a altas frecuencias de entrada debido a la inclusión de estos términos de armónicos. En general, SINAD es más importante para las entradas de mayor frecuencia, en especial, aquellas sobre la primera zona de Nyquist, como indicación de rendimiento en las aplicaciones de submuestreo. Tanto SNR como SINAD se miden con entradas de escala completa.

Ventajas del LTC2269

El LTC2269 no tiene ventajas en algunos ámbitos, aunque:

• Consumo de energía: el LTC2387-18 consume más energía que los ADC segmentados similares para la misma tasa de muestra. En bajo consumo de energía, el diseñador puede seleccionar una parte compatible con pines con una tasa de muestra más baja de la familia de productos LTC238x; vea a continuación.

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• Unidad de entrada: a fin de que el LTC2387-18 logre su SNR superior, la señal de entrada analógica se debe escalar a fin de que aproveche todo el nivel de entrada de ±4,096V. El LTC2269 tiene una entrada de escala completa de ±1,05V. Las aplicaciones con un desajuste de señal podrían requerir una etapa de controlador de interfaz adicional.

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• Mayor rendimiento de zona de Nyquist: los beneficios del LTC2387-18 en los ADC segmentados solo son válidos en la primera zona de Nyquist, es decir, un ancho de banda de entrada o la mitad de la frecuencia de muestreo, o menos. Los ADC segmentados son más aptos para digitalizar las señales analógicas de la 2da zona de Nyquist o superior en aplicaciones de submuestreo. En el caso específico del LTC2269, fue diseñado para ofrecer mayor SNR, al limitar el ancho de banda de entrada, y no es apto para las aplicaciones de submuestreo.

Consideraciones de las aplicaciones

La hoja de datos del LTC2387-18 incluye una sección detallada sobre información de aplicaciones, pero aquí hay algunas características diferenciadoras clave de la parte.

Interfaz en serie

El LTC2387-18 usa una interfaz de señalización diferencial de baja tensión (LVDS) en serie para transmitir datos de salida a un FPGA aguas abajo, microcontrolador o DSP. Esto evita E/S en el procesador y también reduce el ruido digital en el sistema.

Para lograr una fácil interfaz con FPGA de menor velocidad, el LTC2387 puede transmitir su salida en dos vías de datos de LVDS. La transferencia de datos máxima es 800 Mbps. En el modo de dos vías, la transferencia de datos mínima es 180 Mbps por vía, en comparación con 360 Mbps en el modo de una vía.

Accionamiento del LTC2387-18

El LTC2387-18 tiene una rango de entrada completamente diferencial de ±4,096V. Los pines IN⁺ e IN^- se deben impulsar 180^o fuera de fase entre sí, centrados alrededor de un nivel de voltaje de modo común V_CM = (IN⁺ + IN^-)/2.

Una fuente de baja impedancia puede impulsar directamente las entradas de alta impedancia sin obtener error, pero para lograr mejor rendimiento, se debe utilizar un amplificador de búfer. El amplificador proporciona una baja impedancia de salida, lo cual hace posible una rápida estabilización de la señal analógica. También ofrece aislamiento entre el origen de la señal y el pico de corriente consumido por las entradas de ADC al comienzo de cada fase de adquisición, cuando las entradas podrían modelarse como carga de capacitor conmutado en el circuito de impulsión.

Figura 4: Típico circuito de unidad de entrada

Para este objetivo se recomienda el amplificador operacional de ruido ultrabajo LT6200. Es un amplificador operacional con entrada y salida de carril a carril, y tensión de ruido de 0,95nV/√Hz. El LT6200 combina ruido muy bajo con un ancho de banda de ganancia de 165 MHz, tasa de velocidad de rotación de 50V/µs y está optimizado para sistemas de acondicionamiento de señales de baja tensión.

Los valores del capacitor del filtro y el resistor para el filtro de RC son específicos de la aplicación. El valor del resistor que aparece en la Figura 4 entrega un buen rendimiento en diversas condiciones. El valor para CFILT implica una compensación: valores más grandes proporcionan mejor rendimiento del ruido y los valores más pequeños entregan mejor error a escala completa. Un gráfico en la hoja de datos del LTC2387-18 proporciona valores representativos en la tasa de muestra.

Es importante que los capacitores de CFILT 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.

Referencia de tensión interna

Para ahorrar costos, el LTC2387-18 incluye una referencia interna de precisión de 2,048V con una precisión inicial garantizada de 0,25 % y un coeficiente de temperatura de ±20 ppm/°C (máximo), así como también un búfer interno de referencia.

La referencia interna debe ser adecuada para la mayoría de las aplicaciones, pero si se requiere mayor precisión, se recomienda el LTC6655. Esta es una referencia de precisión de bajo ruido que ofrece una desviación de menos de 2 ppm/°C y una tensión de salida con una precisión de ±0,025 % en el rango de temperatura total de –40 °C a 125 °C.

Sobremuestreo con el LTC2387-18

Muchas aplicaciones podrían necesitar solamente una tasa de muestra de unos pocos ksps, pero necesitar una relación señal/ruido extremadamente alta.

Un encefalógrafo, por ejemplo, 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, llamada potencial de acción, puede variar de 10 uV a 100 mV a frecuencias de 100 Hz a 2 kHz.

En una aplicación de este tipo, el sobremuestreo de la señal analógica relativamente lenta y de banda estrecha a fin de llevar a cabo un filtrado digital complejo en el procesador aguas abajo es una forma común de aumentar la cantidad de bits efectivos (ENOB) del ADC y, por ende, aumentar el SNR.

El SNR de un ADC ideal se proporciona mediante la conocida ecuación:

SNR (dB) = (6,02 * ENOB) + 1,76

Para cada bit de resolución adicional deseado, la señal se debe sobremuestrear por un factor de cuatro:

f_OS = 4^W * f_S

donde w es la cantidad de bits adicionales deseados, f_S es la frecuencia de muestreo original y f_OS es la frecuencia de sobremuestreo.

El ruido se debe aproximar a ruido blanco con una densidad espectral de energía uniforme sobre la banda de frecuencia de interés y su amplitud debe ser lo suficientemente mayor para hacer que la entrada cambie aleatoriamente en al menos 1LSB entre las muestras sucesivas.

Dadas estas restricciones, la tasa de muestra del LTC2387-18 es ideal para el sobremuestreo de entradas analógicas con anchos de banda de entradas en el rango de kHz, que mejoran adicionalmente el rendimiento del ruido.

Figura 5: Miembros de la familia LTC 238x

La familia LTC238x ofrece flexibilidad de diseño adicional

Los diseñadores de sistemas pueden ajustar el rendimiento del ADC a la aplicación. En conjunto, la familia LTC238x de dispositivos compatibles con pines ofrecen una resolución de 16 o 18 bits tanto en rangos de temperatura comercial como industrial. Los diseñadores pueden reducir el consumo de energía en la resolución deseada al elegir una tasa de muestra de 5 Msps o 10 Msps. Como se puede apreciar en la Figura X, no hay penalización de energía al moverse de una resolución de 16 bita a 18 bits en la misma tasa de muestra.

Soporte de diseño

La evaluación del LTC2387-18 se hace fácil con su tarjeta de demostración asociada, el DC2290A-A, que aparece en la Figura 6. El DC2290A-A demuestra el rendimiento de CA del LTC2387-18 en conjunto con la tarjeta de recopilación de datos (DC718) para el sistema PScope™, sistema de demostración de productos y adquisición de datos basado en USB.

Figura 6: Tarjeta de demostración DC2290A-A para el LTC2387-18

Las tarjetas de demostración de amplificador diferencial se encuentran disponibles por separado y ofrecen amplificación de las señales diferenciales de bajo nivel, si se requiere. Para este objetivo, se recomienda la tarjeta del controlador ADC DC2403A. Alternativamente, al conectar el DC2290A a una aplicación de cliente, el rendimiento del LTC2387 se puede evaluar directamente en ese circuito.

Power by Linear de Analog Devices ofrece una variedad de herramientas de adquisición de datos y de análisis gratuitas, incluido el software PScope para el DC718.

Para otros miembros de la familia LTC238x, elija la combinación de tarjetas de demostración apropiadas conforme a la figura a continuación.

Figura 7: Opciones de tarjeta de demostración y tarjeta de controlador para la familia LTC238x

Conclusión

El LTC2387-18 es un convertidor analógico a digital (ADC) de registro de aproximación sucesiva (SAR) de 18 bits y 15 Msps, que ofrece rendimiento de nivel superior en comparación con los convertidores segmentados hasta la frecuencia Nyquist, incluida una mejora de SNR hasta 20 dB, muy poca distorsión, sin latencia de ciclo y sin demora de segmentación.

Es una opción ideal para digitalizar señales analógicas de banda ancha en diversas aplicaciones, entre otras, comunicaciones, imágenes de alta velocidad, instrumentos médicos y ATE. Es particularmente adecuado para cerrar bucles de control rápido, donde la operación sin latencia ofrece un mayor ancho de banda y una respuesta más rápida.