SAR ADC ad elevata accuratezza per misurazioni di precisione e monitoraggio rapido del segnale

La moderna tecnologia SAR ADC di Power by Linear di Analog Devices offre alle applicazioni di precisione prestazioni superiori, in competizione con i migliori ADC delta-sigma in termini di specifiche CC (INL, DNL, offset, errori di guadagno e stabilità), pur mantenendo elevate frequenze di campionamento e assenza di operazioni di latenza. Gli ADC SAR di campionamento rapido sono spesso utilizzati per sovracampionare i segnali con ampiezza di banda bassa. Il tradizionale sovracampionamento consente di utilizzare un filtro di decimazione (filtro passa basso + sotto-campionamento) aumentando la gamma dinamica del sistema. Un altro vantaggio del sovracampionamento sono i requisiti flessibili sul filtro anti alias analogico. In assenza di sovracampionamento, il filtro anti alias analogico è necessario per ottenere un roll-off rapido (banda di transizione drastica), quindi aumentandone la complessità. In alternativa, il sovracampionamento consente l'uso di un semplice filtro analogico di ordine basso in combinazione con un filtro digitale per creare un filtro anti alias equivalente a modalità mista. Comunque, lo svantaggio è che il carico di questa attività di filtro viene posto sul processore host e richiede un processore più rapido per acquisire i dati a una velocità molto superiore di quella dell'output ADC.

Per questi motivi, Power by Linear di Analog Devices sta cambiando il suo approccio al mercato di precisione, unendo elevata accuratezza e velocità della sua architettura SAR ADC proprietaria con filtri digitali integrati. I prodotti più recenti sono LTC2508-32 e LTC2512-24. LTC2508-32 è un SAR ADC a 32-bit da 1 Msps con un filtro digitale integrato a pin configurabili ottimizzato per applicazioni ad ampiezza di banda bassa e di precisione. LTC2512-24 è un SAR ADC a 24-bit da 1,6 Msps con un filtro integrato ottimizzato per applicazioni ad ampiezza di banda elevata. LTC2508-32 raggiunge una notevole gamma dinamica di 145 dB alla bassissima velocità di output di 61 sps, mentre LTC2512-24 ha come obiettivo a 117 dB a una velocità di output di 50 ksps.

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Un aspetto chiave degli ADC delta-sigma è che l'output del modulatore non è utilizzabile direttamente. Vale a dire, si tratta di un segnale a bassa risoluzione con rumore di quantizzazione modellato e SNR molto basso. Per modellare il rumore di quantizzazione di un modulatore delta-sigma vengono utilizzate varie tecniche, spingendolo a una frequenza più elevata a cui viene filtrato più facilmente, con segnali di interesse che occupano frequenze più basse nel passa banda del filtro. L'output del modulatore viene poi filtrato a basso passo per produrre risultati di conversione utilizzabili. Comunque, per la mera natura della sua architettura, un modulatore delta-sigma risente dei toni spuri nel suo spettro di output. Purtroppo, i toni spuri del modulatore possono (e lo fanno) comparire nel passabanda.

Può essere quasi impossibile ricercare un piccolo segnale in presenza di queste spurie. Gli ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) non risentono di questi difetti e sono caratterizzati da uno spettro di potenza con rumore bianco quasi ideale. Ciò rende gli ADC SAR una scelta più adatta per rilevare toni o vibrazioni a livelli di energia incredibilmente bassi. Comunque, molti SAR ADC continuano a risentire di discontinuità nella funzione di trasferimento CC al livello da 16 a 18 bit, quindi compromettendo le prestazioni CC.

The LTC2508-32 e LTC2512-24 hanno buone caratteristiche di linearità, in assenza di codici mancanti. Ciò consente applicazioni per trarre pieni vantaggi dalla straordinaria gamma dinamica dei dati di output filtrati.

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Con una densità di spettro del rumore di soli 22 nV_RMS/√Hz, LTC2508-32 offre prestazioni di rumore bassissimo rispetto a qualsiasi soluzione ADC concorrente con risoluzione a 24-bit o 32-bit (Figura 1). A differenza dell'output del modulatore delta-sigma, l'output di questo convertitore SAR di Power by Linear di Analog Devices è caratterizzato da una densità di spettro di potenza del rumore piatta, senza toni da contrastare. Ciò significa che il filtro digitale può essere progettato arbitrariamente per i requisiti dell'applicazione finale, piuttosto che per filtrare il rumore e i toni del modulatore. Il filtro LTC2508-32 ha un'architettura “spread-sinc”, che rappresenta un equilibrio accuratamente scelto tra banda di arresto e tempo di accomodamento. Il filtro digitale LTC2512-24 è caratterizzato da un passabanda uniforme “senza compromessi” da 0,001 dB che arriva a fo/4 (metà della zona di Nyquist). La zona di transizione e l'attenuazione nella banda di arresto del filtro LTC2512-24 sono meno aggressive di quelle della maggior parte dei filtri delta sigma, consentendo tempi di accomodamento rapidi e alterazioni nel dominio del tempo inferiori. Anche in questo caso, l'assenza di toni rende pratico questo tipo di filtro.

LTC2508-32 offre filtri di decimazione a 4 pin selezionabili, con le proprietà elencate nella Tabella 1. I quattro diversi filtri di decimazione consentono ai progettisti di trovare un compromesso tra rumore e ampiezza di banda in base alla scelta dell'applicazione. Per ciascuna configurazione dell'LTC2508-32, il filtro digitale è un filtro FIR (low-pass finite impulse response) con risposta in fase lineare. L'output del filtro digitale è poi sotto-campionato dal corrispondente fattore di sottocampionamento (DF). Quindi, il rate dati di output risultante (f_O) è pari a f_SMPL/DF. In ognuna delle possibilità di scelta del filtro di decimazione, l'ampiezza di banda -3db è inversamente proporzionale al valore DF selezionato. Ogni configurazione offre un'attenuazione minima di 80 dB per frequenze nella gamma dei f_O /2 e f_SMPL – f_O /2. Per ogni aumento 4x del fattore di sottocampionamento, la gamma dinamica ADC aumenta all'incirca di 6 dB, con conseguente gamma dinamica dai 131 dB a DF=256 fino a 145 dB a DF=16384. Ciò equivale a un effettivo numero di bit (ENOB) pari a 24. Tieni presente che è importante che il risultato ADC sia limitato da una elaborazione del rumore di qualità, cioè rumore termico, non rumore di quantizzazione.  Ciò significa che un ADC deve fornire almeno alcuni bit in più rispetto all'ENOB e, con una parola in uscita da 32-bit, il LTC2508-32 fornisce un numero sufficiente di bit per rappresentare i dati filtrati con un numero intero di byte.

Tabella 1: proprietà dei filtri in LTC2508-32

L'output dell'LTC2508-32 è sempre completamente accomodato in 10 campioni di output, indipendentemente dal DF. Poiché il fattore di sottocampionamento viene aumentato, l'ampiezza di banda viene ridotta, limitando il rumore e conseguentemente la gamma dinamica.  Con un fattore di sottocampionamento di 256, l'ampiezza di banda -3 dB dell'output filtrato è di 480 Hz, con conseguente rate dati di output di 3906 sps. All'altissimo DF di 16384, l'ampiezza di banda -3dB è scarsa e pari a 7,5 Hz, fornendo un elevatissimo filtro del rumore con conseguente rate dati di output molto basso, di 61 sps. 

Figura 1: risposta di LTC2508-32

Inoltre, LTC2508 offre doppi flussi di output dati dual, la versione con filtro digitale a 32-bitdel segnale di ingresso, senza latenza, un output composito da 22 bit direttamente dal convertitore SAR front-end. La parola di output senza latenza consiste in un codice a 14 bit che rappresenta l'ingresso differenziale e un codice a 8 bit che rappresenta la tensione in ingresso in modalità comune. L'output senza latenza è particolarmente utile nelle applicazioni di controllo, per il monitoraggio rapido del segnale in ingresso e fornisce feedback immediato per modificare le condizioni di carico. Può essere inoltre utilizzato per monitorare la qualità del segnale entrante e indicare gli errori del sistema, ad esempio, rilevando i segnali eccessivamente rumorosi o oscillanti che possono nascondersi nel filtro digitale. Queste informazioni possono essere utilizzate in combinazione con il valore in modalità comune a 8-bit per la manutenzione predittiva.  Le modifiche di tensione della modalità comune possono portare disturbi al flusso a monte, con conseguente potenziale guasto dell'apparecchiatura. Per il progettista, questo appare come due ADC in uno, offrendo rappresentazioni con corrispondenza perfetta del segnale in ingresso che non siano soggetti a problemi di mancata corrispondenza o deriva.

LTC2512-24 presenta molte somiglianze con il LTC2508-32, con i filtri di decimazione a 4 filtri selezionabili, come mostrato nella Tabella 2. La Figura 2 mostra la risposta in ampiezza del filtro digitale da DC a f_O, il rate dati di output. Sono supportati i fattori di sottocampionamento da 4 a 32, con conseguente miglioramento della gamma dinamica di 3 dB per ogni aumento 2x del fattore di sottocampionamento. LTC2512-24 è caratterizzato dallo stesso output di codice composito di 22-bit, fornendo una rappresentazione in tempo reale quasi ideale del segnale in ingresso. Per LTC2512-24, l'output è sempre accomodato in 35 campioni di output.

Tabella 2. proprietà dei filtri in LTC2512-24

Figura 2: Magnitudine della risposta in frequenza del filtro digitale LTC2512-24. f_O = f_SMPL/ DF

LTC2508-32 è un grande candidato per le applicazioni nel campo della sismologia e dell'esplorazione petrolifera, dove l'ADC deve risolvere segnali estremamente bassi nascosti all'interno del rumore. L'ampiezza di banda più grande e il passabanda uniforme dell'LTC2512-24 possono essere più adatti alla strumentazione medica come gli EKG, che traggono vantaggio dall'elevata gamma dinamica dell'output filtrato, mentre utilizzano l'output senza latenza per le informazioni in tempo reale come la posizione della sonda. Questi ADC sono l'ideale per ogni applicazione di precisione che utilizza un loop di controllo che deve reagire rapidamente ai cambiamenti del segnale in ingresso che non sarebbero immediatamente visibili attraverso l'output filtrato, più lento. Maggiori informazioni su questa famiglia di prodotti sono reperibili sul sito arrow.com