L'ADC SAR a 18-bit e 15Msps con nessuna latenza migliora le prestazioni nei controlli ad alta velocità e nelle applicazioni di acquisizione dati

Ora, grazie all'ADC LTC2387-18 a 18 bit e 15Msps, Power by Linear di Analog Devices porta i vantaggi dell'architettura di registro ad approssimazioni successive (SAR) a queste applicazioni.

Figura 1: ADC SAR LTC2387-18 a 15Msps con interfaccia LVDS (Fonte: Power by Linear di Analog Devices)

LTC2387-18 offre diversi vantaggi agli ADC a pipeline, rendendo possibili significativi miglioramenti delle performance per le applicazioni che tradizionalmente si basano sugli ADC a pipeline.

Convertitore Pipeline o SAR?

Il design dei convertitori da analogico a digitale comporta una serie di compromessi, che dipendono dall'obiettivo principale: alta risoluzione, alta velocità o basso consumo di energia.

Al fine di coprire l'intera gamma di requisiti applicativi, negli anni sono comparse diverse architetture ADC; nelle applicazioni mediche, strumentali e industriali, le più comuni sono le architetture a Pipeline e SAR con velocità di campionatura nella gamma dai kHz ai MHz e risoluzioni fino a 20 bit.

L'architettura con registro ad approssimazioni successive (SAR) è stata tradizionalmente l'architettura imprescindibile per le principali applicazioni di conversione analogico-digitale con segnali a bassa frequenza. Rappresenta la transizione tra le architetture sigma-delta a bassa velocità ed elevata risoluzione, e l'architettura a pipeline ad alta velocità e prestazioni inferiori. Si tratta, solitamente, di architetture più economiche rispetto agli ADC a pipeline e che consumano una quantità di energia ridotta. Il convertitore SAR non presenta latenza tra conversioni successive, pertanto è la soluzione ideale per il campionamento di segnali multiplex o non periodici.

I convertitori a pipeline sfruttano un'architettura a pipeline sequenziale multifase che consente di aumentare la frequenza di campionamento. Dominano il mercato delle frequenze di campionamento molto elevate poiché acquisiscono segnali o ampiezze di banda dei segnali ampi a frequenze di ingresso superiori, e su una base per campione consumano meno energia rispetto agli ADC SAR veloci. Non sono adatti per la gestione di ingressi multiplex o non periodici poiché devono superare tutti gli stadi ogni volta che la fonte viene modificata, cosa che aggiunge una latenza considerevole.

Confronto tra le prestazioni di LTC2387 e LTC2269

Qual è il livello di performance di un LTC2387-18, in confronto a un convertitore a pipeline con prestazioni analoghe? La Figura 2 illustra una comparativa delle specifiche principali degli LTC2387-18 e LTC2269, un convertitore a pipeline a 16 bit e 20Msps.

Figura 2: Comparativa delle prestazioni degli LTC2387-18 e LTC2269

Vantaggi degli LTC2387-18

L'LTC2387-18 offre diversi vantaggi:

• Latenza: Gli ADC a Pipeline presentano diversi cicli di latenza. L'architettura SAR degli LTC2387 non presenta alcuna latenza o delay della pipeline. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni con controllo a circuito chiuso, dove la conversione da analogico a digitale fa parte del sistema di feedback negativo. Utilizzando un ADC senza latenza si ottiene una maggiore ampiezza di banda e una riposta di feedback più rapida.

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• Accuratezza CC: L'LTC2387-18 offre performance INL e di termine di errore superiori. Sebbene l'LTC2269 offra migliori prestazioni CC rispetto ai prodotti competitor, gli ADC a pipeline possono essere sensibili alle imperfezioni di processo, il che provoca la non linearità di guadagno, offset e altri parametri.

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• SNR: Data l'ampia gamma d'ingresso di 8.192Vp-p, l'LTC2387-18 offre almeno 10dB di vantaggio SNR, rispetto ad alcuni tra i migliori ADC a pipeline con velocità di campionatura simili. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni di imaging. I sensori di immagine ad array lineare catturano immagini continue e sono ampiamente utilizzati nei detector industriali, nella fotografia aerea e per le immagini satellitari. Tali applicazioni richiedono scansioni ad alta velocità, al fine di migliorare l'efficacia di rilevamento o catturare oggetti che si muovono velocemente. L'immagine da catturare potrebbe anche contenere oggetti che presentano livelli alti o bassi di luce, il che richiede una gamma dinamica in eccesso di 90 dB. I numeri di SINAD e dell'SNR LTC2387-18 permettono buone prestazioni anche a velocità di campionatura più alte, fino alla frequenza Nyquist, come illustrato dalla Figura 3. Questo vantaggio performativo li distingue dagli ADC SAR.

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• Rumore 1/f: Sebbene non sia esplicitamente menzionato nella scheda dati e sia molto difficile da misurare, l'architettura LTC2387 porta a un errore di compensazione molto ridotto. Ciò fa sì che anche il rumore 1/f sia molto minore. Gli ADC a pipeline, in generale, presentano un elevato rumore 1/f.

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  Sensibilità di layout: Le prestazioni dei convertitori a pipeline dipendono maggiormente dal layout PCB, rispetto ad altre architetture.

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• Dimensioni della confezione: l'LTC2387-18 è commercializzato in pacchetti QFN-32 5x5. L'LTC2269, con la sua interfaccia parallela, necessita di un pacchetto QFN-48 7x7 più grande. È disponibile una versione a canale doppio di LTC2269 con diversi output LVDS (LTC2271), commercializzata in un pacchetto salvaspazio QFN-52 7x8.

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• Figura 3: Prestazioni SNR & SINAD dell'LTC2387-18 con ingressi veloci fino alla frequenza Nyquist

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• Si noti che l'SNR (Rapporto segnale/rumore) rappresenta il rapporto tra il segnale di ingresso RMS e la somma RMS di tutte le altre componenti dello spettro, ad esclusione delle armoniche di segnale. Con SINAD si indica il rapporto tra Segnale -e-(Rumore + Distorsione) e la misurazione include sia il rumore che le armoniche di segnale. Nessun rapporto include dc. Il SINAD si degrada più rapidamente rispetto all'SNR ad alte frequenze di ingresso, per via dell'inclusione di tali armoniche. In generale, il SINAD è più importante per gli ingressi ad alta frequenza, in particolare quelli al di sopra dell'area Nyquist, come indicatore di performance nelle applicazioni undersampling. Sia gli SNR che i SINAD sono misurati con ingressi a scala completa.

Vantaggi dell'LTC2269

L'LTC2269 offre dei vantaggi sotto alcuni aspetti, ma:

• Consumo energetico: l'LTC2387-18 consuma più energia, rispetto ad altri ADC a pipeline simili e a parità di frequenza di campionamento. Per un minore consumo energetico, il designer potrebbe scegliere una delle parti pin-compatibili con una minore frequenza di campionamento offerte dalla famiglia di prodotti LTC238x – vedere qui di seguito.

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• Input Drive: Perché l'LTC2387-18 raggiunga il suo SNR superiore, il segnale di input analogico deve essere ridimensionato in modo da sfruttare appieno il livello di ingresso ±4.096V. L'LTC2269 ha un input a gamma completa di ±1.05V. Le applicazioni che presentano una mancata corrispondenza del segnale potrebbero necessitare di uno stadio driver aggiuntivo per il front end.

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• Performance più elevate nell'area Nyquist: I vantaggi dell'LTC2387-18 negli ADC a pipeline sono validi sono nella zona Nyquist, ad esempio, un'ampiezza di banda di metà frequenza di campionamento o meno. Gli ADC a pipeline sono più adatti alla digitalizzazione di segnali analogici dell'area Nyquist seconda e superiore, per le applicazioni di undersampling. L'LTC2269, in particolare, è stato progettato per offrire un SNR elevato, limitando l'ampiezza di gamma dell'input, e non è indicato per le applicazioni di undersampling.

Considerazioni relative all'applicazione

La scheda dati dell'LTC2387-18 contiene una sezione dettagliata sulle informazioni di applicazione, ma di seguito sono riportate alcune delle caratteristiche principali che differenziano la parte.

Interfaccia seriale

L'LTC2387-1 utilizza un'interfaccia Low Voltage Differential Signaling (LVDS) seriale per trasmettere i dati di output a FPGA downstream, microcontroller o DSP. Ciò permette di risparmiare I/O nel processore, oltre a ridurre il rumore digitale nel sistema.

Per un interfaccia semplice con una velocità FPGA inferiore, l'LTC2387 può far fluire il suo output attraverso due canali di dati LVDS. La velocità massima di trasmissione dati è 800Mbps. In modalità doppio canale, la velocità minima dei dati è 180Mbps per canale, a differenza dei 360Mbps della modalità a canale singolo.

Utilizzare l'LTC2387-18

L'LTC2387-18 ha una gamma di input a ±4.096V completamente differenziale. I pin IN⁺ e IN^- dovrebbero essere utilizzati a 180^o fuori fase l'uno rispetto all'altro, centrati intorno a un livello di voltaggio di modo comune V_CM = (IN⁺ + IN^-)/2.

Una fonte a bassa impedenza può attivare direttamente gli input ad alta impedenza senza errore, ma per prestazioni ottimali, dovrebbe essere utilizzato un amplificatore buffer. L'amplificatore offre un'impedenza di output bassa, il che consente di sistemare rapidamente il segnale analogico. Offre anche isolamento tra la fonte del segnale e il picchio di corrente disegnato dagli input ADC all'inizio di ogni fase di acquisizione, quando gli input possono essere modellati come un carico di condensatore commutato sul circuito di pilotaggio.

Figura 4: Circuito di pilotaggio di input tipico

Per questo utilizzo, è consigliato l'amplificatore operazionale LT6200 a rumore ultra-basso. Si tratta di un amplificatore operazionale singolo con input e output rail to rail e voltaggio del rumore a 0.95nV/√Hz. L'LT6200 unisce basso rumore a un'ampiezza di gamma di 165MHz, slew rate a 50V/µs e ottimizzazione per sistemi di condizionamento del segnale a bassa tensione.

I valori di resistore e condensatore filtro per il filtro RC sono specifici per l'applicazione. Il valore del resistore illustrato dalla Figura 4 offre buone prestazioni in diverse condizioni. Il valore del CFILT comporta un compromesso: valori maggiori offrono migliori performance in relazione al rumore, mentre a valori minori corrisponde un errore ad ampia gamma migliore. Un grafico presente nella scheda dati dell'LTC2387-18 fornisce valori rappresentativi basati sulla frequenza di campionamento.

È importante che i condensatori CFILT corrispondano il più possibile. Poiché resistori e condensatori possono aggiungere distorsione, il progetto dovrebbe adottare componenti di alta qualità quali resistori a strato metallico e condensatori ceramici (NPO) a deriva zero o mica/argento.

Riferimento tensione interna

Per risparmiare sui costi, l'LTC2387-18 comprende un riferimento interno di precisione a 2.048V con lo 0,25% di accuratezza iniziale garantito e un coefficiente di temperatura a ±20ppm/°C (massimo), oltre a un buffer di riferimento interno.

Il riferimento interno dovrebbe essere adeguato alla maggior parte delle applicazioni, ma se è necessaria maggiore accuratezza, è consigliabile utilizzare l'LTC6655. Quest'ultimo è un riferimento di precisione a basso rumore, che offre una deviazione inferiore a 2ppm/°C e una tensione d'uscita con uno scarto di ±0.025% nella gamma completa di temperature che va da –40°C a 125°C.

Oversampling con l'LTC2387-18

Molte applicazioni potrebbero necessitare di una frequenza di campionamento di pochi ksps ma avere bisogno di un alto rapporto segnale/rumore.

Un elettroencefalografo, ad esempio, potrebbe richiedere la raccolta dei segnali in presenza di alti livelli di rumore; l'attività elettrica in una cellula quando stimolata, noto come potenziale di azione, può variare da 10uV a 100mV a frequenze che partono da 100Hz fino ad arrivare a 2kHz.

In un'applicazione del genere, l'oversampling del segnale analogico relativamente lento o a banda stretta, al fine di eseguire un filtraggio digitale complesso in un processore downstream, è un modo per aumentare l'effettivo numero di bit (ENOB) dell'ADC e quindi aumentare l'SNR comunemente utilizzato.

L'SNR di un ADC ideale è dato dalla ben nota equazione:

SNR (dB) = (6.02 * ENOB) + 1.76

Per ogni bit di risoluzione aggiuntivo desiderato, il segnale deve essere sovracampionato con un fattore pari a quattro:

f_OS = 4^W * f_S

dove w corrisponde al numero di bit aggiuntivi desiderati, f_S è la frequenza di campionamento originale e f_OS è la frequenza di oversampling.

Il rumore deve essere vicino al rumore bianco con una densità spettrale di potenza uniforme nella banda di frequenza che interessa e la sua ampiezza deve essere grande abbastanza da portare l'input a cambiare a caso di almeno 1LSB tra campionamenti successivi.

Dati tali limiti, la frequenza di campionamento dell'LTC2387-18 risulta ideale per l'oversampling degli input analogici con ampiezze di banda dell'input nella gamma dei kHz, il che migliora ulteriormente la prestazione relativa al rumore.

Figura 5: prodotti della famiglia LTC 238x

La famiglia di prodotti LTC238x offre maggiore flessibilità progettuale

I progettisti di sistema possono adeguare le prestazioni ADC all'applicazione. La famiglia di dispositivi pin-compatibili LTC238x offre risoluzioni a 16 o 18 bit sia nella gamma di temperature industriali che in quelle commerciali. I progettisti possono ridurre i consumi energetici a seconda della risoluzione desiderata, scegliendo una frequenza di campionamento di 5 o 10Msps. Come è possibile notare nella Figura X, non c'è alcuno svantaggio energetico, nel passare da una risoluzione a 16 bit a una a 18, mantenendo la stessa frequenza di campionamento.

Supporto alla progettazione

La valutazione dell'LTC2387-18 è semplificata dalla relativa scheda dimostrativa associata, la DC2290A-A che si vede in figura 6. La DC2290A-A dimostra le prestazioni CA dell'LTC2387-18, unitamente alla scheda di raccolta dati (DC718) per il sistema PScope™, un sistema di acquisizione dati e dimostrazione di prodotto basato su USB.

Figura 6: scheda di dimostrazione DC2290A-A per LTC2387-18

Sono disponibili separatamente schede dimostrative di amplificatori differenziali che offrono amplificazione dei segnali differenziali di basso livello, se richiesto. Per questo utilizzo, è consigliata la scheda driver DC2403A ADC. In alternativa, connettendo la DC2290A a un'applicazione cliente, la prestazione dell'LTC2387 può essere valutata direttamente nell'ambito di tale circuito.

Power by Linear di Analog Devices offre una vasta gamma di strumenti di acquisizione dati e analisi gratuiti, tra cui il software PScope per DC718.

Per gli altri prodotti della famiglia LTC238x, scegli la combinazione di schede dimostrative appropriata secondo la figura sottostante.

Figura 7: Scheda dimostrativa e Opzioni di schede driver per la Famiglia LTC238x

Conclusioni

L'LTC2387-18 è un convertitore da analogico a digitale (ADC) a 18 bit e 15Msps, con registro ad approssimazioni successive (SAR) che offre prestazioni superiori, rispetto ai convertitori a pipeline, fino alla frequenza Nyquist, e che comprende miglioramenti fino a 20dB SNR, distorsione molto bassa, nessuna latenza di ciclo e nessun delay di pipeline.

Rappresenta la scelta ideale per la digitalizzazione di segnali analogici ad ampia banda per varie applicazioni, comprese le comunicazioni, l'imaging ad alta velocità, le strumentazioni mediche e ATE. È particolarmente adatto per chiudere loop di controllo veloci, dove l'assenza di operazioni di latenza produce un'ampiezza di banda maggiore e una risposta più rapida.