Ce este un driver de convertor analog-digital și de ce am nevoie de unul?
După cum sugerează și numele, driverele pentru convertoarele analog-digitale (ADC) sunt amplificatoare dedicate proiectate special pentru a funcționa alături de ADC-uri, inclusiv arhitecturi bazate pe aproximări succesive, de tip pipeline și delta-sigma. Aceste amplificatoare specializate sunt componente de circuit critice care permit ADC-ului să funcționeze la performanțe maxime, după cum va fi analizat în secțiunile următoare.
Nevoia de condiționare a semnalelor analogice, inclusiv de ADC-uri, continuă să crească pe măsură ce senzorii devin din ce în ce mai numeroși în cadrul unei varietăți de piețe finale. Aceste piețe includ:
- Comunicații
- Domeniul medical
- Produse de consum
- Produse industriale
- Industria auto
În ceea ce privește ADC-urile, tendința pieței este de a se orienta către dispozitive cu rezoluție și viteză mai mari, pe măsură ce costul acestor soluții devine mai accesibil.
Înțelegerea intrărilor ADC
Înainte de a discuta despre funcțiile tehnice cerute unui driver ADC, este necesară o scurtă prezentare generală a arhitecturii de intrare a ADC-urilor actuale. Un semnal diferențial poate fi definit ca două noduri care au semnale egale, dar opuse, în jurul unui punct fix (nivelul de mod comun). Cele două noduri de semnal sunt denumite de obicei pozitiv și negativ (neinversor și inversor), așa cum se arată în figura 1.
Figura 1: Exemplu de undă sinusoidală diferențială (© Microchip Technology)
În acest exemplu, tensiunea de intrare la scară maximă este de 5V vârf la vârf diferențial, fiecare linie oscilând 2,5V vârf la vârf. Nivelul modului comun în acest exemplu este de 2,5V. Majoritatea CAN-urilor de înaltă performanță de astăzi implementează o arhitectură de intrare diferențială, deoarece oferă performanțe superioare (în raport cu intrările single-ended). Aceste beneficii de performanță includ abilitatea de a respinge zgomotul de mod comun și semnalele de interferență comune și o creștere de 6 dB (sau un factor de 2) a domeniului dinamic.
ADC-urile pot reprezenta o provocare foarte dificilă pentru proiectanții de sisteme, oferind o varietate de arhitecturi diferite de eșantionare a intrărilor care trebuie luate în considerare la nivel de sistem. În scopul acestei discuții, accentul va fi pus pe ADC-urile care utilizează o structură cu condensator în comutație pentru a realiza eșantionarea pe intrare. În forma sa cea mai elementară, această structură de intrare este compusă dintr-un condensator relativ mic și un comutator analogic, așa cum se arată în figura 2.
Atunci când comutatorul este configurat în poziția 1, condensatorul de eșantionare este încărcat la tensiunea nodului de eșantionare, în acest caz VS. Apoi, comutatorul este trecut în poziția 2, unde sarcina acumulată pe condensatorul de eșantionare este transferată către restul circuitelor de eșantionare. Procesul începe apoi din nou.
Figura 2: Structură simplă de intrare cu condensator în comutație (© Microchip Technology)
O intrare cu condensator în comutație fără tampon, precum cea descrisă mai sus, poate cauza probleme semnificative la nivelul sistemului. Curentul necesar pentru a încărca condensatorul de eșantionare la tensiunea corespunzătoare trebuie să fie furnizat de circuitele externe conectate la intrarea ADC-ului. Atunci când condensatorul este comutat la nodul de eșantionare (poziția 1 a comutatorului din figura 2), va fi necesară o cantitate mare de curent pentru a începe încărcarea condensatorului. Magnitudinea acestui curent instantaneu este o funcție de mărimea condensatorului de eșantionare, de frecvența la care este comutat condensatorul și de tensiunea prezentă pe nodul de eșantionare. Acest curent de comutație poate fi descris prin următoarea ecuație:
iin = CVf
În acest exemplu, C este capacitatea condensatorului de eșantionare, V este tensiunea prezentă pe nodul de eșantionare (notată aici VS), iar f este frecvența la care comutatorul de eșantionare este pornit și oprit. Acest curent de comutație are ca rezultat vârfuri de curent ridicate pe nodul de eșantionare, așa cum este ilustrat în figura 2.
Implicațiile acestui curent de comutație trebuie să fie luate în considerare la proiectarea circuitelor analogice din fața convertorului A/D. Pe măsură ce acest curent trece prin orice rezistență, se va produce o cădere de tensiune, ceea ce va duce la o eroare de tensiune la nodul de eșantionare al convertorului A/D. De asemenea, poate apărea o distorsiune dacă nodul de intrare nu este complet stabilizat înainte de următorul ciclu de eșantionare.
Soluție: Driverele ADC
Menținerea integrității necesare a semnalului senzorului pentru a profita pe deplin de aceste rezoluții mai mari și de aceste ADC-uri de viteză mai mare devine foarte dificilă. Pe măsură ce rezoluția și viteza ADC-ului cresc, efectele zgomotului și ale distorsiunilor din semnalul senzorului devin mai vizibile. La viteze de eșantionare ADC mai mari, trebuie avut grijă să se asigure că semnalul de intrare s-a stabilizat înainte de momentul eșantionării și că semnalele cu lățime de bandă mai mare nu se suprapun peste lățimea de bandă a semnalului de interes.
Pentru a depăși aceste provocări legate de condiționarea semnalului, multe aplicații ADC necesită un driver ADC care să asigure o stabilizare și un antialiasing (o filtrare trece-jos) suficiente. După cum s-a descris mai sus, majoritatea ADC-urilor moderne implementează o arhitectură de intrare diferențială. Una dintre principalele funcții ale driverului ADC este de a asigura conversia de la single-ended la diferențial a semnalului de intrare.
O altă funcție a driverului ADC este de a proteja semnalul de intrare, izolând astfel restul circuitelor de injecția de sarcină pe nodul de intrare al ADC-ului. Driverul ADC furnizează o sarcină instantanee pentru a se asigura că nodul de eșantionare se stabilizează în interiorul perioadei de conversie, minimizând astfel orice distorsiune legată de stabilizare.
Majoritatea amplificatoarelor driverelor ADC oferă, de asemenea, un pin hardware care permite utilizatorului să controleze nivelul tensiunii de mod comun. Această caracteristică este ideală pentru a se asigura că semnalul diferențial rezultat este centrat în intervalul de tensiune de intrare al ADC-ului, maximizând astfel intervalul dinamic.
În sfârșit, la fel ca majoritatea amplificatoarelor, driverele ADC pot asigura amplificarea semnalului de intrare, precum și filtrarea activă. Trebuie remarcat că majoritatea driverelor ADC sunt specificate cu un câștig relativ scăzut, de obicei câștiguri de numai 1 sau 2 V/V. Menținând câștigul în buclă închisă al amplificatorului la un nivel scăzut, câștigul buclei este maximizat, ceea ce duce la cea mai mică distorsiune. De exemplu, dacă un amplificator are un câștig în buclă deschisă de 100 dB și este configurat pentru un câștig în buclă închisă de 200, sau 46 dB, acest lucru lasă o marjă de câștig în buclă deschisă de numai 54 dB pentru a asigura liniaritatea, sau aproximativ o parte din 500. Prin urmare, este uzual să existe un etaj de câștig separat, care este situat aproape de sursa de semnal.
Pentru a profita la maximum de convertorul de date, driverul ADC trebuie să optimizeze performanța, adăugând în același timp distorsiuni, zgomot și erori de timp de stabilizare neglijabile la semnalul sursă. Driverul diferențial MCP6D11 a fost special proiectat pentru a maximiza performanța ADC-urilor de mare viteză, cum ar fi MCP33131, care este un ADC SAR pe 16-biți, 1MSPS. Pentru un exemplu despre modul în care aceste două dispozitive lucrează împreună pentru a maximiza performanța, analizați placa de evaluare MCP331x1 asociată (ADM00873).
Autor:
Kevin Tretter
Senior Product Marketing Engineer