Care este diferența dintre un ADC integrat și un ADC independent? Care este cel mai potrivit pentru aplicația mea?

by donpedro

Sistemele distribuite complexe de astăzi achiziționează și analizează tot mai multe date analogice, oferind, în același timp, capabilități de monitorizare și diagnosticare. Pe măsură ce aceste sisteme devin din ce în ce mai complexe, nevoia critică de a măsura cu precizie semnalele analogice continuă să crească. Pentru a satisface mai bine aceste cerințe de precizie, proiectanții sunt adesea nevoiți să aleagă între un microcontroler (MCU) cu un convertor analog-digital integrat (ADC) sau un ADC de sine stătător. Așadar, care este diferența dintre un ADC integrat și un ADC independent și care este mai bun pentru aplicația voastră?

În primul rând, să explorăm compromisurile de performanță dintre ADC-urile integrate și cele independente, apoi putem determina cum să facem alegerea potrivită pentru aplicația voastră.

ADC-uri integrate: Compromisuri de performanță
Tehnologia de procesare

Să privim ADC-ul din perspectiva inginerului proiectant de circuite integrate (IC) semiconductoare care elaborează proiectul bazându-se pe un ADC integrat. Deoarece ADC-ul este un periferic al microcontrolerului, un proiectant care folosește un ADC integrat va avea tendința de a utiliza un proces compatibil cu microcontrolerul, cum ar fi un proces de 28 nanometri cu geometrie mică, care oferă o densitate digitală bună și tranzistori de mare viteză pentru microcontroler. Deși procesul cu geometrie mică poate reduce, în egală măsură, dimensiunea ADC-ului, există compromisuri semnificative pentru această abordare:

  • Costul relativ al ADC-ului va crește datorită costului substanțial mai mare al procesului.
  • Dimensiunea componentelor disponibile pe proces va crește zgomotul inerent al ADC-ului, în special zgomotul termic, sau zgomotul kT/C.
  • Capacitoarele mai mari utilizate în proiectele cu ADC-uri pentru a reduce zgomotul termic vor reprezenta o constrângere semnificativă de proiectare pe un proces cu geometrie mai mică (este mai dificil din punct de vedere geometric să se implementeze componentele necesare pentru performanța analogică în cazul geometriilor mai mici).
  • Capacitoarele cu geometrie mai mică vor introduce scurgeri și neliniarități în proiectare.
  • Problemele de potrivire care nu sunt la fel de bine controlate ca în cazul proceselor cu geometrie mai mare, cum ar fi cele de 90-nanometri sau 180-nanometri, vor duce la o lipsă de control în procesul de fabricație și vor genera variații în performanța parametrică a ADC-ului.

Figura 1: Acest grafic prezintă zgomotul alb, care corespunde părții plate a spectrului de zgomot. Zgomotul 1/f este prezent la frecvențe mai mici, crescând din zgomotul alb, aproximativ la frecvența de tăiere. (© Microchip Technology)

O altă provocare a procesului cu geometrie mică este zgomotul 1/f. Zgomotul 1/f domină la frecvențe joase și scade de la DC cu aproximativ un factor de 1/SQRT (frecvență). La frecvențe mai mari, zgomotul alb începe să domine zgomotul 1/f într-un punct numit frecvența de tăiere, după cum se arată în figura 1. Dacă un proiectant dorește să îmbunătățească performanța prin utilizarea tehnicilor de compensare digitală, cum ar fi medierea sau supraeșantionarea, trebuie să se asigure că eșantionează numai valori care conțin zgomot alb și nu zgomot 1/f.

Problema pentru procesele cu geometrie mai mică față de procesele cu geometrie mai mare este că frecvența de tăiere se deplasează mai sus – semnificativ mai sus. Tocmai de aceea, tehnicile de filtrare digitală, cum ar fi medierea sau supraeșantionarea, nu îmbunătățesc performanța sistemului în cazul sistemelor cu frecvențe de tăiere 1/f ridicate. De fapt, în unele cazuri, tehnicile de filtrare digitală pot scădea performanța sistemului. Pe scurt, limitările procesului vor dicta în cele din urmă performanța realizabilă a ADC-ului.

IC Layout

În cazul în care microcontrolerul este amplasat în circuitul integrat lângă ADC, performanța analogică a convertorului ADC va fi afectată în următoarele moduri:

  • Microcontrolerul cu comutare rapidă va introduce în circuit zgomot de comutare, mai ales că dimensiunea este redusă la suprafața unui circuit integrat, ceea ce face ca problemele să fie exponențial mai dificil de rezolvat.
  • Tehnicile de sincronizare și gestionare a ceasului pot fi utilizate pentru a minimiza aceste efecte, dar interacțiunea perifericelor și evenimentele asincrone vor avea în continuare un impact asupra performanței ADC.

Temperatura

Cea de-a treia provocare se referă la unul dintre cei mai mari dușmani ai performanței analogice – temperatura. Microcontrolerul aflat lângă ADC va acționa ca o sursă de temperatură variabilă, trecând de la putere activă de mare viteză (fierbinte) la standby, sleep sau hibernare (nu atât de fierbinte). Această schimbare de temperatură provoacă lucruri neplăcute circuitelor electronice (în special circuitelor analogice). Pentru a obține performanțe previzibile într-un mediu cu temperatură variabilă în timp, trebuie adăugate circuite de compensare a temperaturii, ceea ce crește dimensiunea și costul sistemului, un lux pe care ADC-urile integrate și-l permit cu greu.

Costuri de testare

Microcontrolerele sunt dispozitive digitale și, ca atare, sunt testate pe platforme de testare digitale folosind vectori de testare digitali. Soluția de testare digitală este optimizată pentru testarea parametrilor digitali în cel mai scurt timp de testare, pentru a obține cel mai mare volum de unități în cel mai scurt timp. În cazul în care aceste platforme de testare digitală au o capacitate de testare analogică, aceasta este adesea limitată, cu performanțe scăzute.  În consecință, testarea nivelurilor de performanță analogică este dificilă din cauza lipsei de precizie și a zgomotului din platforma de testare. Acesta este motivul pentru care specificațiile perifericelor analogice de pe microcontrolere sunt, de obicei, fie “garantate prin proiectare”, fie “garantate prin caracterizare”.  Alte câteva constrângeri asupra acestor testere sunt:

  • Adesea, acestea sunt capabile să testeze doar funcția analogică sau ceea ce face analogul și, adesea, nu au capacitatea de a testa cu acuratețe performanța analogică în funcție de temperatură.
  • Limitările testerului restricționează ulterior specificația de performanță a ADC-ului (nu puteți testa un dispozitiv specificat ca fiind un ADC de 1MSPS pe 12-biți dacă testerul vostru are o capabilitate de numai 100 kSPS pe 8-biți).
  • Nu este practic să adăugați capabilitatea de testare analogică de precizie la o platformă de testare digitală. Aceasta ar necesita o creștere de un ordin de mărime a costului de testare, care ar avea o creștere corespunzătoare a costului dispozitivului.

ADC-uri independente: Compromisuri de performanță
Tehnologia de procesare

În cazul unui ADC independent, deoarece ADC-ul este, acum, componenta principală, iar microcontrolerul este o componentă periferică a ADC-ului, un proiectant de circuite integrate poate alege să utilizeze un proces care să favorizeze ADC-ul, cum ar fi un proces de 180 nanometri, care oferă componente mai mari și bine adaptate pentru ADC. Și totuși, acest proces are un compromis fundamental care va limita performanța ADC-ului.

Prin utilizarea unui proces cu geometrie mai mare, proiectantul nu va avea un proces optimizat pentru procesarea digitală sau pentru comunicațiile seriale și va trebui să se bazeze în schimb pe tehnicile de proiectare analogică și de layout pentru a asigura performanța digitală. Lipsa unei densități digitale și a unei optimizări a vitezei va crește costul dispozitivului, iar performanța digitală va fi constrânsă de limitările procesului.

IC Layout

În ceea ce privește gestionarea zgomotului, un ADC independent are două avantaje față de abordarea cu ADC integrat:

  • Nu există alte periferice active pe dispozitiv care să afecteze performanța analogică.
  • Zgomotul de comutare poate fi gestionat, deoarece funcțiile analogice critice pot fi efectuate în timp ce ceasul este oprit.

Temperatura

Din nou, cel mai mare dușman al performanțelor analogice este temperatura, dar ADC-urile autonome oferă avantaje față de ADC-urile integrate în acest caz deoarece:

  • Nu există o sursă de temperatură variabilă în timp ( precum microcontrolerul) lângă ADC.
  • Deoarece acest proces este analogic, se pot adăuga cu ușurință circuite de compensare a temperaturii analogice pentru a minimiza impactul variațiilor de temperatură.

Costurile de testare

ADC-urile sunt dispozitive analogice și, ca atare, sunt testate pe platforme de testare analogică folosind echipamente analogice de precizie, însă acest lucru vine cu factori care cresc considerabil costul testării. Spre deosebire de platformele de testare digitale, care au o variație foarte bine controlată între testere, platformele de testare analogice tind să aibă o mare variație între plăcile de încărcare, generatoarele de semnal analogice și sistemele de măsurare analogice. Acest lucru tinde să crească costul testului din cauza necesității de calibrare. De asemenea, pentru a garanta performanța analogică în funcție de temperatură, tehnicile de compensare pentru circuitele analogice necesită adesea aplicarea unui reglaj de temperatură la testul final pentru a garanta o derivă scăzută a temperaturii.

Acum că știm care sunt compromisurile de semnal mixt și analogice, cum afectează acestea acuratețea și precizia?

Acuratețea și precizia

Acuratețea și precizia sunt doi termeni care sunt adesea utilizați alternativ, dar au semnificații foarte diferite. Acuratețea este abilitatea măsurătorii de a corespunde valorii reale și este necesară atunci când se încearcă măsurarea unei valori specifice. Precizia este abilitatea unei măsurători de a fi reprodusă în mod constant sau, cu alte cuvinte, repetabilitatea unei măsurători. Cu cât o măsurătoare este mai precisă, cu atât mai mult puteți discerne diferențe mai mici.

De exemplu, să luăm în considerare un cântar. Dacă 1.000 de uncii troy de aur sunt plasate pe un cântar și sunt măsurate de trei ori, indicând 1,001, 1,000 și 1,000, atunci aceasta este o precizie ridicată (abatere standard de 0,0005 uncii) și o acuratețe ridicată (eroare de 0,03% după calcularea mediei). Dacă un cântar diferit obține citiri de 1,018, 1,017 și 1,018 uncii, atunci se consideră că aceasta are în continuare o precizie ridicată (abatere standard de 0,0005 uncii), dar acuratețea este mai mică (eroare de 1,8 procente). (n.red.: Uncia troy (sau Uncia monetară) este o unitate de măsură utilizată în țările anglo-saxone pentru cotația metalelor prețioase ca aurul, argintul sau platina, ori a pietrelor prețioase.)

Așadar, ce este mai important, acuratețea sau precizia? Ei bine, depinde de aplicație, dar există multe cazuri în care sunt necesare atât acuratețea, cât și precizia.

Figura 2: Curba caracteristică de temperatură a termistorului ilustrează răspunsul temperaturii la modificarea rezistenței. (© Microchip Technology)

Acuratețea

Pentru a determina dacă aveți nevoie de acuratețe, este important să înțelegeți mai întâi cum este utilizat senzorul în aplicația voastră. Să luăm în considerare un exemplu de măsurare a temperaturii folosind un termistor cu coeficient de temperatură negativ (NTC). Primul lucru care iese în evidență în graficul rezistenței în funcție de temperatură al NTC este neliniaritatea dispozitivului, așa cum se vede în figura 2.

Dacă un proiectant trebuie să măsoare NTC doar la temperaturi ambientale mai scăzute, atunci poate utiliza un ADC cu rezoluție mai mică. Dacă trebuie să măsoare temperatura pe întreaga gamă de temperaturi, atunci trebuie să ia în considerare cele mai nefavorabile condiții la temperaturi ambiante mai ridicate și să utilizeze un ADC cu rezoluție mult mai mare.

Pentru a echivala acest lucru cu acuratețea sistemului, definiți intervalul de temperatură și calculați câtă acuratețe a temperaturii este necesară pe acest interval. Intervalul de temperatură va fi convertit într-un interval de intrare de tensiune analogică pentru ADC, iar acuratețea va fi cea mai mică abatere de la intrarea analogică măsurată pe care aplicația o poate tolera.

Precizia

Mai departe, să luăm în considerare precizia. În mod ideal, precizia trebuie să fie mai bună decât acuratețea. Dacă se utilizează o citire a temperaturii în bucla de reacție a unui sistem, atunci bucla de reacție trebuie să fie foarte stabilă. Dacă precizia este mai mică decât acuratețea, atunci bucla de reacție ar putea deveni instabilă.

Măsurători de acuratețe și precizie pentru ADC

Specificațiile importante ale ADC-ului care influențează acuratețea sunt neliniaritatea integrală, neliniaritatea diferențială, tensiunea de offset (decalaj), deriva tensiunii de offset, câștigul și deriva de câștig. Pentru a determina acuratețea, trebuie evaluate contribuțiile acestor surse de eroare. În mod similar, precizia este definită prin termenul de ENOB (Effective Number of Bits – număr efectiv de biți). Acesta vă indică abaterea pe care o veți observa într-un set de citiri ADC de la media reală. Cu alte cuvinte, 68,3% (sau o abatere standard de la medie) din citirile ADC pe care le efectuați se vor încadra în intervalul definit de ENOB.

Pentru a exemplifica, să revenim la exemplul NTC.

Să presupunem că ieșirea NTC-ului a fost calibrată pentru a fi liniară pe întregul interval de temperatură pentru a da 0V la -40°C și 2,5V la 85°C și că dorim să măsurăm cu o acuratețe de 1°C. Acuratețea de 1°C pe un interval de 125°C reprezintă o acuratețe de 0,8% pe tot intervalul. Presupunând că avem un ADC pe 12-biți cu o eroare totală de 1 LSB și o gamă de intrare de 2,5 V, acuratețea măsurătorii de la ADC este de așteptat să fie de 1/4096 sau 0,024% sau 2,5 V/4096 biți sau 610uV/biți, ceea ce reprezintă de 33 de ori mai multă acuratețe decât este necesar. Prin urmare, teoretic, un ADC pe 12-biți ar trebui să aibă o acuratețe suficientă pentru a îndeplini aceste cerințe.

Acum să ne uităm mai îndeaproape la un exemplu de ADC integrat pe 12-biți, 400 kSPS, integrat într-un microcontroler recent lansat.

În fișa sa tehnică, eroarea totală neajustată (TUE) este specificată ca fiind de ±1,8% de la -40°C la 85°C. Un ADC pe 6-biți cu o eroare totală de 1 LSB oferă o acuratețe de 1,6%, deci ce s-a întâmplat cu ceilalți 6-biți de pe ADC-ul pe 12-biți? Nu numai atât, eroarea poate fi și pozitivă sau negativă, poate exista o variație de 3,6% sau 90 mV în citirile de la ADC. În acest caz, eroarea mare de câștig în funcție de temperatură contribuie în mare măsură la reducerea acurateței. Această eroare mare de acuratețe este un produs secundar al limitărilor inerente tehnologiei de procesare. De fapt, fiți foarte atenți atunci când citiți fișele tehnice pentru ADC-urile integrate. În unele cazuri, fișa tehnică pentru ADC-ul integrat specifică doar performanța ADC-ului utilizând o referință de tensiune externă, din cauza zgomotului, a driftului și a performanțelor slabe ale referinței de tensiune integrate, ceea ce anulează scopul utilizării componentelor analogice integrate. Prin urmare, acuratețea ADC-ului integrat nu este suficient de bună în acest caz pentru a îndeplini cerința noastră de 0,8%.

Așadar, cum rămâne cu precizia ADC-ului integrat? Dacă ne uităm la specificația de precizie, ENOB este de 11,1-biți, ceea ce se traduce printr-o rezoluție de aproximativ 1,1 mV pe semnalul analogic de intrare de 2,5 V. Precizia este de aproximativ 80 de ori mai bună decât acuratețea sa. Rezultatul este că ADC-ul integrat are o eroare de 90,7 mV și o precizie de aproximativ 1,1 mV rms. Acuratețea ADC-ului integrat poate fi îmbunătățită prin utilizarea unei referințe externe, dar din cauza modului în care este specificat ADC-ul, nu se știe cât de mult va îmbunătăți referința externă performanțele de acuratețe.

În continuare, luați în considerare un ADC independent, cum ar fi MCP33141-10 de la Microchip Technology

Analizând precizia acestui ADC pe 12-biți, 1 MSPS, calculați TUE și faceți o comparație cu ADC-ul integrat. TUE în intervalul de temperatură de la -40°C la 125°C echivalează cu ±0,06%. Aceasta reprezintă o acuratețe de 30 de ori mai bună decât cea a ADC-ului integrat și pe o gamă mai largă de temperaturi. În ceea ce privește precizia, ADC-ul independent are un ENOB de 11,8-biți, astfel încât, în acest exemplu, precizia ADC-ului independent este de aproximativ 4 ori mai bună decât acuratețea sa. Rezultatul este că ADC-ul autonom are o eroare de 2,9 mV și o precizie de aproximativ 0,7 mV rms.

ADC integrat (Exemplu) ADC independent (MCP33141-10)
Eroare totală neajustată (TUE) ±1.8% ±0.06%
Acuratețe 3.60% 0.12%
Precizie 11.1-biți 11.8-biți

Tabelul 1: Acest tabel compară acuratețea și precizia dintre un ADC independent și un ADC integrat. (© Microchip Technology)

În această comparație, precizia unui ADC integrat și a unui ADC autonom este foarte apropiată. Cu toate acestea, chiar dacă ADC-ul integrat a fost precis, nu a putut atinge cerința de acuratețe de 1%. Numai ADC-ul independent poate îndeplini cerința de acuratețe de 1°C sau 0,8% în funcție de temperatură pentru un senzor de temperatură NTC.

Considerații de sistem privind acuratețea și precizia

Problema atunci când se analizează doar precizia ADC-ului este că nu se iau în considerare variabilele din sistemul sau sistemele în care este utilizat ADC-ul. Dacă ADC-ul este exact și precis, atunci ieșirea ADC-ului va fi consecventă pentru toate dispozitivele și toate condițiile, în loc să fie consecventă doar pentru un anumit dispozitiv sau o anumită condiție.

Prin urmare, dacă nu este nevoie de acuratețe sau consecvență de la un sistem la altul sau în toate condițiile în care un sistem trebuie să funcționeze, avantajele utilizării unui ADC integrat sunt reducerea complexității, a dimensiunii și a prețului. Complexitatea va fi mai mică în cazul unui ADC integrat, deoarece nu va fi nevoie să se dezvolte un software care să se interfațeze cu un ADC extern – și nici nu va fi nevoie să se țină cont de plasarea și rutarea semnalelor analogice și digitale către și de la ADC. Datorită integrării ADC-ului cu microcontrolerul, amprenta totală a plăcii va fi, de asemenea, mai mică. În plus, prețul unui microcontroler cu un ADC integrat este de obicei mai mic decât prețul combinat al unui microcontroler și al unui ADC de sine stătător.

Cu toate acestea, dacă este nevoie de precizie, acuratețe și consecvență de la un sistem la altul sau în toate condițiile în care un sistem trebuie să funcționeze, fiți foarte atenți la alegerea ADC-ului. Nu fiți proiectantul care cade în capcana de a crede că variația dispozitivului va fi mică și că tehnicile de compensare digitală pot fi folosite pentru a compensa inexactitatea sau performanța analogică inconsistentă. Nu uitați că tehnicile de compensare digitală ar putea reduce acuratețea sistemului, crescând în același timp complexitatea din cauza limitărilor inerente ale procesului.

De asemenea, asigurați-vă că în cazul ADC-ului și al referinței de tensiune se specifică nu numai acuratețea, ci și acuratețea în funcție de temperatură. Dacă ADC-ul nu specifică acuratețea în funcție de temperatură, există un risc ridicat ca variațiile de proces, de fabricație, de testare și de temperatură să apară ca erori în sistem. Chiar mai rău, aceste variații nu sunt deterministe. Un dispozitiv poate avea o derivă pozitivă semnificativă a câștigului, în timp ce un alt dispozitiv poate avea o derivă negativă semnificativă a câștigului. Aceste variații mari pot duce la instabilitate în sistem.

Atunci când se alege între un ADC integrat și unul de sine stătător, este vorba pur și simplu de o alegere între cost, acuratețe și consistența performanțelor. Odată ce ați definit acuratețea sau consistența performanțelor necesare, atunci selecția poate fi făcută cu ușurință.

Despre autor:
Iman Chalabi este inginer de marketing de produs în cadrul departamentului Mixed Signal Linear al Microchip Technology. În această calitate, el contribuie la extinderea portofoliului de convertoare analog-digitale ale Microchip. Iman a absolvit Universitatea din Toronto cu o diplomă în inginerie electrică și marketing.

Microchip Technology   |   https://www.microchip.com

Sigla-Microchip

S-ar putea să vă placă și

Adaugă un comentariu