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Comprender la función de los Controladores Analógicos a Digitales (ADC)

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La necesidad de acondicionamiento de señal analógica, incluidos los Controladores Analógicos a Digitales ADC, continúa creciendo a medida que los sensores se vuelven cada vez más abundantes en una variedad de mercados finales.

Se anticipa que el mercado general de sensores crece a una tasa anual compuesta de más del nueve por ciento. Los mercados finales incluyen expansión dentro de varias aplicaciones de IoT, automatización y control de fábricas, salud pública y seguridad, atención médica y automotriz. Para los ADC, la tendencia del mercado es hacia una mayor resolución, con dispositivos de mayor velocidad a medida que el costo de tales soluciones se vuelve más asequible.

¿Qué es un controlador ADC?

Como su nombre lo indica, los controladores ADC son amplificadores especiales que están diseñados específicamente para trabajar junto con los ADC, incluyen arquitecturas de aproximación sucesiva basadas en delta-sigma. Estos amplificadores especializados son componentes críticos del circuito para permitir que el ADC funcione a pleno rendimiento y se han vuelto más vitales con la expansión de convertidores de mayor velocidad y resolución.

Comprender las entradas ADC

Antes de discutir las funciones técnicas requeridas de un controlador ADC, es útil una breve descripción de la arquitectura de entrada del ADC actual. Una señal diferencial se puede definir como dos nodos que tienen señales iguales pero opuestas alrededor de un punto fijo (llamado nivel de modo común). Los dos nodos de señal se denominan típicamente positivos y negativos (o no inversor e inversión), como se muestra en la siguiente figura.

Figura 1: Ejemplo de onda sinusoidal diferencial
Figura 1: Ejemplo de onda sinusoidal diferencial

En el ejemplo anterior, el voltaje de entrada a gran escala es de 5 V pico a pico de manera diferencial, con cada lado balanceado a 2.5 V pico a pico. El nivel de modo común en este ejemplo es 2.5 V. La mayoría de los ADC de mayor rendimiento de hoy implementan una arquitectura de entrada diferencial, ya que proporciona un rendimiento superior (en relación con las entradas de un solo extremo). Estos beneficios de rendimiento incluyen la capacidad de rechazar el ruido del modo común y las señales de interferencia comunes y un aumento de 6 dB (o un factor de 2) en el rango dinámico.

Así, los Controladores Analógicos a Digitales pueden plantear un desafío especialmente difícil para los diseñadores de sistemas, ofreciendo una variedad de diferentes arquitecturas de muestreo de entrada que deben considerarse en el nivel del sistema. Para los fines de esta discusión, el enfoque estará en los ADC que usan una estructura de capacitación conmutada para lograr el muestreo de entrada. En su forma más básica, esta estructura de entrada se compone de un condensador relativamente pequeño y un interruptor analógico, como se muestra en la figura siguiente.

Figura 2: Estructura de entrada conmutada simple por condensador
Figura 2: Estructura de entrada conmutada simple por condensador

Cuando el interruptor está configurado en la posición 1, el condensador de muestreo se carga al voltaje del nodo de muestreo, en este caso Vs. Y, posteriormente, el interruptor se voltea a la posición 2, donde la carga acumulada en el condensador de muestreo se transfiere al resto de los circuitos de muestreo y el proceso comienza de nuevo.

Una entrada conmutada por condensador, como la descrita anteriormente, puede causar problemas significativos en el nivel del sistema. La corriente requerida para cargar el condensador de muestreo al voltaje apropiado debe suministrarse desde los circuitos externos conectados a la entrada ADC. Cuando el condensador se cambia al nodo de muestreo (posición del interruptor 1 en la Figura 2), se requerirá una gran cantidad de corriente para comenzar a cargar el condensador. La magnitud de esta corriente instantánea es una función del tamaño del condensador de muestreo, la frecuencia a la que se cambia el condensador y el voltaje presente en el nodo de muestreo.

Esta corriente de conmutación se puede describir mediante la siguiente ecuación: iin = CVf

Cuando C es la capacidad del condensador de muestreo, V es el voltaje presente en el nodo de muestreo (en este ejemplo denotado como Vs), y F es la frecuencia a la que el interruptor de muestreo se enciende y apaga. Esta corriente de conmutación da como resultado picos de alta corriente en el nodo de muestreo, como se ilustra en la Figura 2.

Las implicaciones de esta corriente de conmutación deben considerarse al diseñar los circuitos analógicos frente al convertidor A/D. A medida que la corriente de entrada pasa a través de cualquier resistencia, se producirá una caída de voltaje, lo que resulta en un error de voltaje en el nodo de muestreo del convertidor A/D. La distorsión también puede ocurrir si el nodo de entrada no está completamente resuelto antes del siguiente ciclo de muestreo.

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Periodista de corazón y redactora Jefe desde su fundación en la editorial técnica NTDhoy, S.L. así como freelance para otras publicaciones especializadas. Me gusta el mar, leer y divertirme con mi perro y mis amigos.

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