Un’attenta selezione e implementazione del riferimento di tensione sono essenziali per migliorare la precisione e l’accuratezza della catena del segnale ADC.
Moltissimi sistemi, dai termostati ai flight control, impiegano un convertitore analogico-digitale (ADC) per catturare segnali analogici del mondo reale che verranno elaborati nel dominio digitale per essere utilizzati per intraprendere le azioni necessarie previste dal sistema. Ogni ADC offre un numero di bit per rappresentare i vari livelli digitali che può produrre.
Tuttavia, in una tipica catena di segnali, per un input ADC costante, l’output dell’ADC non è un valore digitale costante a causa di vari errori; è importante pertanto considerare il numero effettivo di bit (ENOB) o la risoluzione noise-free della catena di segnali per un corretto confronto nonché per estrarre il massimo delle informazioni dai dati acquisiti. Una maggiore precisione richiede un ENOB più elevato e una risoluzione noise-free.
In genere, il rapporto segnale/rumore (SNR), la distorsione armonica totale (THD) e il rumore del sistema svolgono un ruolo importante nel calcolo dell’ENOB. Per molti sistemi come trasmettitori o applicazioni di test e misura, l’accuratezza e la precisione del segnale di ingresso DC sono fondamentali, con la specifica del rumore diventa un valore critico. Il riferimento di tensione utilizzato con un ADC è un elemento critico nella catena del segnale che può influire sulla precisione e l’accuratezza.
L’impatto del riferimento di tensione sul rumore dell’ADC
Sebbene sia possibile rimuovere parte del rumore tramite filtri, non è realisticamente possibile filtrare il rumore a frequenze molto basse. In un riferimento di tensione, non è inoltre possibile filtrare il rumore di sfarfallio (che è rumore da 0,1 Hz a 10 Hz) senza un impatto importante sulle prestazioni della catena del segnale a causa delle dimensioni dei componenti del filtro resistore-condensatore da utilizzare. Pertanto – mettiamoci il cuore in pace – il rumore sarà quasi sempre presente in qualsiasi sistema.
Oltre al rumore dovuto al riferimento di tensione, ci sarà rumore prodotto dall’ADC stesso e dal driver ADC. Ognuno di questi componenti contribuisce al rumore del circuito del convertitore analogico digitale che genera il segnale digitale. La Figura 1 rappresenta uno schema a blocchi semplificato di un ADC.
L’equazione 1 esprime il rumore totale di questo circuito:
La quantità di rumore presente nel circuito è un valore importante per determinare l’ENOB del sistema. In generale, la selezione di dispositivi a basso rumore è essenziale per una progettazione a basso rumore. In questo articolo,
Questo articolo tecnico si focalizzerà non solo sulla selezione del riferimento di tensione, ma anche su altre scelte che possono massimizzare le prestazioni dell’ADC.
L’impatto del riferimento di tensione su THD
Il campionamento ripetuto del pin di riferimento di tensione può causare la comparsa di transitori di corrente che possono essere intervallati da pochi nanosecondi. In ogni caso, per un ADC, il riferimento esterno deve stabilizzarsi o ricaricarsi entro la fine della fase di campionamento per evitare un errore. Rallentare la velocità di campionamento potrebbe risolvere questo problema, ma non è sempre un’opzione. In genere, più è preciso l’ADC, maggiore è l’assorbimento di corrente richiesto sul suo ingresso di riferimento. Se un riferimento di tensione non ha una larghezza di banda sufficientemente elevata o ha un’impedenza di uscita troppo elevata, non sarà in grado di ricaricare l’ingresso di riferimento dell’ADC. Ciò causerà un calo di tensione, che porterà a un errore di guadagno e a un ENOB inferiore.
Per questo motivo, a volte è necessario un buffer esterno al riferimento di tensione con elevata larghezza di banda e bassa impedenza di uscita per aumentare la THD dell’ADC e soddisfare le specifiche per distorsione ed ENOB. Alcuni ADC hanno un buffer di riferimento di tensione interno, ma non tutti.
In che modo il rumore di riferimento di tensione e la THD influenzano l’ENOB
L’ENOB misura in che modo le caratteristiche AC del circuito influenzano la risoluzione dell’ADC. Il rumore e la THD del circuito sono rappresentati dal termine SINAD (segnale/rumore + distorsione). SINAD rappresenta queste due caratteristiche AC in un numero, come espresso dall’equazione 2:
Dall’equazione 2, è possibile vedere che all’aumentare dell’SNR, aumenta anche il SINAD. Quindi, meno rumore e distorsione sono presenti, migliore è il SINAD. Utilizzando il SINAD, si può usare l’equazione 3 per trovare facilmente l’ENOB dell’ADC:
Riprendendo l’equazione 1, la riduzione del rumore totale presente nel riferimento di tensione ridurrebbe il rumore totale presente nel circuito, portando a un aumento dell’SNR.
Con un aumento dell’SNR, anche l’ENOB aumenterà. Inoltre, l’aggiunta di un buffer ad alta larghezza di banda sull’uscita del riferimento di tensione porterebbe anche a una riduzione del THD dell’ADC, consentendo all’ENOB di aumentare.
Come il rumore del riferimento di tensione influisce sulla risoluzione noise-free
Mentre l’ENOB rappresenta la risoluzione dell’uscita dell’ADC, non tiene conto delle prestazioni DC. Per comprendere le implicazioni di risoluzione del rumore da un ingresso DC all’ADC, consideriamo di trovare la risoluzione noise-free del circuito. Utilizzando l’equazione 4 è possibile calcolare la risoluzione noise-free osservando la diffusione del codice in numero di bit meno significativi (LSB) dell’uscita digitale di un ADC durante la misurazione di un segnale DC:
Per evidenziare l’impatto del rumore di riferimento sulle prestazioni di precisione del sistema, questo è il risultato del test di diffusione del codice DC per una data catena di segnali utilizzando il REF70 (con rumore di sfarfallio di 0,23ppmp-p) e il REF50 (con rumore di sfarfallio di 3ppmp-p). Sia il REF50 che il REF70 sono riferimenti di tensione ad alta precisione utilizzati con ADC ad alta precisione e hanno caratteristiche DC diverse.
L’obiettivo è esclusivamente quello di confrontare le prestazioni di rumore di questi dispositivi in un circuito di catena di segnali. Il progetto utilizza batterie per una sorgente DC stabile con un livello di tensione vicino all’intervallo di scala completa dell’ADC SAR a 20 bit ADS8900B di Texas Instruments, che cattura i dati a 20 kSPS. L’OPA2320 viene utilizzato con un guadagno = 1 per pilotare gli ingressi del ADS8900B. Questo ADC integra il driver del buffer di riferimento; pertanto, non è richiesto un buffer di riferimento opzionale. Posizionando un semplice filtro passa-basso resistore-condensatore sull’uscita del riferimento di tensione si riduce ulteriormente il rumore dal riferimento di tensione. La Figura 3 mostra la configurazione utilizzata per questi test.
Anche i componenti della catena del segnale accanto al riferimento di tensione presentano rumore di sfarfallio, che farà parte della diffusione del codice finale. Poiché la catena del segnale rimane la stessa solo con riferimenti diversi, l’impatto sui numeri delle prestazioni deve derivare solo dal rumore del riferimento di tensione.
I sistemi ad alta precisione utilizzano tecniche di elaborazione dati per migliorare la precisione e aumentare la risoluzione complessiva. In questo caso abbiamo convertito i dati grezzi a 20 bit dall’ADS8900B in una lunghezza a 24 bit moltiplicando l’uscita per 16. Diversi filtri FIR (Finite Impulse Response) hanno elaborato i dati convertiti a 24 bit. I filtri FIR sono facili da implementare e si stabilizzano più velocemente se si verifica una modifica nei valori di input. La velocità dei dati in uscita rimane a 20 kSPS, ma con latenza definita dalle caratteristiche del filtro.
A un livello di 24 bit, il rumore (e quindi la precisione) di REF50 e REF70 sono quasi simili, con il rumore complessivo dominato dalla catena del segnale e dal suo rumore a larghezza di banda ampia. La differenza nel valore medio del codice è dovuta alla differenza di tensione di riferimento, una specifica di accuratezza che è possibile eliminare tramite calibrazione. Questi risultati possono essere visualizzati nella Figura 4 e nella Figura 5.
Abbiamo utilizzato lo strumento Octave per condurre la post-elaborazione dei dati grezzi con tre diversi filtri digitali:
- Filtro a media mobile a 1.024 tap.
- Filtro passa-basso a 801 tap 17 Hz.
- Filtro passa-basso a 455 tap 36 Hz.
La Figura 6 mostra la risposta del filtro per questi filtri.
Le Figure 7, 8 e 9 illustrano l’impatto del filtro digitale sugli spread del codice.
Utilizzando l’Equazione 4, è possibile confrontare facilmente l’impatto del REF50 e del REF70 con ciascun profilo del filtro sulla risoluzione ADC. I risultati di questi test sono riassunti nella Tabella 1.
Questo confronto mostra che nelle applicazioni di massima precisione, il REF70 funziona meglio del REF50 quando si calcola la risoluzione senza rumore, principalmente a causa della differenza nei livelli di rumore di sfarfallio dei dispositivi. La ridotta diffusione del codice quando si utilizza il REF70 mostra che il suo rumore ultra-basso può offrire un vantaggio di risoluzione di quasi 2 bit nelle applicazioni ad alta precisione.
Inoltre, possiamo vedere che l’utilizzo di un riferimento a basso rumore consente di utilizzare un filtro a 455 tap veloce, pur essendo in grado di mantenere un’elevata risoluzione senza rumore. Il rumore di sfarfallio del riferimento a bassa tensione porterà a una minore diffusione del codice, consentendo così una maggiore risoluzione noise-free. Come l’ENOB, il rumore è una considerazione importante quando si progetta la catena del segnale per una bassa risoluzione noise-free.
Conclusione
Poiché gli ADC sono utilizzati in migliaia di applicazioni e tecnologie, ci sarà sempre la necessità di ottenere una migliore accuratezza e una maggiore precisione. Sia che si stia progettando un sistema a raggi X altamente avanzato, un circuito di prova della batteria eccezionalmente preciso o qualsiasi altra innovazione leader a livello mondiale, un’attenta selezione e implementazione del riferimento di tensione sono essenziali per migliorare la precisione e l’accuratezza della catena del segnale ADC. Sarà possibile aumentare la risoluzione ENOB e noise-free dell’ADC, consentendo implementazioni della catena del segnale più avanzate e diversificate.
Jackson Wightman è Applications Engineer Voltage References presso Texas Instrument; Shridhar More è System Manager – Voltage Reference and Supervisor presso Texas Instruments.
