Tutto ciò che c’è da Sapere sulla Funzione dei Driver Analog-to-Digital (ADC)

di Kevin Tretter, Senior Product Marketing Engineer, Microchip Technology inc.

Come suggerisce il nome, i driver degli  analog-to-digital converter  (ADC) sono amplificatori speciali progettati espressamente per funzionare con gli ADC, comprese le approssimazioni successive, architetture basate su pipeline e delta sigma. Questi amplificatori speciali sono componenti circuitali critici che consentono all’ADC di funzionare al massimo delle sue prestazioni, come esploreremo nelle sezioni successive.

Che cos’è un driver per analog-to-digital-converter e perché me ne serve uno?

Come suggerisce il nome, i driver per  analog-to-digital converter (ADC) sono amplificatori speciali progettati espressamente per funzionare con gli ADC, comprese le approssimazioni successive, architetture basate su pipeline e delta sigma. Questi amplificatori speciali sono componenti circuitali critici che consentono all’ADC di funzionare al massimo delle sue prestazioni, come verrà esplorato qui di seguito, nelle sezioni a seguire.

La necessità di condizionamento del segnale analogico, ivi compresi gli ADC, continua a crescere man mano che i sensori diventano sempre più abbondanti in una varietà di mercati finali.
Questi mercati finali includono:

• Comunicazioni
• Medicale
• Consumer
• Industriale
• Automotive


Per gli ADC, la tendenza del mercato è quella verso dispositivi a risoluzioni e velocità sempre più elevate, poiché il costo di tali soluzioni sta diventando via via più accessibile.

Analizziamo meglio gli Input ADC

Prima di esaminare le funzioni tecniche richieste da un driver ADC, è necessaria una breve panoramica sull’architettura di input degli ADC odierni. Un segnale differenziale può essere definito come due nodi che hanno segnali uguali ma opposti attorno ad un punto fisso (o common mode level). I due nodi di segnale sono generalmente indicati come positivo e negativo (non invertente e invertente), come mostrato nella Figura 1.

Figura 1: Esempio di Onda Sinusoidale Differenziale

Nell’esempio sopra, la tensione di ingresso a fondo scala è di 5V picco-picco in modo differenziale, con ciascun lato che oscilla di 2,5 V da picco a picco. Il common mode level in questo esempio è 2,5V. La maggior parte degli ADC odierni a prestazioni più elevate implementa un’architettura di ingresso differenziale, poiché fornisce prestazioni superiori (rispetto agli ingressi single-ended). Questi vantaggi in termini di prestazioni includono la capacità di respingere il common mode noise e common interference signal ed un aumento di 6 dB (o un fattore 2) della gamma dinamica

Gli ADC possono rappresentare una sfida particolarmente difficile per i progettisti di sistemi, offrendo una varietà di diverse architetture di campionamento degli ingressi che devono essere considerate a livello di sistema. Ai fini di questa analisi, l’attenzione sarà sugli ADC che utilizzano una struttura di tipo switched-capacitor per eseguire il campionamento degli ingressi. Nella sua forma più elementare, questa struttura di ingresso è composta da un condensatore relativamente piccolo ed un interruttore analogico, come mostrato nella Figura 2 qui di seguito.

Figura 2: Semplice Struttura con Ingresso Swiched-Capacitor

Quando il commutatore si trova sulla posizione 1, il condensatore di campionamento viene caricato alla tensione del nodo di campionamento, in questo caso VS . Il commutatore viene quindi posto sulla posizione 2, dove la carica accumulata sul condensatore di campionamento viene trasferita al resto del circuito di campionamento. A quel punto il processo ricomincia da capo.

Un ingresso switched-capacitor non bufferizzato, come quello descritto sopra, può causare problemi significativi a livello di sistema. La corrente necessaria per caricare il condensatore di campionamento alla tensione appropriata deve essere fornita dal circuito esterno collegato all’ingresso dell’ADC. Quando il condensatore viene commutato sul nodo di campionamento (posizione dell’interruttore 1 in Figura 2), sarà necessaria una grande quantità di corrente per iniziare a caricare il condensatore. L’entità di questa corrente istantanea è funzione della dimensione del condensatore di campionamento, della frequenza alla quale il condensatore viene commutato e della tensione presente sul nodo di campionamento. Questa corrente di commutazione può essere descritta dalla seguente equazione:

Nell’esempio sopra, C è la capacità del condensatore di campionamento, V è la tensione presente sul nodo di campionamento (in questo esempio indicato come VS) ed f è la frequenza alla quale il commutatore di campionamento viene acceso e spento. Questa corrente di commutazione provoca picchi di corrente elevati sul nodo di campionamento, come illustrato nella Figura 2.

Le implicazioni di questa corrente di commutazione devono essere considerate quando si progetta il circuito analogico davanti al convertitore A/D. Quando questa corrente passa attraverso qualsiasi resistenza, si verificherà una caduta di tensione, con conseguente errore di tensione nel nodo di campionamento del convertitore A/D. La distorsione può verificarsi anche se il nodo di input non sia stato completamente stabilizzato prima del successivo ciclo di campionamento.

La soluzione: driver ADC

Mantenere l’integrità di segnale del sensore, richiesta al fine di sfruttare appieno queste risoluzioni, più elevate, e mirare a delle velocità più elevate degli ADC diventa molto impegnativo. All’aumentare della risoluzione e della velocità dell’ADC, gli effetti del rumore e della distorsione del segnale del sensore diventano via via più evidenti. A velocità di campionamento ADC più elevate, è necessario prestare molta attenzione al fine di garantire che il segnale di ingresso si sia stabilizzato prima dell’evento di campionamento e che i segnali a larghezza di banda più elevata non si ripresentino come alias nella larghezza di banda del segnale di interesse.

Per superare questi problemi di condizionamento del segnale, molte applicazioni ADC richiedono un driver ADC che fornisca un assestamento, e anti-aliasing, sufficienti. Come descritto sopra, la maggior parte degli ADC moderni implementa un’architettura di input differenziale. Una delle funzioni principali del driver ADC è fornire una conversione da single ended a differenziale del segnale in ingresso.

Un’altra funzione del driver dell’ADC è quella di bufferizzare il segnale di ingresso, isolando quindi il resto della circuiteria dall’iniezione di carica sul nodo di ingresso dell’ADC. Il driver ADC fornisce una carica istantanea per garantire che il nodo di campionamento sia assestato entro il tempo della traccia, riducendo così al minimo qualsiasi distorsione relativa all’assestamento.

La maggior parte degli amplificatori di driver ADC fornisce anche un pin hardware che consente all’utente di spostare il livello della tensione common mode. Questa caratteristica è ideale per garantire che il segnale differenziale risultante sia centrato all’interno dell’intervallo di tensione di ingresso dell’ADC, massimizzando così l’intervallo dinamico.

Infine, analogamente alla maggior parte dei componenti dell’amplificatore, i driver ADC possono fornire l’amplificazione del segnale di ingresso e il filtraggio attivo. Va notato che la maggior parte dei driver ADC è specificata con un guadagno relativamente basso, in genere guadagni di solo 1 o 2 V/V. Mantenendo basso il guadagno closed-loop dell’amplificatore, il loop di guadagno viene massimizzato, con una conseguente minima distorsione. Per esempio, se un amplificatore ha un guadagno open-loop di 100 dB e viene configurato per un guadagno closed-loop di 200, o 46 dB, questo lascia solo 54 dB di margine di guadagno open-loop per assicurare linearità, o circa una parte su 500. Pertanto, è comune avere uno stadio di guadagno separato che si trova vicino alla sorgente del segnale.

Per ottenere il massimo dal tuo convertitore di dati, il driver ADC deve ottimizzare le prestazioni aggiungendo al segnale sorgente una distorsione, rumore ed errori di tempo di assestamento trascurabili.
Il driver differenziale
 MCP6D11  è progettato specificamente per massimizzare le prestazioni degli ADC ad alta velocità come l’ MCP33131, che è un ADC SAR a 16 bit e 1MSPS.
Per avere un esempio di come questi due dispositivi lavorino insieme al fine di massimizzare le prestazioni, verifica le caratteristiche della
 MCP331x1 Evaluation Board (ADM00873) associata.

 

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