Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. I convertitori AD rappresentano una pietra miliare dell’elettronica moderna senza la quale l’elaborazione numerica e la trasmissione digitale dei segnali non sarebbero nemmeno pensabili. In questo articolo ne discuteremo le architetture. Particolare enfasi sarà data ad una serie di considerazioni sui convertitori AD più diffusi nell’elettronica applicata: gli ADC ad approssimazioni successive (SAR).
PROGETTAZIONE E SCELTA DEGLI ADC
Molto spesso, si utilizzano negli ADC, DAC in tecnologia bipolare per la loro maggiore velocità. Tutto è come sempre legato alla necessità di ottenere la maggiore velocità di conversione possibile ed al fatto che il DAC risulta la parte più lenta del convertitore. La velocità non è, tuttavia, l’unica preoccupazione. La caratteristica di conversione di un DAC dà infatti anche adito ad errori di Linearità, a derive che diventano proprie dell’ADC e che possono persino produrre non-monotonia della caratteristica o l’incapacità di produrre alcuni codici di uscita (fenomeno dei codici mancanti). La progettazione e/o la scelta di un ADC comporta d’altronde l’individuazione del giusto compromesso tra risoluzione e velocità. Il tempo di conversione dipende dalla risoluzione del convertitore, dalla tecnica di conversione, dalla velocità dei componenti elettronici che compongono il convertitore e quindi dalla tecnologia realizzativa (bipolare, CMOS, BiCMOS). Man mano che si va verso convertitori più veloci, diminuisce la risoluzione, legata alla dinamica in ingresso e al numero di bit di conversione. L’architettura dell’ADC ne influenza pesantemente prestazioni, complessità realizzativa e costo. In base all’applicazione ed alla banda del segnale, si sceglie il convertitore più appropriato: per segnali molto veloci si impiegano convertitori flash, per segnali non troppo veloci convertitori ad approssimazioni successive mentre per segnali quasi stazionari si impiegano convertitore ad inseguimento se non addirittura ad integrazione. In Figura 1 si riporta un confronto sintetico tra le diverse architetture implementative di ADC per quanto riguarda tempi di conversioni, livello di matching e complessità e dimensioni del chip.
Figura 1: Tempo di conversione, matching tra i componenti e complessità circuitale (Confronto tra alcune architetture di ADC)
Per gli ADC flash, il tempo di conversione è indipendente dalla risoluzione mentre per gli ADC-SAR e quelli ad integrazione aumenta progressivamente con essa. Le problematiche legate al matching aumentano negli ADC flash ed in una certa misura anche negli ADC-SAR progressivamente con la risoluzione, cosa non vera nei convertitori ad integrazione. Per i convertitori flash, l’aumento della risoluzione comporta un progressivo aumento della dimensione del die, del suo consumo di potenza e del suo costo. Al contrario, lo stesso problema non si avverte per un ADC ad integrazione. Infine, una tecnica per aumentare la frequenza di campionamento consiste nel porre in parallelo dei convertitori A/D facendoli lavorare in modo multiplexato (Figura 2).
Figura 2: Aumento della frequenza di campionamento mediante Multiplexing di più convertitori A/D
CONCLUSIONI
Tutte le più importanti case di semiconduttori (Analog Devices, Texas Instruments, Philips, Maxim, National Semiconductor, solo per citarne alcune) hanno sviluppato nel tempo una propria serie di integrati ADC compresi quelli ad alta velocità che consentono di raggiungere centinaia di milioni di campionamenti al secondo, velocità utili soprattutto in campo video, nelle elaborazioni radar, delle immagini ed in generale di segnali a banda ampia. Nel caso degli ADC Flash e/o di impiego di tecniche di multiplazione, si raggiungono addirittura campionamenti di centinaia di MSPS ed in alcuni casi dell’ordine del GSPS. Contemporaneamente sono stati sviluppati convertitori come i sigma-delta, basati sui principi dell’oversampling e del noise-shaping, in grado di garantire elevatissime risoluzioni (fino a 21 bit) ma piuttosto lenti e quindi applicabili solo per la conversione di segnali in bassa frequenza. Tipologie pensate per interfacciamento differenziale, single-ended, con uscita seriale o parallela, potenze assorbite ridotte in alcuni casi a pochi milliwat, risoluzioni da 8 a 24 bit, frequenze di campionamento da alcune centinaia di kSPS a decine o centinaia di MSPS sono le caratteristiche delle diverse tipologie di ADC disponibili oggi in elettronica. Gli ADC SAR restano in ogni caso i più diffusi perché in grado di rappresentare, per la maggior parte delle applicazioni, il miglior compromesso tra diverse esigenze.
