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Introduzione
Gli ADC SAR sono tra i più affidabili nel mondo dei convertitori analogico-digitali. In genere sono posizionati tra gli ADC delta-sigma a bassa velocità e alta risoluzione e gli ADC pipeline ad alta velocità e bassa risoluzione. Senza latenza gli ADC SAR sono la scelta migliore, rispetto agli ADC delta-sigma e pipeline, per applicazioni con segnali multiplex, applicazioni che richiedono una prima conversione precisa dopo un periodo di inattività arbitrario (es. ATE) e applicazioni in cui l’ADC si trova all’interno di un loop che richiede un feedback rapido. Nella maggior parte dei casi l’uscita di un sensore non può essere connessa direttamente agli ingressi di un ADC SAR. Per ottenere le migliori prestazioni possibili in termini di SNR e distorsione serve l’amplificatore. Gli ADC SAR campionano i loro ingressi su condensatori interni e confrontano i valori con tensioni di riferimento in una successiva sequenza di peso binario. Quando lo switch del condensatore di campionamento si apre, la carica viene iniettata sul nodo di ingresso a causa della mancata corrispondenza delle tensioni dal condensatore di campionamento al nodo di ingresso. Tra l’amplificatore e l’ADC viene collocato un semplice filtro RC unipolare il cui scopo è, oltre che filtrare il rumore ad alta frequenza e le componenti di frequenza create dall’aliasing, di contribuire ad assorbire questa iniezione di carica. La scelta della frequenza di taglio per questo filtro richiede molta attenzione. Si deve impostare una frequenza abbastanza bassa in grado di assorbire l’iniezione di carica e filtrare il rumore, ma abbastanza alta da consentire all’amplificatore di assestarsi entro il tempo di acquisizione del convertitore di dati. Dato che questo filtro da solo non può limitare il rumore, è previsto anche un filtro con frequenza di taglio inferiore sull’ingresso dell’amplificatore (vedere Figura 1).
Figura 1: LTC2379, ADC SAR a ingresso differenziale a 1,8Msps, 18 bit
CONTROLLO DI ADC SAR A INGRESSO DIFFERENZIALE
Molti degli ADC SAR ad altissime prestazioni hanno adottato ingressi differenziali per massimizzare il range dinamico su una bassa tensione di alimentazione. Un esempio è illustrato nella Figura 1, l’LTC2379-18 che opera con una tensione di 2,5V e un riferimento fino a 5V per un range di ingresso differenziale picco-picco di 10V. Se il segnale in ingresso è già differenziale, tutto ciò che serve per isolare il segnale e controllare l’ADC è un doppio amplificatore operazionale ad assestamento rapido e basso rumore come l’LT6203. Configurati come buffer a guadagno unitario, questi amplificatori forniscono ingressi ad alta impedenza al segnale in entrata. In molti casi, però, l’ingresso è single-ended e va convertito in segnale differenziale, cosa facilmente realizzabile con un amplificatore come l’LT6350. Questo tipo di amplificatore ha due stadi: il primo crea una versione non invertita "bufferizzata" del segnale di ingresso, il secondo crea un’uscita invertita. Se il segnale in ingresso corrisponde già al range di ingresso dell’ADC, questo amplificatore può essere usato come indicato nella parte superiore della Figura 2a, per fornire un buffer ad alta impedenza al segnale. Per scalare e spostare il segnale in modo da adeguarlo al range di ingresso dell’ADC, occorre procedere come illustrato nella parte inferiore della Figura 2b. In questo esempio, un segnale a ±10V single-ended viene convertito in un segnale a 0-5V differenziale (R2 e R3 spostano il segnale, RIN e R1 lo scalano). Un aspetto che viene spesso trascurato nei circuiti analogici di precisione è la necessità di un elevato livello di adattamento tra l’impostazione del guadagno e i resistori di spostamento di livello. Usando resistori discreti con tolleranza 0,1% l’adattamento imperfetto varia in base al tempo, alla temperatura e al range di tensioni di modo comune a un punto tale da diventare, con tutta probabilità, la fonte primaria di errore nel circuito. L’uso di resistori accoppiati di precisione come l’LT5400 può risolvere in parte questo problema. L’amplificatore ha bisogno di un margine tra le sue tensioni di alimentazione e le tensioni di uscita. Per mantenere la massima precisione e linearità, le uscite devono rientrare nei rail di alimentazione di almeno mezzo volt, a seconda dell’amplificatore. Il che significa che l’amplificatore deve avere tensioni di alimentazione più ampie rispetto al range di ingresso dell’ADC o che l’ADC deve accettare un range di ingresso limitato dall’amplificatore. Alcuni ADC, come l’LTC2379-18, prevedono la funzione di “compressione del guadagno digitale” che imposta internamente il fondo scala dell’ADC in modo che sia mezzo volt, sia rispetto a massa che dalla tensione di riferimento. In questo modo l’amplificatore che usa un’alimentazione singola a 5V può adattarsi al fondo scala dell’ADC.
Figura 2: Conversione da single-ended a differenziale con l’LT6350
CONTROLLO DI ADC PSEUDODIFFERENZIALI
Un altro metodo per convertire un segnale analogico single-ended in un segnale digitale consiste nel saltare del tutto la conversione differenziale e usare un ADC pseudo-differenziale come il nuovo LTC2369-18. Il brutto è che si perdono fino a 6dB nel rapporto segnale-rumore a causa del ridotto range di ingresso. Inoltre, le architetture differenziali sono intrinsecamente migliori per eliminare le armoniche di ordine pari. Però vi sono anche alcuni importanti vantaggi a mantenere un’architettura single-ended. I circuiti di controllo sono più semplici: possono essere semplici come un amplificatore operazionale ad assestamento rapido e basso rumore come l’LT6202. Il secondo amplificatore operazionale e i resistori non servono per creare l’ingresso invertito. Oltre a usare meno componenti, il circuito è intrinsecamente a basso consumo e basso rumore. Pertanto, il filtro anti-alias dopo l’amplificatore può avere una frequenza di taglio maggiore, il che consente all’amplificatore di assestarsi più facilmente entro il tempo di conversione degli ADC e di diventare la soluzione ideale per le applicazioni in cui conversioni successive possono variare sull’intero fondo scala, come nel caso dei segnali multiplex. Nuovamente si deve tener conto dell’headroom dell’amplificatore; le tensioni di alimentazione devono andare abbastanza oltre lo swing dell’uscita dell’amplificatore in modo da poter controllare il segnale senza distorsioni. Nella maggior parte dei casi significa fornire un rail negativo all’amplificatore. Un’altra soluzione può consistere nell’usare un prodotto come l’LTC6360. Questo nuovo amplificatore (Figura 3), ottimizzato per il controllo di ADC SAR, è dotato di una pompa di carica integrata a rumore bassissimo che genera un suo rail negativo interno. Questo consente all’uscita di scendere fino a massa, e anche oltre, con una sola alimentazione positiva. L’LTC6360 mantiene la massima precisione (250μV offset, 2,3nV/√Hz rumore) con assestamento rapido (16 bit in 150ns).
Figura 3: LTC6360 - l’uscita può scendere a 0V con alimentazione singola
CONCLUSIONI
Per controllare gli ADC SAR si possono utilizzare diverse topologie di amplificatore. La scelta dipende dal segnale di ingresso, dall’architettura di ingresso dell’ADC e da alcuni dati relativi all’applicazione, ad esempio se il segnale di ingresso è multiplexato. Tra i trade-off citiamo potenza, complessità, prestazioni e velocità (velocità di conversione e tempo di assestamento).
