Voltajes analógicos precisos y de establecimiento rápido a partir de señales PWM digitales

La modulación de ancho de pulso (PWM) es una técnica común para generar voltajes analógicos desde un dispositivo digital como un microcontrolador o FPGA. La mayoría de los microcontroladores tienen periféricos dedicados de generación de PWM incorporados, y solo se necesitan unas pocas líneas de código RTL para generar una señal PWM desde un FPGA. Esta es una técnica simple y práctica si los requisitos de rendimiento de la señal analógica no son demasiado estrictos, ya que solo se requiere un pin de salida y la sobrecarga del código es muy baja en comparación con un convertidor digital a analógico (DAC) con un SPI o I.2interfaz C. La Figura 1 muestra una aplicación típica, con un pin de salida digital que se filtra para producir un voltaje analógico.

Figura 1. PWM a analógico
Figura 1. PWM a analógico

No tienes que cavar muy profundo para descubrir las innumerables deficiencias de este esquema. Idealmente, una señal analógica de 12 bits debería tener menos de 1 LSB de ondulación, lo que requiere un filtro de paso bajo de 1,2 Hz en el caso de una señal PWM de 5 kHz. La impedancia de la salida de voltaje está determinada por la resistencia del filtro, que puede ser bastante grande si el capacitor del filtro debe mantenerse en un tamaño razonable. Por lo tanto, la salida solo debe impulsar una carga de alta impedancia. La pendiente (ganancia) de la función de transferencia de PWM a analógico está determinada por el voltaje de suministro digital (probablemente inexacto) del microcontrolador. Un efecto más sutil es que la falta de coincidencia entre la resistencia efectiva del pin de salida digital al suministro en el estado alto y la resistencia a tierra en el estado bajo debe ser pequeña en comparación con el valor de la resistencia del filtro para mantener la linealidad. Finalmente, la señal PWM debe ser continua para mantener el voltaje de salida en un valor constante, lo que puede presentar un problema si el procesador se va a poner en un estado de apagado por bajo consumo de energía.

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La Figura 2 muestra un intento de remediar estas deficiencias. Un búfer de salida permite el uso de una resistencia de filtro de alta impedancia mientras proporciona una salida analógica de baja impedancia. La precisión de la ganancia se mejora mediante el uso de un búfer CMOS externo, alimentado por una referencia de precisión, de modo que la señal PWM oscila entre tierra y un nivel alto preciso. Este circuito se puede reparar, pero el número de piezas es alto y no hay forma de mejorar el tiempo de establecimiento de 1,1 segundos, y no hay forma de "mantener" el valor analógico sin una señal PWM continua.

Figura 2. ¿PWM a analógico mejorado?
Figura 2. ¿PWM a analógico mejorado?

El LTC2644 y el LTC2645 son DAC de salida de voltaje a PWM doble y cuádruple con referencia interna de 10 ppm/°C que proporcionan un rendimiento real de 8, 10 o 12 bits a partir de señales PWM digitales. El LTC2644 y el LTC2645 superan estos problemas midiendo directamente el ciclo de trabajo de la señal PWM entrante y enviando el código de 8, 10 o 12 bits adecuado a un DAC de precisión en cada flanco ascendente.

Una referencia interna de 1,25 V establece la salida de escala completa en 2,5 V, y se puede usar una referencia externa si se requiere una salida de escala completa diferente. Un IOV separadoCC pin establece el nivel de entrada digital, lo que permite una conexión directa a FPGA de 1,8 V, microcontroladores de 5 V o cualquier voltaje intermedio. Las especificaciones de precisión de CC son excelentes, con una compensación de 5 mV, un error de ganancia máxima del 0,8 % y un INL máximo de 2,5 LSB (12 bits). El tiempo de establecimiento de la salida es de 8 μs desde el flanco ascendente de la entrada PWM hasta el 0,024 % del valor final (1LSB a 12 bits). El rango de frecuencia PWM es de 30 Hz a 6,25 kHz para las versiones de 12 bits.

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La Figura 4 muestra una aplicación típica de recorte/margen de suministro que aprovecha otra característica única del LTC2644. La vinculación de IDLSEL alto selecciona la operación de "muestreo/retención"; las salidas son de alta impedancia al inicio (sin margen), un nivel alto continuo en la entrada hace que la salida mantenga su valor indefinidamente y un nivel bajo continuo pone la salida en un estado de alta impedancia. Por lo tanto, el suministro se puede recortar una vez en el encendido con una ráfaga de PWM seguida de un nivel alto. Bajar la señal PWM permite que el circuito salga limpiamente de una operación de margen. Vincular IDLSEL a GND selecciona el "modo transparente", en el que un nivel alto continuo en la entrada establece la salida a escala completa, y un nivel bajo continuo establece la salida a escala cero.

Figura 3. PWM de 4 canales a analógico
Figura 3. PWM de 4 canales a analógico

Figura 4. Aplicación de margen
Figura 4. Aplicación de margen

No se desespere si se encuentra cara a cara con las limitaciones de las técnicas PWM típicas a las analógicas. El LTC2645 hace posible producir señales analógicas precisas y de ajuste rápido a partir de salidas digitales moduladas por ancho de pulso, manteniendo un bajo número de piezas y la simplicidad del código.

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