Tensiones analógicas precisas y rápidas a partir de señales digitales PWM

La modulación por ancho de pulso (PWM) es una técnica habitual para generar tensiones analógicas a partir de un dispositivo digital, como un microcontrolador o una FPGA. La mayoría de los microcontroladores tienen periféricos integrados dedicados a la generación de PWM, y sólo se necesitan unas pocas líneas de código RTL para generar una señal PWM desde una FPGA. Se trata de una técnica sencilla y práctica si los requisitos de rendimiento de la señal analógica no son demasiado estrictos, ya que sólo se necesita un pin de salida y la sobrecarga de código es muy baja en comparación con un convertidor digital-analógico (DAC) con un SPI o I²Interfaz C. La figura 1 muestra una aplicación típica, con un pin de salida digital que se filtra para producir una tensión analógica.

No hay que escarbar mucho para descubrir las innumerables deficiencias de este esquema. Lo ideal es que una señal analógica de 12 bits tenga 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 tensión viene determinada por la resistencia del filtro, que puede ser bastante grande si el condensador del filtro debe tener un tamaño razonable. Por tanto, la salida sólo debe alimentar una carga de alta impedancia. La pendiente (ganancia) de la función de transferencia de PWM a analógico viene determinada por la tensión de alimentación digital (probablemente inexacta) del microcontrolador. Un efecto más sutil es que el desfase entre la resistencia efectiva de la patilla de salida digital a la alimentación alta, y la resistencia baja a tierra, debe ser pequeño en relación con el valor de la resistencia del filtro para mantener la linealidad. Por último, la señal PWM debe ser continua para mantener la tensión de salida en un valor constante, lo que puede ser un problema si el procesador va a pasar a un estado de apagado de bajo consumo.

La figura 2 muestra un intento de solucionar estas deficiencias. Un búfer de salida permite utilizar una resistencia de filtrado de alta impedancia al tiempo que proporciona una salida analógica de baja impedancia. La precisión de la ganancia se mejora utilizando un búfer CMOS externo, alimentado por una referencia de precisión para que la señal PWM oscile entre tierra y un nivel alto preciso. Este circuito es reparable, pero el número de piezas es elevado y no hay forma de mejorar el tiempo de asentamiento de 1,1 segundos, ni de "mantener" el valor analógico sin una señal PWM continua.

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

Una referencia interna de 1,25V establece la salida de escala completa a 2,5V, y se puede utilizar una referencia externa si se requiere una salida de escala completa diferente. Un OVI separado_DC el pin define el nivel de entrada digital, permitiendo la conexión directa a FPGAs de 1,8V, microcontroladores de 5V o cualquier otra tensión intermedia. La especificación de precisión de CC es excelente, con un desplazamiento de 5 mV, un error de ganancia máximo del 0,8% y un INL máximo de 2,5 LSB (12 bits). El tiempo de estabilización de la salida es de 8μs desde el flanco de subida 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.

La figura 4 muestra una aplicación típica de ajuste de potencia/margen que aprovecha otra característica única del LTC2644. Nier IDLSEL alto selecciona el funcionamiento de "muestreo/retención"; las salidas son de alta impedancia en el arranque (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. Así, la fuente de alimentación puede ajustarse una vez en el encendido con una ráfaga PWM seguida de un nivel alto. Poner la señal PWM en nivel bajo permite al circuito salir limpiamente de una operación de recorte. Conectando IDLSEL a GND se 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.

No desesperes si te encuentras con las limitaciones de las técnicas típicas de conversión de PWM a analógico. El LTC2645 te permite producir señales analógicas precisas y de rápida estabilización a partir de salidas digitales PWM, manteniendo un bajo número de piezas y la simplicidad del código.