ADC de sobremuestreo para una resolución de 16 bits

2.aD9260 5-MHz (entradas >1-MHz)
1.aD7723 de 2 MHz (entrada <460 kHz)

Analog Devices ha presentado dos nuevos convertidores A/D CMOS de alta velocidad y sobremuestreo de 16 bits para procesar señales de banda ancha con un amplio rango dinámico en aplicaciones en las que son esenciales las soluciones monolíticas de bajo consumo, pequeño tamaño y bajo coste.

El AD9260, que utiliza un reloj de 20 MSPS en un modo de sobremuestreo 8X (Figura 1), puede emitir señales de 16 bits a una velocidad de palabra de 2,5 MHz, proporcionando un ancho de banda de señal de 1,01 MHz con un rizado de 0,004 dB y un rango dinámico libre de espurias (SFDR) de 100 dB. El AD7723, con un reloj de 19,2 MHz y utilizando un sobremuestreo de 16X, puede proporcionar un rendimiento de 16 bits para entradas de 460 kHz a una velocidad de palabra de salida de 1,2 MHz. En aplicaciones menos exigentes, para conservar la capacidad de la batería, el requisito de potencia del AD9260 puede reducirse de 585 mW a 150 mW; y los 500 mW del AD7723 pueden reducirse a la mitad. El AD7723 también tiene un modo de espera de 200 mW. La tabla proporciona algunos puntos de comparación adicionales.

Figura 1. AD9260 SFDR: rendimiento de un tono (100 dB) y de dos tonos (95 dB).

Ambos dispositivos tienen referencias internas; el AD7723 proporciona 2,5 V, y la referencia AD9260 tiene modos de 1,0 y 2,5 V. Ambos dispositivos tienen referencias internas. Están alojados en paquetes QFP de 44 pines, el AD9260 en el MQFP, y el AD7723 en el PQFP. Ambos funcionan con suministros analógicos y digitales de +5V, pero los suministros digitales del AD9260 están especificados en modo +3V para ahorrar energía y minimizar el ruido. Hay placas de evaluación disponibles para cada tipo.

CaracterísticaAD9260AD7723
Resolución1616
Velocidad de muestreo, MSPS2019.2
Velocidad de datos de salida, MSPS @ OSR2.5 @ 8×1.2 @ 16×
Selección de la relación de sobremuestreo1×, 2×, 4×, 8×16×, 32×
Característica de filtradoLPLP, BP
Disipación de potencia, mW (máx.)630500
Reducción de la disipación, mWà 15050%, 200 µW
Referencia interna, V1,2.52.5
SFDR, dB (señales de baja frecuencia)10090
SNR, dB, 1,2 MHz de potencia88.5 tipo83 min
carcasa de 44 pinesMQFPPQFP

Aplicaciones típicasel rendimiento de 16 bits de gran ancho de banda y alta frecuencia de muestreo es especialmente útil en los equipos de comunicaciones. Un ejemplo clave es la cancelación del eco en los módems para comunicaciones full-duplex, en los que se comparte el mismo canal para las señales transmitidas y recibidas simultáneamente (Figura 2). En estos equipos, una señal fuerte transmitida (y sus ecos) y una señal débil recibida pueden estar muy cerca en tiempo o frecuencia. Para clasificarlas mediante técnicas DSP, primero hay que convertir la señal a digital sin perder los componentes pequeños en el ruido y sin generar componentes espurios (spurs) al distorsionar los componentes grandes. Esto requiere un dispositivo de amplio rango dinámico que tenga una SFDR alta con baja distorsión (armónica y de intermodulación) y bajo ruido de cuantificación.

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Figura 2
Figura 2: Módem digital con cancelación de errores full-duplex.

El AD9260 se ha evaluado con éxito para aplicaciones de comunicación por cable e inalámbricas, como estaciones base celulares de banda ancha, módems ADSL con cancelación de eco, módems HDSL de un solo par, sistemas de navegación y estaciones base CDMA de banda ancha. La alta velocidad, el rango dinámico, la baja potencia, la integración de alto nivel y el bajo precio de ambos dispositivos los hacen útiles en aplicaciones de sonar, radio, instrumentación, equipos de prueba y otras aplicaciones de captura y análisis de señales. Cuando se adapta al rendimiento, el bajo coste y las propiedades especiales del AD7723 son útiles en aplicaciones de paso de banda, cuando se requiere un estado de espera, cuando se requiere un funcionamiento en serie o en paralelo, y/o cuando se desea una velocidad de sobremuestreo de 16 o más.

Consideraciones arquitectónicas

Los convertidores A/D sigma-delta han ofrecido tradicionalmente una alta resolución a bajo coste para aplicaciones industriales, de audio y de comunicación de baja frecuencia, pero las compensaciones entre resolución y velocidad han limitado generalmente los anchos de banda a menos de 200 kHz. Los moduladores monobit de segundo orden pueden satisfacer los requisitos de alta resolución del mercado industrial, pero a costa de grandes relaciones de sobremuestreo (OSR) y una inadecuación inherente a las aplicaciones de alta velocidad de datos de salida (ODR).

En los moduladores de bucle único se suele buscar un mayor ancho de banda aumentando el orden de integración en el bucle. Por ejemplo, el AD7722, que utiliza un modulador de 7º orden, tiene una SNR de 90 dB a una velocidad de datos de salida de 195 kHz, mientras se sincroniza a 12,5 MHz. Sería difícil mejorar el ancho de banda aumentando la ODR de estos convertidores, ya que ello requeriría un proceso de fabricación más caro y amplificadores integradores que consuman mucha energía y sean capaces de ajustarse a la precisión requerida. Por tanto, las consideraciones prácticas limitan la arquitectura monobit de bucle único a velocidades de salida de datos de 100-200 kHz.

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Para ampliar el límite de resolución/ancho de banda, se necesitan nuevas arquitecturas. Aunque los detalles quedan fuera del alcance de este breve análisis, merece la pena señalar que el AD9260 se adentra en un nuevo territorio para conseguir un tour de force de última generación; y el AD7723 implementa con éxito un enfoque de diseño en cascada avanzado. Los DAC de un solo bit utilizados en la mayoría de nuestros ADC sigma-delta, aunque proporcionan una excelente distorsión, generan grandes cantidades de ruido de cuantificación que degradan la SNR. Al utilizar DACs de varios bits en el modulador y emplear técnicas de barajado para aleatorizar la no linealidad de los DACs, se consigue tanto una alta resolución como una buena distorsión en el AD9260. Para reducir aún más el efecto del ruido de cuantificación, en el AD9260 y el AD7723, el ruido de cuantificación añadido por los DACs se mide primero y luego se resta digitalmente.

Características y prestaciones

El sitio AD9260 (Figura 3) consigue un alto rango dinámico y un ancho de banda de la señal de entrada muy amplio con una modesta tasa de sobremuestreo de 8×, combinando técnicas sigma-delta con un convertidor A/D de alta velocidad en línea. La entrada analógica diferencial se introduce en un modulador sigma-delta de 2º orden que utiliza un cuantificador flash de 5 bits y una retroalimentación de 5 bits. Al mismo tiempo, un convertidor A/D de 12 bits canalizado cuantifica la entrada del convertidor flash con mayor precisión. La arquitectura del bucle proporciona el equivalente a un bucle estable de segundo orden con un cuantificador de 12 bits y una retroalimentación de 12 bits, sin el tono de reposo y otras idiosincrasias que a veces se asocian a los moduladores Σ-Δ de un solo orden.

Figura 3
Figura 3: Diagrama de bloques del AD9260.

La salida del modulador se introduce en un filtro de decimación de tres etapas, y un control de MODO permite que la salida pase por alto una o todas las etapas, ofreciendo la posibilidad de elegir la salida a la frecuencia del reloj (1×, o decimada en 2×, 4× u 8×. La banda de parada del filtro de decimación rechaza las frecuencias entre 1,25 y 18,75 MHz, lo que alivia en gran medida los requisitos de antialiasing en la entrada analógica. En el chip hay una referencia, con un búfer. En el modo de 2,5 V (ruido y distorsión óptimos), se pueden procesar entradas diferenciales a escala completa de 4 V p-p. En el modo de 1 V, el rango es de 1,6 V p-p. También se pueden programar valores arbitrarios mediante un divisor resistivo externo. Un ajuste de polarización escala la potencia proporcionalmente a la frecuencia de reloj, lo que permite reducir la disipación (y el rendimiento) a la frecuencia de reloj reducida de 20 a 5 MSPS y de 585 a 150 mW.

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El AD7723 (figura 4) utiliza varios moduladores sigma-delta de primer y segundo orden en cascada, cada uno de los cuales comprende uno o varios integradores, un comparador y un DAC de 1 bit. El primer modulador realiza la conversión analógica-digital propiamente dicha, y los moduladores siguientes, con su lógica de corrección, eliminan sucesivamente el ruido de cuantificación aportado por los moduladores anteriores y, al mismo tiempo, reducen su propio ruido de fondo desplazando su propio ruido de cuantificación hacia arriba en la frecuencia. Para cumplir los requisitos de rendimiento del AD7723, se ha utilizado la conformación de ruido de 5º orden, lo que da lugar a una salida que sólo contiene la señal de entrada y el ruido de cuantificación de 5º orden del modulador 4.

Figura 4
Figura 4: Diagrama de bloques del AD7723.

El AD7723 se puede sincronizar hasta 19,2 MHz. Se utiliza un filtro de decimación FIR de 5 etapas tanto para reducir la velocidad de los datos de salida como para suprimir el ruido de cuantificación fuera de banda. La salida del ADC puede provenir del 4º o 5º filtro. Los datos del cuarto filtro tienen una tasa de datos de salida (ODR) de 1,2 MHz y una SINAD de 85 dB, mientras que los datos del quinto filtro tienen una ODR de 600 kHz, pero una SINAD superior de 88 dB. El 5º filtro también puede configurarse como un filtro de paso alto, lo que permite utilizar el AD7723 como un ADC de paso de banda.

El AD7723 ofrece una interfaz flexible en serie o en paralelo, una alta tasa de sobremuestreo (OSR) para minimizar la complejidad del filtro antialiasing, y acepta entradas unipolares o bipolares para una sencilla interconexión con los circuitos de control de entrada. El rango de temperatura de funcionamiento es de -40 a +85°C.

El AD9260 fue diseñado por un equipo de miembros de nuestro grupo de convertidores de alta velocidad en Wilmington, MA, dirigido por Todd Brooks. El AD7723 fue diseñado por Peter Hurrell (que también proporcionó gran parte del texto anterior) y Colin McIntosh de nuestro grupo de diseño en Newbury, Inglaterra.

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