El op-amp de precisión totalmente diferencial acciona los ADC de alta resolución con bajo consumo

El amplificador operacional LTC6362 produce salidas diferenciales, por lo que es ideal para procesar señales analógicas totalmente diferenciales o para tomar una señal de un solo extremo y convertirla en una señal totalmente diferencial. Muchos otros amplificadores operacionales de esta naturaleza totalmente diferencial están optimizados para un funcionamiento a muy alta velocidad, lo que se traduce en un alto consumo de energía y en la falta de precisión en CC. El LTC6362 es único porque tiene salidas diferenciales, un bajo consumo de energía y una tensión de desplazamiento de CC precisa (véase la Tabla 1).

Tabla 1. Especificaciones principales del LTC6362
Corriente de alimentación1mA
Tensión máxima de desplazamiento200μV
ancho de banda de -3dB34MHz
Densidad de ruido de entrada3.9nV/√Hz
Rango de tensión de entradaDe ferrocarril a ferrocarril
Rango de tensión de salidaDe ferrocarril a ferrocarril
Tensión de alimentación2.8V - 5,25V

Una señal analógica suele representarse como una señal medida con respecto a un potencial fijo, como la tierra, también conocida como señal asimétrica. Pero hay veces que es preferible, o necesario, hacer la señal analógica totalmente diferencial. Totalmente diferencial significa que dos redes varían cada una con la señal. Cada vez que una tensión aumenta, la otra disminuye en la misma medida. La señal analógica se define como la diferencia de tensión entre estas dos redes.

Una de las ventajas del procesamiento de señales totalmente diferenciales es que puede reducir la sensibilidad a las interferencias externas, como el ruido de la fuente de alimentación, el rebote de tierra o las interferencias electromagnéticas (EMI). Por ejemplo, si el ruido de la fuente de alimentación también se acopla a los dos conductores que llevan tu señal totalmente diferencial, la señal diferencial puede permanecer intacta.

Otra ventaja del procesamiento de señales totalmente diferenciales es que puedes comprimir más señal en un rango de tensión de alimentación determinado. Por ejemplo, en un sistema alimentado por una sola fuente de 5V, una señal tradicional de un solo extremo puede variar un máximo de 5V. Pero una señal totalmente diferencial puede variar de -5V a 5V, para 10VP-P. Esto se debe a que una de las dos redes puede ser más alta o más baja que la otra, duplicando de hecho la oscilación de la señal. Para un suelo de ruido determinado, duplicar la oscilación máxima de la señal supone una mejora de 6dB en la SNR.

Por último, algunos dispositivos semiconductores requieren, según la hoja de datos, que proporciones una señal totalmente diferencial en la entrada. Este requisito de entrada totalmente diferencial es casi universal para los ADC que convierten a una alta velocidad de muestreo (por ejemplo, los ADC de canalización a >10Msps), así como para los ADC que alcanzan una resolución muy alta, una alta linealidad y un bajo ruido (por ejemplo, los ADC SAR a ≥18 bits y ≥100dB SNR). Por tanto, para utilizar estos componentes, no tienes más remedio que convertir tu señal analógica en una señal totalmente diferencial en algún punto de tu cadena de señales.

Veamos con más detalle cómo funciona un amplificador operacional diferencial. Al igual que un op-amp ordinario, tiene dos entradas, pero a diferencia de un op-amp ordinario, también tiene dos salidas, marcadas como -OUT y +OUT. Un op-amp ordinario tiene una alta ganancia de bucle abierto entre la entrada diferencial y la salida simple; un op-amp totalmente diferencial tiene una alta ganancia de bucle abierto entre la entrada diferencial y la salida diferencial.

La retroalimentación también debe aplicarse de forma diferencial. La figura 1 muestra cuatro resistencias externas que devuelven parte de la salida diferencial a la entrada diferencial. Al igual que en un amplificador operacional ordinario, la alta ganancia en bucle abierto combinada con la retroalimentación obliga a las dos entradas a polarizarse a tensiones casi idénticas, lo que suele denominarse "tierra virtual". La ganancia diferencial del circuito es igual a

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(1)

Figura 1: Cuatro resistencias externas aplican la retroalimentación alrededor del amplificador operacional diferencial.

La ecuación 1 muestra que la tensión de salida diferencial sólo depende de la diferencia entre las dos entradas, independientemente de la tensión absoluta de cada una de ellas. Para convertir una entrada monotemática en una salida diferencial, basta con conectar una de las entradas a tierra.

Aunque la ecuación 1 explica cómo determinar la tensión de salida diferencial, no revela las tensiones de cada salida ni la tensión media de los dos nodos de salida. En el caso del LTC6362, la media instantánea de las dos salidas (también conocida como tensión de modo común de salida) es independiente de la tensión de entrada, sino que la determina el usuario basándose en la tensión a través de la VOCM pin.

Figura 3
(2)

Si se conocen la media de las dos salidas y la diferencia de las dos salidas, las ecuaciones 1 y 2 pueden utilizarse como un sistema lineal de dos ecuaciones y dos variables para determinar el valor de cada salida.

La figura 2 muestra cómo la salida diferencial del LTC6362 puede regirse por la ecuación 1 mientras la salida en modo común se mantiene a VOCM. El LTC6362 tiene un bucle de realimentación adicional con un amplificador de error independiente. Dos resistencias internas miden la media instantánea de las dos salidas y la envían al amplificador de error cuya otra entrada está conectada a la VOCM pin. La salida del amplificador de error está conectada al amplificador principal de tal manera que intenta mover cada una de las salidas del amplificador óptico hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de cómo se maneje el amplificador de error. (Puedes pensar en ello como una corriente extra inyectada en un espejo que conduce las etapas de salida del amplificador operacional principal). Cuando este bucle de realimentación en modo común se cierra en un punto de funcionamiento estable, garantiza que la media de las dos salidas sea igual a VOCMmientras que la diferencia entre las dos salidas se controla mediante la retroalimentación diferencial alrededor del amplificador operacional principal.

Figura 2. Dentro del amplificador operacional diferencial LTC6362 hay un bucle de realimentación adicional y un amplificador de error, que proporcionan una realimentación de modo común (CMFB).

Una vez que entiendas que la ganancia diferencial del circuito se define simplemente por la relación de resistencia RF/RIy el modo de salida común se define independientemente por la tensión en VOCMes fácil aplicar el LTC6362 a una variedad de traducciones de señales. Las figuras 3 y 4 muestran algunos ejemplos típicos.

Figura 3: Transformación de una señal de entrada de 0V-5V a 9VP-P salida diferencial.

Figura 4: Transformación de una señal de entrada de ±10V en una señal de 9VP-P salida diferencial.

Puedes observar que en el ejemplo de la Figura 4, estamos dejando que la señal de entrada pase por debajo de tierra, aunque el amplificador óptico no se alimente de un raíl de alimentación negativo. Esto funciona mediante la acción del divisor de resistencias de retroalimentación y la etapa de entrada de carril a carril del LTC6362. Las clavijas de entrada del propio amplificador óptico están totalmente especificadas para funcionar a cualquier tensión, incluida una de las vías de alimentación. Puedes analizar o simular cualquier circuito de ejemplo y ver que la tensión en las entradas de los amplificadores operacionales no tiene por qué estar por debajo de tierra, aunque la tensión en la entrada de la señal lo esté.

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Una de las principales ventajas del procesamiento de señales diferenciales es la capacidad de duplicar la relación señal/ruido del sistema. Así que vamos a ver más detenidamente cómo analizar el rendimiento del ruido de un amplificador operacional diferencial como el LTC6362.

El amplificador óptico especifica una densidad de ruido de entrada referenciada de algo menos de 4 nV/√Hz. Esto puede modelarse como una fuente de tensión de ruido en serie con una de las entradas. El efecto de este ruido en la salida del circuito es el inverso de la relación de retroalimentación. Por ejemplo, si todas las resistencias tienen el mismo valor, la mitad de la tensión de salida se devuelve a las entradas del amplificador óptico, y el ruido de entrada del amplificador óptico aparece duplicado en la salida.

Además, cada una de las cuatro resistencias de retroalimentación contribuye en un √% al ruido4kTR. Tienes que combinar las contribuciones de estas fuentes de ruido. Para el ejemplo con RF = RI = 1k, esto da un ruido de salida total de 12nV/√Hz.

Una vez que conozcas la densidad de ruido total de salida del circuito, puedes calcular el ruido RMS integrándolo en el ancho de banda de interés. Como es habitual, cuanto menor sea el ancho de banda, más ruido se promedia en el tiempo y, por tanto, menor es el ruido total observado. Por ejemplo, el ancho de banda de ruido de un filtro unipolar de 1MHz es de 1,57MHz. Integrando los 12nV/√ del ancho de banda, obtendrás un suelo de ruidoHz la densidad de ruido en este ancho de banda da unos 15μVRMS del ruido total.

Puedes calcular la SNR máxima del circuito dividiendo la señal máxima por el ruido. El LTC6362 tiene salidas de carril a carril que, con una sola alimentación de 5V, dan una señal de casi 10VP-P oscilación de la salida diferencial. Si lo conviertes a RMS (3,5VRMS) y dividir por el ruido (15μVRMS), obtienes una SNR de más de 233.000 o 107dB en este ancho de banda de ruido de 1MHz. Esta cifra de 107dB hace que el LTC6362 sea una buena opción para el ADC SAR de 20 bits LTC2378-20, que tiene una SNR de 104dB y requiere un controlador de entrada totalmente diferencial.

La figura 5 muestra cómo utilizar el LTC6362 para controlar el LTC2378-20, un ADC SAR de 20 bits que muestrea a 1Msps. El LTC6362 toma una señal de entrada no equilibrada y la convierte en una salida totalmente diferencial, según lo especificado por el ADC.

Figura 5. El LTC6362 conduce el ADC LTC2378-20 de 20 bits y 1Msps.

La red de filtrado RC entre el amplificador y el ADC tiene varias funciones. En primer lugar, la red de filtros reduce la cantidad de ruido de banda ancha que entraría en el ADC. Para un ADC que muestre a 1Msps, el criterio de Nyquist dice que cualquier señal por encima de 500kHz se aliaseará y será indistinguible de las señales de menor frecuencia. Esto también es cierto para el ruido de banda ancha, por lo que no hay razón para dejar que el ruido de banda ancha entre en el ADC. En segundo lugar, los condensadores actúan como depósito de carga para absorber la retroalimentación de carga de los condensadores de muestreo internos del ADC. Cada vez que el ADC completa la conversión anterior, vuelve a conectar los condensadores de muestreo descargados (unos 45pF) al circuito amplificador. Colocando un condensador de reserva mucho más grande en las entradas del ADC, reduces la oscilación de tensión causada por estos condensadores de muestra.

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El periodo de tiempo que transcurre después de que el ADC haya completado una conversión y antes de que comience la siguiente se denomina tiempo de adquisición. Es el periodo de tiempo durante el cual los condensadores de muestreo permanecen conectados al circuito amplificador

Lo ideal es que, durante este tiempo, la red RC se estabilice completamente dentro de la resolución del CAD. En la práctica, tienes que llegar a un compromiso entre el ruido de banda ancha y el tiempo de asentamiento. Afortunadamente, la retroalimentación de carga del ADC LTC2378-20 es relativamente lineal, lo que garantiza una excelente linealidad incluso cuando los condensadores de muestreo no se han estabilizado completamente en su valor final.

El rendimiento combinado del circuito mostrado en la Figura 5 alcanza una SNR de 103dB y una THD de 107dB. Se trata de un rendimiento sin precedentes para un sistema de adquisición de datos de 1Msps. Aún mejor, el LTC6362 alivia la carga de proporcionar una entrada totalmente diferencial al ADC con un modo común preciso. De hecho, la entrada de este circuito es una señal analógica tradicional de un solo extremo. Para configurar el circuito para otros rangos de entrada, basta con seleccionar las resistencias externas adecuadas, como se muestra en las figuras anteriores.

Los ADC de canalización de alta velocidad suelen requerir que sus entradas sean totalmente diferenciales. La figura 6 muestra cómo tomar una señal analógica no equilibrada con un contenido de frecuencia que va desde la CC hasta aproximadamente 1MHz y sobremuestrearla a 25Msps

Figura 6. El LTC6362 acciona el ADC de canalización de alta velocidad LTC2160.

Aquí el LTC6362 convierte la señal en salidas diferenciales. El ADC LTC2160 quiere que el modo común de sus entradas sea de 0,9V. Esto se consigue conectando la patilla VCM del ADC a la VOCM del amplificador. Pocos amplificadores operacionales diferenciales son capaces de manejar una tensión de modo común tan baja y aun así alcanzar el rendimiento del LTC6362. La SNR del circuito es de 77dB, igual a la especificación de SNR del ADC, y bastante impresionante dado el bajo consumo total de 45mW del ADC y 3mW del amplificador.

A veces necesitas llevar una señal analógica a una distancia relativamente larga de una placa de circuito impreso a otra. Una buena manera de hacerlo es utilizar un par trenzado diferencial, ya que ofrece inmunidad al acoplamiento de ruido y otras interferencias. Como hemos visto antes, el LTC6362 puede convertir una señal tradicional de un solo extremo en una señal totalmente diferencial, en cuyo caso la conduce por la línea diferencial, como se muestra en la figura 7.

Figura 7. El LTC6362 condiciona una señal para conducirla por un par trenzado diferencial.

Se puede utilizar un filtro de amplificador óptico activo para producir un filtro de paso bajo con varios polos y una frecuencia de corte relativamente bien establecida. Hay ejemplos de circuitos que hacen esto con un amplificador operacional tradicional. El LTC6362 puede utilizarse para implementar completamente estos filtros de forma diferencial

La figura 8 muestra un ejemplo de filtro paso bajo de 4 polos a 50 kHz. En este ejemplo, el LTC6362 realiza tres funciones a la vez: convierte una señal de entrada no equilibrada en una señal totalmente diferencial, forma un filtro de paso bajo de 4 polos y acciona un ADC de alto rendimiento (en este ejemplo, el LTC2380-16 a 20Msps)

Figura 8. Configuración del LTC6362 como filtro diferencial de CC activa.

No todos los amplificadores operacionales diferenciales pueden utilizarse de este modo. Los condensadores de realimentación crean un cortocircuito de alta frecuencia directamente desde la salida del amplificador óptico a su entrada, lo que significa que el factor de realimentación de alta frecuencia es mucho más fuerte que en un circuito con resistencias de realimentación. Si el amplificador óptico no tiene un margen de fase suficiente, se producirán oscilaciones o zumbidos. A diferencia de los amplificadores operacionales tradicionales, el LTC6362 se comporta admirablemente en esta configuración.

El LTC6362 es un amplificador operacional diferencial capaz y versátil. Sus precisas especificaciones de CC, su bajo consumo de energía y su funcionamiento de carril a carril le permiten accionar una variedad de ADC de alto rendimiento que requieren señales diferenciales, así como realizar un filtrado activo o accionar cables diferenciales.

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