LTC1406: ADC de 8 bits y 20 MHz con un ancho de banda de entrada de 250 MHz y un tamaño reducido

Todo el mundo conoce los reguladores lineales y de conmutación de Linear Technology, pero en los últimos años Linear ha creado una impresionante familia de productos de conversión de datos. Con la reciente introducción de convertidores analógicos rápidos de 12 y 14 bits y, más recientemente, una pieza de 16 bits, la familia sigue creciendo. Ahora, el nuevo miembro de la familia de convertidores LTC, el LTC1406, lleva a LTC en una nueva dirección: alta velocidad para las comunicaciones y la conversión de vídeo.

• velocidad de muestreo de 20Msps, salida paralela de 8 bits
• muestra y retención interna de 250MHz
• 48.5dB S/(N + D) y 62dB THD
• 7.0 bits efectivos a 70MHz
• ±1LSB DNL e INL Max
• Bajo consumo de energía con modo de apagado
• Pequeña huella: paquete SSOP delgado de 24 pines

Hay otros convertidores de 8 bits y 20Msps en el mercado, así que ¿por qué utilizar el LTC1406? El LTC1406 tiene varias ventajas importantes sobre sus competidores aparentemente similares.

Gran ancho de banda de entrada para las comunicaciones

Una ventaja muy útil es el muestreo y la retención de banda extremadamente ancha. El ancho de banda de entrada de 250MHz del LTC1406 permite submuestrear señales de muy alta frecuencia. Junto con su excelente distorsión, el LTC1406 tiene un mejor rendimiento de submuestreo de alta frecuencia que cualquier otro dispositivo de 8 bits y 20 MHz del mercado. La relación señal/(ruido + distorsión) es casi ideal: 48,5dB a bajas frecuencias; se mantiene plana hasta los 10MHz. Incluso a 70MHz, muy por encima de la frecuencia de Nyquist de 10MHz, la relación señal/(ruido + distorsión) sigue siendo cercana a 44dB, lo que equivale a 7,0 ENOB (número efectivo de bits). La figura 1 ilustra este extraordinario rendimiento, así como el rango dinámico sin espurias (SFDR). Para aplicaciones de comunicaciones, o cualquier aplicación que dependa de un alto rango dinámico y un gran número de bits efectivos a frecuencias de entrada muy altas, el LTC1406 supera a la competencia.

Pequeña huella

¿Es un problema de espacio en el tablero? El LTC1406 es también el chip de 8 bits y 20 MHz más pequeño que existe. Viene en el diminuto envase GN-24 que ocupa sólo 52 mm² (sólo 1,75 veces el tamaño de un paquete SO-8). Además, sólo necesita tres condensadores de derivación montados en superficie, uno para las alimentaciones de salida analógica, digital y lógica, uno para la entrada de referencia (V_REF) y uno para el V_BIAS esto permite que la huella sea pequeña, además de que la carcasa sea pequeña.

Modo de apagado de baja potencia

El bajo consumo de energía del LTC1406 puede reducirse aún más aprovechando el modo de apagado. Al tomar la SHDN la clavija baja desactiva los circuitos del convertidor y de polarización para que la pieza sólo consuma una pequeña corriente de fuga de la fuente de alimentación. Esto puede reducir el consumo de energía de los dispositivos portátiles y de batería cuando el convertidor está inactivo.

Detección de exceso/defecto de alcance

Otra característica única del LTC1406 es la capacidad de detectar una condición de sobre o bajo rango mediante el bit de desbordamiento/desbordamiento. La salida OF/UF pasa de 0 a 1 a 1LSB por debajo de la transición 0000 0000 a 0000 0001 y a 1LSB por encima de la transición 1111 1110 a 1111 1111, lo que indica claramente que la señal de entrada está fuera del rango de conversión de escala completa del convertidor. Esto puede utilizarse como indicador al ajustar el rango de entrada para maximizar la relación señal/ruido. Para aplicaciones de imagen en las que la salida de un CCD varía de un píxel a otro, para aplicaciones de comunicación en las que la amplitud de la señal de entrada cambia constantemente, o para cualquier aplicación en la que el rango de entrada varía, el LTC1406 facilita la optimización del rendimiento.

Intentar que un convertidor de datos de alta velocidad funcione solía estar cerca del extremo mágico de la escala "ciencia-magia" También era generalmente cierto que cuanto mayor era la flexibilidad (más opciones tenía el usuario para conectar la pieza), más difícil era hacer que la pieza funcionara correctamente. El LTC1406 cambia eso: se ha diseñado para que tenga un buen rendimiento y sea muy fácil de usar sin sacrificar la flexibilidad. Comienza con conexiones muy simples y sencillas. Una fuente de alimentación, una referencia, un reloj y una entrada es todo lo que necesitas para empezar a convertir las señales de alta velocidad en unos y ceros.

La conexión de la fuente de alimentación es un buen ejemplo de la simplicidad y la flexibilidad que incorpora el LTC1406. En la configuración más sencilla, conecta las alimentaciones analógica, digital y lógica de salida a una única alimentación de 5 V y un condensador de derivación y ya está. Si necesitas interactuar con la lógica de 3V, el LTC1406 también está preparado para ello. Las entradas lógicas están configuradas para trabajar con señales de 3V o 5V y la alimentación lógica de salida (O_VDD) puede conectarse a una fuente de alimentación de 3 V independiente para proporcionar una salida de datos de 3 V. Esto elimina la necesidad de un circuito para cambiar el nivel de un reloj de 3V a 5V y/o cambiar el nivel del bus de datos de 5V a 3V.

La referencia también es más fácil de proporcionar. En lugar de la arquitectura tradicional de medio flash que requiere dos tensiones de referencia, dos condensadores de derivación y dos amplificadores de amortiguación para la parte superior e inferior de la escalera de referencia, el LTC1406 sólo requiere una única referencia de 2,5 V y un condensador de derivación. Esto es una verdadera ventaja al cambiar o ajustar la escala de entrada. En lugar de mover los voltajes superior e inferior para obtener el rango correcto, la referencia única de 2,5 V funciona como control de ganancia. También requiere menos corriente, y por tanto menos potencia, de la referencia, ya que no hay una escalera resistiva que manejar. La corriente de referencia típica requerida es de aproximadamente 1mA (5mW), en comparación con los aproximadamente 7mA (35mW) de la mayoría de las arquitecturas half-flash.

Fácil de conducir

Una de las características más fuertes del LTC1406 es la estructura de entrada. Las entradas son muy fáciles de manejar. Tras el flanco ascendente del reloj, el LTC1406 pasa al modo de seguimiento y, al igual que otros convertidores, las entradas consumen un pequeño pico de corriente para cargar los condensadores de muestreo de entrada. Sin embargo, la capacitancia de entrada suele ser una cuarta parte de la de las piezas de la competencia, por lo que el pico de corriente necesario para cargarlas es mucho menor. Cuando el reloj es alto, la tensión en los condensadores de muestreo seguirá la tensión de las entradas. De nuevo, esta pequeña capacitancia de entrada hace que las entradas sean mucho más fáciles de manejar, especialmente a altas frecuencias de entrada. La reducción de la carga capacitiva en un 70-80% disminuye en gran medida la necesidad de un amplificador de entrada, e incluso puede eliminar la necesidad de un amplificador de entrada.

En el flanco descendente del reloj, el dispositivo muestrea la tensión de entrada; las entradas sólo consumen una pequeña corriente de fuga cuando el reloj está bajo.

Diferencial o unipolar

Las entradas del LTC1406 son realmente diferenciales; siempre convertirán la diferencia entre A_EN+ y A_EN-. El código de salida máximo (1111 1111) se produce cuando A_EN+ - (A_EN-) = 1V y el código de salida mínimo (0000 0000) se produce cuando A_EN+ - (A_EN-) = -1V. Estas entradas diferenciales también tienen un notable rechazo de modo común, de modo que cualquier ruido o señal no deseada común a ambas entradas será rechazada. Sin embargo, no es necesario que las entradas se accionen de forma diferencial para conseguir un buen rendimiento. Si hay una señal diferencial, las entradas diferenciales pueden conectarse directamente. Si la señal de entrada es de un solo extremo, no es necesario utilizar un transformador complicado para crear una señal diferencial; el LTC1406 manejará una señal de un solo extremo tan fácilmente como una señal diferencial. EL A_EN- La entrada puede estar ligada a una tensión de modo común y A_EN+ se convierte en la entrada de la señal, con un rango de ±1V centrado en A_EN-. De nuevo, para simplificar el gancho, A_EN- puede conectarse a V_REF que da un rango de entrada de 1,5V-3,5V como se muestra en la Figura 2a.

Modo carril a carril común

Otra característica interesante de la estructura de entrada del LTC1406 es que las entradas tienen un rango de modo común que se extiende a cualquier carril. En el modo de un solo extremo, el rango de entrada de 2V puede ir de 0V-2V a 3V-5V. El rango de entrada diferencial de ±1V también puede extenderse entre los carriles. Esto permite el acoplamiento directo a una amplia gama de entradas sin necesidad de circuitos adicionales. Además, la entrada se puede acoplar a la corriente alterna para permitir un rango de entrada de 2 V centrado en prácticamente cualquier tensión de modo común (véase la figura 2b).

El LTC1406 utiliza la función interna de muestreo y retención y una arquitectura de cuantificación en cadena para convertir una señal analógica en una salida paralela de 8 bits. La entrada se muestrea en el flanco descendente del reloj, se convierte en una tensión diferencial interna y se introduce en un comparador para determinar el bit más significativo. El resultado de esta decisión se resta de la muestra y el residuo se multiplica por dos y se pasa a la siguiente etapa mediante una muestra y retención similar. Este proceso continúa a lo largo de las ocho etapas de la tubería. A continuación, las salidas de los comparadores se combinan en un circuito digital de corrección de errores para formar una palabra paralela de 8 bits. La figura 3 es un diagrama de bloques del LTC1406.

La arquitectura de canalización de un bit por etapa del LTC1406 es muy similar a la arquitectura de medio flash o subrango (a veces también llamada canalización, siendo la diferencia el número de bits determinado en cada ciclo del comparador) utilizada en otros convertidores de 8 bits y 20MHz. Sin embargo, si estás más familiarizado con la arquitectura de registro de aproximación sucesiva (SAR) que se utiliza en muchos convertidores de menor velocidad y mayor resolución (incluida la mayoría de los convertidores de Linear Technology), hay algunas cosas que debes saber sobre los ADC de alta velocidad.

Casi todos los convertidores de alta velocidad tienen una latencia en los datos de salida. Se define como el retardo, normalmente expresado en número de ciclos de reloj, entre el muestreo de la entrada analógica y la aparición de los datos de conversión en las salidas digitales. La arquitectura más común para los convertidores de 8 bits y 20MHz, el half-flash, suele tener un retardo de 2,5 ciclos de reloj. La latencia de los datos del LTC1406, así como de otros convertidores de 8 bits, de un bit por etapa, en canal, es de cinco ciclos de reloj. Cada flanco de reloj descendente muestrea la entrada e inicia una conversión. La representación digital de esta muestra estará disponible como una palabra paralela de 8 bits después del quinto flanco descendente tras el inicio de la conversión. Así, aunque cada conversión tarda cinco ciclos de reloj, se dispone de un nuevo resultado de conversión en cada flanco descendente. La figura 4 ilustra claramente la relación entre la entrada analógica muestreada y el momento en que están disponibles los datos de salida.

Otra consideración importante al utilizar un convertidor de alta velocidad es el reloj de muestreo. La mayoría de los convertidores de alta velocidad utilizan ambas fases del reloj, por lo que es esencial mantener un ciclo de trabajo del 50%. Durante cada fase del reloj, la mitad de las etapas del ADC están muestreando y la otra mitad amplificando. Con tasas de conversión inferiores a la tasa de conversión máxima, el ciclo de trabajo puede desviarse un 50% sin que se produzca una degradación del rendimiento. En la tasa de conversión máxima, es importante mantener un reloj con un ciclo de trabajo del 50%. También es importante proporcionar un reloj que tenga poca fluctuación y tiempos rápidos de subida y bajada (<2ns).

Por último, gran parte de los circuitos internos funcionan de forma dinámica, lo que tiene dos consecuencias importantes. En primer lugar, como ocurre con la mayoría de los ADC de alta velocidad, existe un límite inferior a la velocidad de conversión. La velocidad mínima de conversión del LTC1406 es de 10kHz. En segundo lugar, algunos ADCs de alta velocidad, incluido el LTC1406, están polarizados dinámicamente y la polarización debe refrescarse periódicamente. En condiciones normales de conversión, en funcionamiento libre, el sesgo se refresca durante cada ciclo de reloj. Sin embargo, cuando se aplica la alimentación por primera vez o el reloj se detiene durante más de 100µs (por ejemplo, en el modo de apagado), la pieza debe ser sincronizada normalmente durante 20 ciclos de reloj a una velocidad de muestreo superior a 10kHz antes de que los datos de salida sean válidos.

Una de las razones por las que los convertidores de alta velocidad pueden ser difíciles de usar es que la disposición de la placa se vuelve extremadamente crítica para las altas frecuencias de entrada. El esquema de la Figura 5 muestra lo fácil que es conseguir un esquema limpio y ajustado con el LTC1406, incluso cuando se conecta la lógica de salida a la alimentación digital y a la tierra: es casi automático. También ilustra la ventaja del diminuto envase GN-24 sobre el envase estándar SO-24. La disposición de las clavijas está diseñada para que la señal de entrada analógica fluya sin problemas hacia la salida digital. Todas las fuentes de alimentación, la referencia y las entradas analógicas están situadas en un lado de la sala y la entrada del reloj y las salidas de datos digitales están en el otro lado. Esto permite separar fácilmente los planos de tierra analógicos y digitales y evita que el ruido digital se acople a las entradas analógicas. Como ya se ha dicho, el LTC1406 requiere muy pocos componentes externos y la disposición de las clavijas está diseñada para permitir que los condensadores de derivación se sitúen muy cerca del paquete. Este cortocircuito cercano minimiza la inductancia del cable y la sensibilidad a las corrientes que fluyen en el plano de tierra, lo que puede ser crítico cuando todo el sistema se sincroniza a 20MHz.

Todas las características y ventajas del LTC1406 no significarían nada sin un rendimiento excepcional. Afortunadamente, el LTC1406 lo tiene. Un ruido extremadamente bajo, combinado con una baja distorsión y un amplio ancho de banda de entrada, hacen que el LTC1406 tenga un excelente rendimiento en un rango de frecuencia de entrada muy amplio. Como se muestra en la Figura 1, la relación señal/(ruido + distorsión) se mantiene casi plana hasta los 10MHz. La figura 6 muestra un gráfico FFT para una frecuencia de entrada de 30MHz y ofrece una imagen aún más clara de la baja distorsión y el alto rango dinámico sin ruido para frecuencias superiores a la frecuencia de Nyquist de 10MHz.

El LTC1406 tiene todo lo que necesitan los diseñadores de alta velocidad: un amplio ancho de banda de entrada, un excelente rendimiento de alta frecuencia y submuestreo, el paquete más pequeño de todos los convertidores de 8 bits y 20 MHz disponibles y una serie de características que facilitan su uso y permiten obtener el máximo rendimiento. Linear Technology y el LTC1406 serán una adición bienvenida a la conversión de datos de alta velocidad.