Pregunta al ingeniero de aplicaciones-11: ¿Qué calidad debe tener una referencia de tensión?

Todos los convertidores analógico-digital (ADC) y digital-analógico (DAC) necesitan una señal de referencia, normalmente un voltaje. La salida digital de un ADC es la relación entre la entrada y la referencia, la entrada digital de un DAC define la relación entre su salida analógica y su referencia. Algunos convertidores tienen sus referencias incorporadas, otros necesitan una referencia externa, pero todos deben tener una referencia de tensión (o de corriente) de alguna manera.

La mayoría de las primeras aplicaciones de los convertidores de datos eran mediciones de "corriente continua" de señales que variaban lentamente, en las que no importaba el momento exacto de la medición. Hoy en día, la mayoría de las aplicaciones de los convertidores de datos son en sistemas de datos muestreadosdonde hay que procesar un gran número de muestras analógicas equidistantes y donde la información espectral es tan importante como la de amplitud. En este caso, la calidad de la referencia de frecuencia o de tiempo (el "reloj de muestreo" o "reloj de reconstrucción") tiene una importancia comparable a la de la referencia de tensión.

Referencias de tensión

Q ¿Qué calidad debe tener una referencia de tensión?

A. Depende del sistema. Cuando se requieren mediciones absolutas, la exactitud está limitada por la precisión con la que se conoce el valor de referencia. Sin embargo, en muchos sistemas, la estabilidad o la repetibilidad son más importantes que la precisión absoluta; y en algunos sistemas de datos muestreados, la precisión a largo plazo de la referencia de tensión apenas es importante, pero pueden introducirse errores al derivar la referencia de una alimentación del sistema con ruido.

Las referencias Zener enterradas monolíticas (por ejemplo, AD588 y AD688) pueden tener una precisión inicial de 1 mV en 10 V (0,01% o 100 ppm) y un coeficiente de temperatura de 1,5 ppm/°C. Son lo suficientemente precisos como para utilizarlos sin ajustes en sistemas de 12 bits (1 LSB = 244 ppm), pero no en sistemas de 14 o 16 bits. Con el error inicial ajustado a cero, pueden utilizarse en sistemas de 14 y 16 bits en un rango de temperatura limitado. (1 LSB = 61 ppm, es decir, un cambio de temperatura de 40°C en un AD588 o AD688).

Para obtener una mayor precisión absoluta, puede ser necesario estabilizar la temperatura de la referencia en un horno controlado termostáticamente y calibrarla con un patrón. En muchos sistemas, si no se requiere una precisión absoluta de 12 bits, puede ser necesaria una resolución de 12 bits o más; en este caso, se pueden utilizar referencias de bandgap menos precisas (y menos caras).

Q ¿Qué quieres decir con "Zener enterrado" y "banda prohibida"?

A. Estos son los dos tipos más comunes de referencias de precisión que se utilizan en los circuitos integrados.

El Zener "enterrado" o subterráneo es el más estable y preciso. Consiste en un diodo con el valor correcto de tensión de ruptura inversa, formado por debajo del nivel de la superficie del chip IC, y luego cubierto con una difusión protectora para mantener la ruptura por debajo de la superficie.

En la superficie de un chip de silicio hay más impurezas, tensiones mecánicas y dislocaciones de la red cristalina que en el interior del chip. Dado que estos factores contribuyen al ruido y a la inestabilidad a largo plazo, el diodo de ruptura enterrado es menos ruidoso y mucho más estable que los zeners de superficie: es la fuente de referencia en chip preferida para los dispositivos de CI precisos.

Sin embargo, su tensión de ruptura suele ser de unos 5 V o más y debe consumir varios cientos de microamperios para un funcionamiento óptimo, por lo que esta técnica no es adecuada para las referencias que deben funcionar a baja tensión y tener un bajo consumo de energía. Para estas aplicaciones, es preferible la referencia de banda prohibida. Desarrolla una tensión con un coeficiente de temperatura positivo para compensar el coeficiente de temperatura negativo del V_sermanteniendo una tensión constante de "band gap". En el circuito mostrado*, Q2 tiene 8 veces el área del emisor de Ql; el par produce una corriente proporcional a su temperatura absoluta (PTAT) en R1, desarrollando una tensión PTAT en serie con la tensión V_{para ser} de Q1, dando lugar a una tensión, V_zque no varía con la temperatura y se puede amplificar, como se muestra. Es igual a la tensión de la banda prohibida del silicio (extrapolada al cero absoluto).

Las referencias de bandgap son algo menos precisas y estables que las mejores referencias Zener enterradas, pero es posible obtener una variación de temperatura mejor que 3 ppm/°C.

Q. ¿Qué precauciones debo tomar al utilizar referencias de tensión?

A. Recuerda los principios básicos de un buen diseño de circuitos analógicos: ten cuidado con las caídas de tensión en los conductores de alta impedancia, con el ruido de las impedancias comunes de tierra y con el ruido de los raíles de alimentación insuficientemente desacoplados. Ten en cuenta en qué dirección fluye la corriente de referencia y ten cuidado con las cargas capacitivas.

Q Soy consciente de los efectos de la caída de tensión y del ruido, pero ¿las referencias tienen que suministrar corrientes suficientemente grandes para que la caída de tensión en los conductores sea significativa?

A. En general, las referencias se amortiguan internamente; la mayoría proporcionan y absorben entre 5 y 10 mA. Algunas aplicaciones pueden requerir corrientes de este orden o más; un ejemplo es cuando la referencia sirve como referencia del sistema; otro es conducir la entrada de referencia de un ADC flash de alta velocidad que tiene una impedancia muy baja. Una corriente de 10mA que circule por 100mohms experimentará una caída de tensión de 1mV, que puede ser significativa. Las referencias de tensión de mejor rendimiento, como el AD588 y el AD688, tienen conexiones Kelvin (de detección de fuerza) para sus terminales de salida y de tierra. Al cerrar un bucle de retroalimentación alrededor de las fuentes de error, estas conexiones evitan los efectos de las caídas de tensión; también corrigen los errores de ganancia y de desplazamiento cuando se utilizan amplificadores de buffer de corriente para accionar grandes cargas o para absorber corrientes que fluyen en la dirección equivocada. El terminal de detección debe conectarse al lado de la salida del amplificador de amortiguación, preferiblemente a la carga.

Q ¿Qué quieres decir con "fluir en la dirección equivocada"?

A. Considera una referencia de +5 V que funciona con una alimentación de +10 V. Si su terminal de salida de 5 voltios se carga con una resistencia a tierra, la corriente saldrá del terminal. Si la resistencia está conectada a la alimentación de +10 V, la corriente circulará por el terminal. La mayoría de las referencias permiten un flujo de corriente neto en ambas direcciones, pero algunas fuentes de corriente no pueden absorber ninguna o absorben mucho menos de lo que pueden generar. Estos dispositivos, identificables por la forma en que se especifica su corriente de salida en la hoja de datos, no deben utilizarse en aplicaciones en las que deba circular una gran corriente neta por el terminal de referencia. Un ejemplo común es el uso de una referencia positiva como referencia negativa.

Q ¿Por qué no comprar una referencia negativa?

A. Porque la mayoría de las referencias de salida de tensión simple son referencias positivas. Las referencias activas de dos polos, por supuesto, pueden utilizarse para cualquier polaridad; se utilizan de la misma manera que los diodos Zener (y suelen ser dispositivos de banda prohibida).

Para que una referencia positiva de tres terminales pueda utilizarse como referencia negativa, debe ser capaz de absorber corriente. Su terminal de salida se conecta a tierra y su terminal de tierra (que se convierte en el terminal de referencia negativo) se conecta a la alimentación negativa mediante una resistencia (o fuente de corriente constante). Por lo general, la clavija de alimentación positiva debe estar conectada a una alimentación positiva de al menos unos cuantos voltios por encima de la tierra. Pero algunos dispositivos pueden proporcionar una referencia negativa en el modo de dos terminales: los terminales positivo y de salida se conectan juntos a tierra.

R_S (o una fuente de corriente) se seleccionará de forma que, para todos los valores previstos de corriente de alimentación negativa y de corriente de carga de referencia, las corrientes de los terminales de tierra y de salida se mantengan dentro de los valores nominales.

Q ¿Qué pasa con las cargas capacitivas?

A. Muchas referencias tienen amplificadores de salida que se vuelven inestables y pueden oscilar cuando funcionan con grandes cargas capacitivas, por lo que no se recomienda conectar un condensador grande (varios µF o más) a la salida de una referencia para reducir el ruido, pero a menudo se recomiendan condensadores de 1-10 nF, y algunas referencias (por ejemplo, la AD588) tienen terminales de reducción de ruido a los que se puede conectar el condensador con seguridad. Si se dispone de terminales de detección de fuerza, puede ser posible adaptar la dinámica del bucle bajo una carga capacitiva. Consulta las fichas técnicas de los fabricantes y los ingenieros de aplicación para estar seguro. Aunque el circuito sea estable, puede no ser aconsejable utilizar grandes cargas capacitivas, ya que aumentan el tiempo de encendido de la referencia.

Q ¿No se encienden las referencias en cuanto se aplica la corriente?

A. En absoluto. En muchas referencias, la corriente al elemento de referencia (Zener o bandgap) se deriva de la salida estabilizada. Esta retroalimentación positiva aumenta dc este es un problema que puede solucionarse con el uso de una fuente de alimentación en el chip, pero conduce a un estado de "apagado" estable que resiste el arranque. Los circuitos en chip para hacer frente a este problema y facilitar la puesta en marcha suelen estar diseñados para consumir una corriente mínima, por lo que muchas referencias se encienden muy lentamente (1-10 ms es lo típico). Algunos dispositivos están especificados para una puesta en marcha más rápida; pero otros son incluso más lentos.

Si el diseñador necesita una tensión de referencia muy rápidamente después de aplicar la corriente al circuito, la referencia elegida debe tener una especificación de encendido suficientemente rápida; y la capacidad de reducción del ruido debe ser mínima. El retraso en el encendido de la referencia puede limitar las posibilidades de flashear las fuentes de alimentación de los sistemas de conversión de datos para ahorrar energía del sistema. El problema debe considerarse incluso si la referencia está integrada en el chip del convertidor; también es importante en estos sistemas considerar las características de encendido del convertidor, así como [discussed in “Ask The Applications Engineer—1,” Analog Dialogue 22-2 (1988), p. 29].

Las referencias de alta precisión pueden requerir un periodo adicional de estabilización térmica tras el encendido, antes de que el chip alcance la estabilidad térmica y las desviaciones inducidas térmicamente alcancen sus valores finales. Dichos efectos se anotarán en la ficha técnica y es poco probable que excedan de unos pocos segundos.

Q ¿Utilizar estas referencias de alta precisión en lugar de su referencia interna hace que un convertidor sea más preciso?

A. No necesariamente. Por ejemplo, el AD674B, un descendiente de alta velocidad del clásico AD574, tiene un error de calibración ajustado de fábrica del 0,25% (±l0 LSB) como máximo, con una referencia interna garantizada con una precisión de +100 mV (1%). Como el 0,25% de 10 V = 25 mV, la escala completa es de 10.000 V + 25 mV. Supongamos que un AD674B con una referencia interna alta del 1% (10,1 V) se ha ajustado en fábrica para una escala completa de 10.000 V, mediante un aumento de la ganancia del 1%. Si se conectara una referencia precisa del sistema AD588 de 10,00V a la entrada de referencia del instrumento, el fondo de escala pasaría a ser de 10,100V, a 4 veces el error máximo especificado.

Q Discute el papel del reloj como referencia del sistema.

A. Uy, ¡nos hemos quedado sin sitio! Esta pregunta introduce un tema que merece un debate profundo. Lo haremos en un próximo número.

*También del Diálogo Analógico 9-1 (1975) Lo mejor de Diálogo Analógico1967 a 1991, p. 72.