¿Puede un amplificador operacional de precisión lento accionar un ADC SAR rápido de 18 bits?

A menudo, los diseños de referencia de los ADC de alta velocidad y alta resolución muestran un amplificador óptico relativamente rápido delante del ADC para accionarlo. Hay buenas razones para ello: Una baja impedancia de salida a altas frecuencias ayuda a absorber la retroalimentación de carga del condensador de muestreo del ADC, y la alta ganancia de bucle del amplificador óptico a frecuencias moderadas garantiza una alta linealidad de CA para igualar el excelente rendimiento de distorsión armónica del ADC.

Sin embargo, el problema de muchos amplificadores operacionales de alta velocidad es que suelen consumir una corriente de alimentación relativamente alta, y no siempre están optimizados para obtener el mejor rendimiento en CC, como un bajo offset o un bajo ruido 1/f. Hace poco, me pregunté qué pasaría si interferimos un microamplificador de precisión como el LT6011 (ancho de banda: 330kHz) con el LTC2378-18 ADC (18 bits, 1Msps). Así que lo intentamos.

Conectamos el circuito como se muestra en la figura 1. Los resultados fueron sorprendentemente buenos. La INL medida del circuito de 18 bits +/-1LSB es similar a la especificación del propio ADC. La SNR de 100dB está dentro de un dB de la especificación de la hoja de datos del ADC. Mientras tanto, el LT6011 presume de una verdadera precisión de CC, con una tensión de offset máxima de 60uV, y un ángulo de ruido 1/f de sólo 3Hz. Lo mejor de todo es que el LT6011 sólo consume 135uA por amplificador, lo que significa que incluso cuando se utilizan tensiones de alimentación amplias, el consumo de energía del amplificador es mucho menor que el ya bajo consumo de energía del ADC.

Entonces, ¿hay alguna trampa? ¿Puedes seguir haciéndolo? El circuito es legítimo, y no dudo en recomendarlo a los diseñadores de sistemas, en las circunstancias adecuadas. ¿Cuáles son esas circunstancias?

En primer lugar, observa que hemos colocado un polo de baja frecuencia (49Ohm con 10nF, unos 325kHz) entre el amplificador y el ADC. Esto garantiza que la densidad de ruido de banda ancha relativamente alta del amplificador óptico no se integre en un ancho de banda amplio que limite el rendimiento del ruido del ADC. Pero también significa que el circuito no puede responder rápidamente a las señales de entrada que cambian con rapidez. En cualquier caso, la lenta velocidad de giro de 0,1V/us del LT6011 no lo permitiría. Así que no utilices este circuito si esperas que la señal cambie arbitrariamente con cada muestra siguiente del ADC (como en los sistemas multiplexados o pixelados de alta velocidad).

Más sutilmente, debes darte cuenta de que la interfaz de bajo ancho de banda no permite que el condensador de muestreo de entrada del ADC se estabilice completamente en la precisión de 18 bits entre las conversiones. Técnicamente, esto significa que el ADC no está digitalizando realmente una versión amortiguada de la señal de entrada, sino una tensión que está siempre a un pequeño porcentaje de la tensión de entrada real. Lo bueno es que este porcentaje se mantiene fijo, ya que el LTC2378-18 siempre restablece completamente su condensador de muestreo y tiene un extremo frontal muy lineal. Por lo tanto, el efecto de un restablecimiento incompleto es simplemente un pequeño error de ganancia, que no se distingue de la precisión de una referencia de tensión típica o de la relación de resistencia de retroalimentación. La advertencia es que si no dejas siempre el mismo tiempo entre las conversiones del ADC, el circuito ajustará más o menos el condensador de muestreo del ADC, dependiendo del tiempo transcurrido desde la conversión anterior. Esto puede dar lugar a errores inesperados. Por lo tanto, no utilices esta configuración si planeas sincronizar el ADC utilizando un reloj de muestreo no uniforme (no periódico).

En resumen, si piensas detenidamente en los requisitos de tu sistema, puedes optimizar tu circuito para aprovechar la excelente precisión de CC y el bajo consumo de energía de un opampón conductor más lento, sin dejar de obtener el rendimiento que esperas de un ADC de 18 bits y 1Msps.