Un diminuto ADC de 12 bits proporciona 2,2Msps a través de una interfaz serie de 3 hilos

Las interfaces en serie ocupan poco espacio de enrutamiento, pero generalmente limitan la velocidad de un ADC. El LTC1402 tiene una velocidad de conversión completa de 2,2Msps y una interfaz de 3 hilos muy compacta para conectarse a DSPs y microprocesadores sin lógica de pegado. Se presenta en un paquete SSOP estrecho de 16 pines. Este minúsculo envase (huella de 200mil × 230mil) y la compacta interfaz en serie son fáciles de colocar cerca de los sensores para preservar mejor la integridad de la señal analógica.

Otros ADCs en serie de 12 bits tienen velocidades de muestreo limitadas a cientos de kilomuestras por segundo, lo que limita su utilidad en los sistemas de adquisición de datos de alta velocidad. Esta lenta velocidad de muestreo, combinada con unas pobres características de distorsión, los hace inadecuados para el seguimiento de señales de alta frecuencia. El LTC1402 captará los pasos rápidos de un multiplexor de entrada analógica externo para la adquisición de datos de alta velocidad en menos de 60ns y digitalizará señales de alta frecuencia con gran precisión, con una relación S/(N+D) (señal-ruido más distorsión) de 72dB a 1,1MHz, para sistemas de comunicación o procesamiento de señales.

La figura 1a muestra un ejemplo de la interfaz entre el LTC1402 y el DSP TMS320C54x. No se necesita lógica de cola para interconectar el LTC1402 con los DSP. El puerto serie con búfer del TMS320C54x habla directamente con un segmento dedicado de 2kB de la memoria intermedia interna. Los datos en serie del ADC se recogen en el buffer de 2k, en dos segmentos de 1kB alternados, en tiempo real, a la velocidad de conversión completa de 2,2Msps del LTC1402. Consulta la hoja de datos del LTC1402 para ver el código de montaje del TMS320C54x para esta aplicación.

Figura 1a. Interfaz serie del DSP con el TMS320C54X.

El minúsculo y estrecho encapsulado SSOP de 16 pines del LTC1402 ahorra espacio en sistemas compactos o que requieren un gran número de ADC. Puede colocarse cerca del circuito de acondicionamiento de la señal y enviar los datos de salida en serie a través de una traza de la placa de PC de hasta 30 cm de longitud al DSP, como se muestra en la Figura 1a.

La figura 1b muestra el controlador/receptor de cable cuádruple LTC1688/LTC1520 que interconecta el LTC1402 con el puerto DSP para enviar datos en serie a mayores distancias. El cable de par trenzado cuádruple apantallado de categoría 5 puede extenderse hasta 30 metros sin que se corrompan los datos. Como SCK, CONV y DOUT las señales se originan en el LTC1402, llegan al puerto serie con retrasos similares y permanecen sincronizadas. Cuando se reciben datos en el puerto serie desde un DSP u otro procesador, el puerto debe programarse para responder a los flancos SCK y CONV adecuados. También es necesario comprobar en qué lugar de la trama de datos de 16 bits se encuentra la salida DATA de 12 bits. Las instrucciones de LECTURA del puerto serie del TMS320C54x pueden mover los datos de 12 bits a la posición preferida en la trama de datos de 16 bits.

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Figura 1b. El puerto serie de 3 hilos LTC1402 envía datos a través de 30 metros de par trenzado de categoría 5 con los pares de conductores/receptores cuádruples LTC1688/LTC1519.

La interfaz serie se presta al aislamiento galvánico con optoacopladores externos. La figura 1c muestra cómo aislar el LTC1402 con el optoacoplador doble HPCL-2430. Los retrasos de propagación de 40 ns a través de los optoacopladores duales se cancelan entre sí para mantener una buena coincidencia temporal entre el DOUTseñales SCK y CONV. El LTC1402, que funciona a una velocidad de conversión de 2Msps, envía tramas de datos de 16 bits a través de los optoacopladores HPCL-2430 a 32MB/s.

Figura 1c. El LTC1402 se aísla fácilmente con optoacopladores de alta velocidad.

La figura 2 muestra el diagrama de bloques del LTC1402. La arquitectura interna se ha optimizado para enviar datos en serie durante la conversión, sin degradar la precisión de la conversión debido al ruido digital. La entrada de reloj de 35MHz en la patilla SCK (15) y la entrada externa de inicio de conversión de 2,2Msps en la patilla CONV (16) no inyectan ruido en la ruta de la señal analógica interna del ADC. Por tanto, la precisión analógica del LTC1402 es insensible a la fase, el ciclo de trabajo o la amplitud (3V o 5V) de las entradas digitales externas. La DOUT (10) pasa de la tensión de la patilla OGND (9) a la tensión de la patilla OVDD (11) para permitir la interconexión directa con DSPs y microprocesadores de 5V o 3V. El LTC1402 es ideal para utilizarlo en sistemas de tierras múltiples, donde la entrada diferencial se conecta a una tierra, las fuentes de alimentación y las tierras del LTC1402 se conectan a una segunda tierra local, y la tierra de salida se conecta a una tercera tierra digital.

Figura 2. Diagrama de bloques del LTC1402.

Un front-end de muestreo propio consigue un rendimiento dinámico excepcional a la frecuencia de Nyquist de 1,1MHz: -89dB THD con suministros de ±5V y -82dB THD con un solo suministro de 5V. Las figuras 3 y 4 muestran los espectros de una onda sinusoidal a la frecuencia de Nyquist de 1,1MHz con una alimentación de ±5V y otra de 5V, respectivamente. Con este espectro tan limpio, el LTC1402 minimiza la diafonía y las interferencias en las aplicaciones de comunicación en las que el espectro está dividido en muchas franjas de frecuencia.

Figura 3: Gráfico del espectro sinusoidal (bipolar ±2V) con suministros de ±5V.

Figura 4: Gráfico del espectro de la onda sinusoidal (unipolar 0V-4V) con una sola alimentación de 5V.

El LTC1402 mantiene 72dB S/(N+D) con una onda sinusoidal de entrada de 1,1MHz, con una única alimentación de 5V o ±5V. Las señales positivas pueden aplicarse con una o dos alimentaciones y las señales bipolares pueden adaptarse fácilmente al funcionamiento con dos alimentaciones.

El ancho de banda a plena potencia del LTC1402 es de 80MHz; los anchos de banda lineales completos (SINAD > 68dB) de 5MHz con suministros de ±5V y de 3,5MHz con un único suministro de 5V complementan el extraordinario rendimiento dinámico del LTC1402. La pureza de la conversión de la señal de banda ancha mostrada en las figuras 5a y 5b hace que el LTC1402 sea muy adecuado para digitalizar señales sinusoidales muy por encima de la frecuencia de Nyquist de 1,1MHz. Las figuras 6 y 7 muestran que la pureza de la función de transferencia, representada por los gráficos de linealidad diferencial e integral, se mantiene a la tasa de conversión total de 2,2Msps.

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Figura 5a. ENOBs y SINAD en función de la frecuencia de entrada (bipolar ±2V) con suministros de ±5V.

Figura 5b. ENOBs y SINAD en función de la frecuencia de entrada (unipolar 0V-4V) con una única alimentación de 5V.

Figura 6. No linealidad diferencial en función del código de salida (unipolar 0V-4V).

Figura 7. No linealidad integral frente al código de salida (unipolar 0V-4V).

El circuito de muestreo frontal adquiere la señal de entrada de forma diferencial desde el AEN+ y AEN entradas analógicas. A excepción de la inversión del signo, estas dos entradas son idénticas. El amplio ancho de banda de rechazo del modo común del LTC1402 (-60dB a 10MHz de entrada) proporciona un excelente rechazo del ruido de tierra en sistemas complejos y ruidosos. La figura 8a muestra el rendimiento de la CMRR en función de la frecuencia de entrada.

Figura 8a. CMRR en función de la frecuencia de entrada.

Las entradas diferenciales son muy fáciles de interconectar con una amplia gama de fuentes de señal. La conexión a tierra del AEN la entrada cercana a la fuente de la señal reduce el ruido de tierra en modo común. Ajusta el BIP/UNI el pin (8) a un nivel lógico alto selecciona el rango bipolar ±2,048V; al ponerlo a un nivel lógico bajo se selecciona el rango unipolar 0V a 4,096V.

El rango unipolar de 0V a 4,096V es ideal para aplicaciones de alimentación de 5V en las que el AEN se conecta a tierra y la señal se aplica a la entrada AEN+ entrada. El rango bipolar de ±2,048 V centrado en la alimentación media también puede utilizarse en aplicaciones de alimentación única de 5 V, con el valor AEN entrada vinculada a una fuente de 2,5 VCC. Alternativamente, el rango bipolar completo de ±2,048V puede controlarse con un par de señales complementarias de ±1,024V en AEN+ y AEN . Esto limita la oscilación de los amplificadores externos con una única alimentación de 5V a su región más lineal, de 1,5V a 3,5V. La figura 8b muestra la mitad del op-amp dual LT1813 conduciendo el LTC1402 en esta configuración totalmente diferencial con una única alimentación de 5V.

Figura 8b. Las entradas diferenciales reales aceptan 4VP-P señal diferencial bipolar con 2VP-P oscilaciones en cada entrada y una ganancia efectiva de 2 de las entradas del LT1813. SINAD = 70,7dB con una entrada de 1MHz.

La referencia interna de 2,048V (multiplicada por 2 en la VREF ) ajusta los rangos bipolar y unipolar a ±2,048V y 0V a 4,096V, respectivamente. Conectando la clavija de Ganancia (7) a la VREF (5) corta la tensión de referencia en VREF y los rangos de entrada analógica se reducen a la mitad, a 2,048 V. La referencia interna también se puede desactivar vinculando la patilla de Ganancia a VCC y vinculando una referencia externa con una salida entre 2V y 5V directamente a VREF.

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El rango de entrada unipolar del circuito de la figura 9a depende de la tensión de salida del DAC, que actúa como un muestreo y retención infinito para señales como la corriente oscura de un CCD o aplicaciones similares, según se determine mediante procedimientos de software. El DAC serie de 12 bits del LTC1446 aplica una tensión a través de GAIN y AEN de los pines del ADC, en este caso, restando el AEN tensión de la VREF de la tensión, manteniendo así una escala completa positiva de 4,096V mientras se varía la escala de cero en el rango de 0V a 2V. Este ajuste del extremo inferior de la escala preserva el rango dinámico completo de 12 bits del ADC para digitalizar la señal de vídeo de entrada entre el valor de la corriente oscura y 4,096 V. El valor de la corriente oscura debe ser un valor de corriente continua que cambie lentamente para que el DAC y el amplificador tampón de referencia accionen sus respectivos condensadores de 10µF. El DAC LTC1446 es estable con una carga de 10µF; hay que tener cuidado al sustituir los condensadores.

Figura 9a. El uso de un DAC permite ajustar por software el extremo inferior del rango del ADC para aplicaciones como la cancelación de la corriente oscura.

La figura 9b muestra conexiones alternativas para emular el rango funcional de un convertidor flash en una aplicación de escáner de imágenes. El tope y el fondo de los rangos de conversión son definidos independientemente por el DAC del LTC1446, al igual que las tensiones superior e inferior de la escalera de resistencias interna de un convertidor flash. La parte inferior del rango de conversión comienza en el valor de la corriente oscura y la parte superior del rango se ajusta externamente para que coincida con la salida máxima posible del escáner de imágenes. La tensión en AGND (pin 6) puede variar de 0V a 1V; la de VREF (clavija 5) puede variar de 2V a 5V. Los amplificadores de búfer de entrada LT1813 pueden no ser necesarios si el sensor de imagen tiene una baja impedancia de entrada (<100Ω).

Figura 9b. Un doble convertidor digital-analógico permite ajustar por software las tensiones de escala completa y de escala cero del convertidor digital-analógico, emulando el comportamiento de un convertidor flash.

El LTC1402 consume 90mW en funcionamiento normal a partir de una única alimentación de 5V o ±5V. Los modos NAP y SLEEP reducen el consumo de energía a 15mW y 10mW, respectivamente. El modo NAP deja la referencia encendida y sólo tarda 300ns en despertarse, por lo que es ideal para ahorrar energía entre conversiones en aplicaciones de baja frecuencia de muestreo. El modo SLEEP también deja la referencia encendida y tarda 10ms en despertarse. El bit REFREADY en el flujo de datos de salida indica cuándo la referencia ha alcanzado la máxima precisión. Los modos NAP y SLEEP se configuran fácilmente con dos o cuatro pulsos en la entrada del pin CONV (16), respectivamente. Uno o más pulsos en la entrada del pin SCK (15) despierta al LTC1402 para la conversión.

La figura 10 muestra la reducción del consumo de energía cuando se reduce la frecuencia de muestreo y se utilizan los modos NAP o SLEEP entre las conversiones. Por ejemplo, una aplicación de submuestreo con el modo NAP entre conversiones a una velocidad de muestreo de 455ksps consume sólo 40mW.

Figura 10. Consumo de corriente en función de la frecuencia de muestreo para diferentes modos de funcionamiento y configuraciones de alimentación.

El LTC1402 tiene toda la velocidad y el rendimiento de CA y CC de los ADC rápidos de 12 bits con interfaces de datos en paralelo, pero ofrece una interfaz serie mucho más pequeña y sin cola que ahorra espacio en el estrecho encapsulado SSOP de 16 patillas. El diminuto LTC1402 puede colocarse justo al lado del sensor para una óptima captura de la señal analógica, y la compacta interfaz serie de 3 hilos puede dirigirse a través de una placa de sistema, un cable o una barrera de aislamiento a los puertos serie de los DSP y otros procesadores.

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