Voltajes analógicos precisos y de ajuste rápido de señales PWM digitales

La modulación de ancho de pulso (PWM) es una técnica común para generar voltajes analógicos desde un dispositivo digital como un microcontrolador o FPGA. La mayoría de los microcontroladores tienen dispositivos de generación de PWM dedicados, y solo se necesitan unas pocas líneas de código RTL para generar una señal PWM desde un FPGA. Esta es una técnica simple y práctica si los requisitos de rendimiento de la señal analógica no son demasiado estrictos, ya que solo se requiere un pin de salida y la sobrecarga del código es muy baja en comparación con un convertidor digital a analógico (DAC) con SPI o I.²Interfaz C. La Figura 1 muestra una aplicación típica, con un pin de salida digital filtrado para producir un voltaje analógico.

No es necesario profundizar mucho para descubrir las numerosas deficiencias de esta dieta. Idealmente, una señal analógica de 12 bits debería tener menos de 1 LSB de ondulación, lo que requiere un filtro de paso bajo de 1,2 Hz para una señal PWM de 5 kHz. La impedancia del voltaje de salida está determinada por la resistencia del filtro, que puede ser bastante grande si el capacitor del filtro debe mantenerse en un tamaño razonable. Por lo tanto, la salida solo debe impulsar una carga de alta impedancia. La pendiente (ganancia) de la función de transferencia de PWM a analógico se establece mediante el voltaje de suministro digital (probablemente impreciso) del microcontrolador. Un efecto más sutil es que el desajuste entre la resistencia efectiva del pin de salida digital para suministro alto y la resistencia a tierra baja debe ser pequeño en comparación con el valor de la resistencia del filtro para mantener la linealidad. Finalmente, la señal PWM debe ser continua para mantener el voltaje de salida en un valor constante, lo que puede ser un problema si el procesador necesita apagarse por bajo consumo de energía.

La Figura 2 muestra un intento de remediar estos defectos. Un búfer de salida permite el uso de una resistencia de filtro de alta impedancia mientras proporciona una salida analógica de baja impedancia. La precisión de la ganancia se mejora mediante el uso de un búfer CMOS externo, alimentado por una referencia de precisión para que la señal PWM se abra entre tierra y un nivel alto preciso. Este circuito se puede reparar, pero el recuento de piezas es alto y no hay forma de mejorar el tiempo establecido de 1,1 segundos, y no hay forma de "mantener" el valor analógico sin una señal PWM constante.

El LTC2644 y el LTC2645 son DAC de voltaje PWM de salida doble y cuádruple con una referencia interna de 10 ppm/°C que proporcionan un rendimiento real de 8, 10 o 12 bits a partir de señales PWM digitales. El LTC2644 y el LTC2645 superan estos problemas midiendo directamente el ciclo de trabajo de la señal PWM entrante y enviando el código de 8, 10 o 12 bits adecuado a un DAC de precisión en cada flanco ascendente.

Una referencia interna de 1,25 V establece la salida de escala completa en 2,5 V, y se puede usar una referencia externa si se requiere una salida de escala completa diferente. Un IOV separado_CC El pin establece el nivel de entrada digital, lo que permite la conexión directa a FPGA de 1,8 V, microcontroladores de 5 V o cualquier voltaje intermedio. Las especificaciones de precisión de CC son excelentes, con una compensación de 5 mV, un error de ganancia máxima del 0,8 % y un INL máximo de 2,5 LSB (12 bits). El tiempo de estabilización de la salida es de 8 μs desde el flanco ascendente de la entrada PWM hasta el 0,024 % del valor final (1LSB a 12 bits). El rango de frecuencia PWM es de 30 Hz a 6,25 kHz para las versiones de 12 bits.

La Figura 4 muestra una aplicación típica de margen/compensación de energía que aprovecha otra característica única del LTC2644. Binding IDLSEL high selecciona la operación de "muestreo/retención"; las salidas tienen alta impedancia al inicio (sin margen), un nivel alto continuo en la entrada hace que la salida mantenga su valor indefinidamente y un nivel bajo continuo pone la salida en un estado de alta impedancia. Por lo tanto, el suministro se puede ajustar una vez para encender hasta una ráfaga de PWM seguida de un nivel alto. Bajar la señal PWM permite que el circuito salga limpiamente de la operación de margen. Vincular IDLSEL a GND selecciona el "modo transparente", en el que un nivel alto continuo en la entrada establece la salida a escala completa, y un nivel bajo continuo establece la salida a escala cero.

No se desespere si se enfrenta a las limitaciones de las técnicas PWM convencionales en comparación con las técnicas analógicas. El LTC2645 permite producir señales analógicas precisas y de estabilización rápida a partir de salidas digitales moduladas por ancho de pulso, al tiempo que mantiene un recuento bajo de partes y la simplicidad del código.