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• Eduardo Romero Montes

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Universidad Politécnica de Puebla Convertidores ADC

Nombre del docente: José Miguel Gutiérrez Ramírez

Nombre del estudiante: Romero Montes José Eduardo

Materia: Control digital

Grupo: 8 MB

Tipos de convertidores ADC CONVERTIDOR ADC SIGMA-DELTA

El ADC Sigma Delta es un elemento básico en el kit de herramientas de los diseñadores de sistemas de procesamiento y adquisición de señales actuales. El objetivo de este artículo es proporcionarle al lector la información básica sobre los principios fundamentales de la topología de ADC Sigma Delta. Por lo general, son dos bloques: el modulador Sigma Delta y el bloque de procesamiento digital de señales, normalmente un filtro digital. Este diagrama de bloques de alto nivel y los conceptos clave del ADC Sigma Delta se muestran en la siguiente figura.

Ilustración 1 Conceptos claves del ADC Sigma Delta.

En particular, los convertidores de sobre muestreo relajan los requerimientos de la circuitería analógica a expensas de hacer uso de una circuitería digital más compleja y veloz. Por un lado, el uso de modulación de alta frecuencia permite suavizar los requerimientos del filtro “antialiasing”, que puede implementarse mediante un filtro pasivo de primer orden. Las operaciones críticas de filtrado se trasladan al plano digital donde éstas resultan más robustas e inmunes a las imperfecciones de la circuitería. Por otro, de la combinación de sobre muestreo y técnicas de modulación Sigma-Delta (SD) resultan convertidores A/D de muy alta resolución, robustos y relativamente insensibles frente a las no idealidades. Esta ventajas hacen que los convertidores A/D de sobre muestreo, y en particular aquellos que incorporan modulación SD, sean de gran interés para la realización de entre fases A/D [Leme93] de altas prestaciones en tecnologías su micrométricas con bajas tensiones de polarización: en estas tecnologías, aunque no resulta fácil la consecución de funciones analógicas precisas, sí es posible implementar circuitos digitales muy densos y de alta velocidad. En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de un convertidor A/D de sobre muestreo con modulación SD que consta de los siguientes elementos:

Ilustración 2 Diagrama de bloques de un convertidor A/D sigma delta.

Donde: a) Filtro analógico “antialiasing”. Se encarga de eliminar de la señal de entrada todas las componentes espectrales por encima de la mitad de la frecuencia de muestreo. La operación de sobre muestreo permite flexibilizar los requerimientos de este filtro de forma que incluso filtros pasivos de primer orden son suficientes para implementar el primer bloque del convertidor.

b) Modulador. En este bloque se muestrea y cuantiza la señal. Adicionalmente, es posible filtrar el error inherente a la cubanización, conformando su densidad espectral de potencias de modo que la mayor parte de ésta quede fuera de la banda de la señal, de donde es eliminado mediante filtrado digital. Este hecho ha dado origen al término “noise-shaping”, que se usa también para denominar a los moduladores SD (“noise-shaping coders”). La salida del modulador consiste en un número reducido de bits (usualmente sólo uno) a la frecuencia de muestreo. c) Decimador. En este bloque, puramente digital, tras un filtrado que elimina todas las componentes fuera de la banda de la señal, incluido gran parte del error de cuantización, se reduce la frecuencia de muestreo mediante un proceso de decimación. Como resultado se obtiene la señal de entrada, codificada con un elevado número de bits, a la frecuencia de Nyquist La Fig. 1.2 ilustra el procesado de la señal realizado por los distintos bloques del convertidor

Ilustración 3 Ilustrando el procesado de señal en un convertidor A/D SD.

De los tres bloques del convertidor, es el modulador el que mayor dificultad plantea al diseñador. Por un lado, el sobre muestreo reduce el filtro antialiasing a un sencillo filtro RC paso de bajas. Por otro, el decimador, en sus diferentes posibilidades [Nors96a], es un bloque puramente digital cuyo diseño, al igual que el de otros bloques de procesado digital de señal, se haya considerablemente estructurado y resulta abordable mediante herramientas de CAD ampliamente difundidas. En el modulador, situado en la frontera entre el plano analógico y el digital, residen los mecanismos de error que degradan el comportamiento del convertidor: por una parte, el error de cuantización, inherente a tal operación; por otra, toda una serie de no idealidades de la circuitería que en mayor o menor medida afectan la funcionalidad de los bloques analógicos que lo forman. El impacto de estas últimas, así como las interferencias causadas por los bloques digitales vecinos, han de tenerse en cuenta en el diseño de convertidores con especificaciones exigentes en términos resolución y velocidad de operación. El modulador Sigma – Delta descrito hasta ahora es esencialmente un ADC con solo un bit de resolución. La resolución puede ser aumentada promediando la salida del modulador, lo cual se puede lograr a través de un filtro pasa bajos, seguido de un decimador el cual convierte la señal de un bit (bitstream) en una señal PCM multibit a la tasa de Nyquist.

Ilustración 4

CONVERTIDOR ADC TIPO PIPELINE El proceso de conversión Pipeline surge de la combinación de las técnicas que utilizan conversores del tipo Flash y SAR, con S/H y ganancia entre etapas.

Ilustración 5 Arquitectura de conversión A/D Pipeline

En la Fig. 5 se presenta un esquema básico para una arquitectura pipeline. Cada etapa muestrea la señal residuo de la etapa anterior mediante un S/H y la cuantiza en B+1 bits utilizando un sub-conversor flash (ADSC). Luego se resta la señal cuantizada a la señal de entrada y se obtiene el residuo, el cual es amplificado por el amplificador inter-etapa para ser muestreado y repetir el mismo procedimiento en la etapa siguiente. Cada etapa del conversor permite obtener B bits efectivos y 1 bit para redundancia (se profundiza más adelante). La cantidad de comparadores necesarios depende de la cantidad de bits por etapa para una resolución dada.

Características de Conversores Pipeline  

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El conversor A/D pipeline utiliza etapas en cascada, cada una de las cuales es capaz de producir uno o más bits. Las diferentes etapas del pipeline operan en simultáneo, determinando durante el mismo período de clock los bits pertenecientes a muestras sucesivas de la señal analógica de entrada. La arquitectura brinda un alto valor de throughput a expensas de una latencia inicial del sistema en N ciclos de clock. (donde N es la cantidad de etapas) El procesamiento en el camino analógico asegurar la información contenida en los bits residuales. La complejidad y el consumo de potencia en cada etapa del conversor pipeline son significativamente menores a los del conversor completo. El número total de etapas N, necesario para obtener una determinada resolución disminuye cuando la cantidad de bits por etapa se incrementa.

La principal ventaja de la arquitectura de los conversores AD Pipeline es el alto throughput a un muy bajo costo. La velocidad de salida está limitada por la velocidad de la etapa más lenta y es independiente del número de éstas. Para el proceso de sub-conversión analógicodigital (ADSC), utilizando internamente arquitecturas Flash, cada etapa del Pipeline necesita solamente dos ciclos de reloj por conversión. Por ejemplo si en un conversor de 9-bits que utiliza arquitectura flash se necesitan al menos 512 comparadores, en uno Pipeline de tres etapas y 3-bits por etapa tan solo son necesarios 28 comparadores, lo cual se puede implementar en una superficie de 8500mil2 con procesos CMOS de 3mm. Como ilustración del método de diseño de las etapas de un CA/D pipeline, veremos un ejemplo con 10 bits. Como regla general, suele aplicarse que, para resoluciones altas, del orden de 15 bits, se escogen resoluciones de 4 o 5 bits para las dos primeras etapas y 2 bits para las restantes, y para convertidores de hasta 10 bits de resolución se utilizan resoluciones bajas (2 bits) para todas sus etapas. Por tanto, en nuestro caso, dividiremos el convertidor en nueve etapas de dos bits de resolución cada una. En la siguiente figura se puede observar el diagrama de bloques general del convertidor.

Ilustración 6 Diagrama de bloques del convertidor

Cada una de las etapas realiza una conversión con dos bits de resolución y transmite el residuo a la siguiente etapa. Los 18 bits resultantes de las 9 conversiones se combinan mediante la corrección digital para obtener los 10 bits buscados. La redundancia existente permite la utilización de convertidores de 1.5 bits de resolución y simplifica enormemente el diseño de los comparadores. Este tipo de convertidores compuestos de etapas de 1.5 bits de resolución se suelen llamar convertidores RSD (Redundant Signed Digit). Escalando Etapas a través del Pipeline: En general en los conversores A/D pipeline, en cada etapa se disminuye la resolución en la medida que se avanza a través del pipeline, las exigencias de velocidad y precisión cada vez son menores.

Ilustración 7

Por consiguiente, en lugar de diseñar etapas idénticas, en la última parte del pipeline pueden escalarse hacia abajo. El gráfico de la Figura se muestra en descenso de la corriente de polarización en los amplificadores operacionales en cada etapa respecto de la primera. Cerca del frente, los tamaños de los capacitores de muestreo y los amplificadores operacionales son determinados por el piso de ruido, y hacia el final del pipeline, el tiempo

de establecimiento (settling time) de los amplificadores operacionales determina el tamaño de cada etapa. Tras esta técnica esto, es posible reducir hasta en un 50% el consumo respecto del mismo diseño con etapas idénticas.

CONVERTIDOR ADC TIPO DELTA El modulador delta consta de un restador, un cuantificador de 1 bit y un integrador. El conjunto formado por el restador y el cuantificador equivale a un comparador controlado por una señal de reloj. El comparador determina si la señal de entrada es superior o inferior a la integral de la salida y (t). El siguiente valor de y (t) será + o - según el resultado de la comparación. De esta forma, la integral de y (t) (es decir, x2(t)) se aproxima lo más posible a la señal de entrada. El demodulador recibe la señal y (t) y la convierte en una copia de x2(t) mediante un integrador. Finalmente, un filtro paso bajo elimina el ruido de cuantificación (alta frecuencia) y recupera la señal x (t). Para que la modulación funcione correctamente es preciso que la señal x (t) tenga en todo momento una pendiente inferior a la máxima que se puede generar en x2(t). En caso contrario se produce un fallo en el seguimiento que x (2) debe realizar a x (t). Este efecto se denomina limitación (o sobrecarga) de pendiente (slope overload). ADC Delta-Encoded (Codificación Delta), tiene un contador arriba abajo que provee un convertidor digital analógico (DAC). Tanto la señal de entrada como el DAC ambos van a un comparador. El comparador controla el contador. El circuito utiliza retroalimentación negativa del comparador para ajustar el contador mientras la salida del DAC está lo suficientemente cerca de la entrada de la señal. El número es leído del contador. Los convertidores Delta tienen rangos muy amplios, y una alta resolución, pero el tiempo de conversión depende del nivel de la señal de entrada, por lo que siempre tendrá una garantía aún en el peor de los casos. Los convertidores Delta son muchas veces buenas opciones para leer señales del mundo real. Muchas señales de sistemas físicos no cambian abruptamente. Algunos convertidores combinan las aproximación delta y la de aproximación sucesiva, Esto trabaja bien con altas frecuencias que son conocidas para ser pequeñas en magnitud.