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Cómo conseguir una conversión analógica-digital de bajo consumo para mediciones de alta precisión

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Este artículo presenta una solución de convertidor analógico-digital (ADC) de bajo consumo para aplicaciones de medida de alta precisión. Una aplicación típica en ingeniería eléctrica es el registro de magnitudes físicas mediante sensores y su envío a un microcontrolador para su posterior procesamiento. Los ADC son necesarios para convertir las señales analógicas de salida de los sensores en señales digitales.

En aplicaciones de alta precisión, se utilizan ADC SAR o ADC sigma-delta. En aplicaciones de bajo consumo, cada mW que se pueda ahorrar cuenta.

Conversión de señales con ADC sigma-delta
Los ADC sigma-delta ofrecen algunas ventajas sobre los ADC-SAR. Por un lado, suelen tener resoluciones más altas. Además, suelen venir integrados con amplificadores de ganancia programables (PGA) y entradas/salidas de propósito general (GPIO). Así pues, los ADC sigma-delta son muy adecuados para aplicaciones de medida y acondicionamiento de señales de CC y baja frecuencia de alta precisión. Sin embargo, debido a la elevada frecuencia de sobremuestreo fija, un ADC sigma-delta suele tener un mayor consumo de energía, lo que se traduce en una menor vida útil en el caso de aplicaciones alimentadas por batería.
Si la tensión de entrada es pequeña -es decir, en el rango de los milivoltios-, primero hay que amplificarla para que el ADC pueda gestionarla más fácilmente. Para conectar una tensión pequeña con una tensión de salida de 10 mV se necesita un frontal analógico (AFE) PGA. Por ejemplo, para conectar pequeñas tensiones de un circuito puente a un ADC sigma-delta con un rango de entrada de 2,5 V, el PGA tiene que tener una ganancia de 250. Esto, sin embargo, produce ruido adicional en la entrada del ADC porque la tensión de ruido también se amplifica. La resolución efectiva de un ADC sigma-delta de 24 bits se reduce drásticamente a 12 bits. Sin embargo, en algunas circunstancias, no es necesario utilizar todos los códigos en el ADC y, en algún momento, la amplificación adicional ya no proporciona una mejora del rango dinámico. Otra desventaja de los ADC sigma-delta es que suelen ser más caros debido a su complejidad interna.

Ventajas de combinar un ADC-SAR con un amplificador interno
Una alternativa igual de precisa pero más rentable y eficiente es utilizar un ADC-SAR en combinación con un amplificador de instrumentación (in-amp), como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama esquemático de un ADC-SAR que muestra un circuito de medida en puente simplificado combinado con un amplificador de instrumentación y un ADC-SAR.

La función de un ADC-SAR puede dividirse en dos fases: la fase de adquisición de datos y la fase de conversión. Básicamente, en la fase de adquisición de datos, el consumo de corriente es bajo. La mayoría de los ADC-SAR incluso se apagan entre conversiones. Por tanto, la fase de conversión es la que consume más corriente. El consumo de energía depende de la tasa de conversión y aumenta linealmente con la tasa de muestreo. Para aplicaciones de ahorro de energía en mediciones de respuesta lenta, es decir, mediciones en las que las magnitudes medidas cambian lentamente (por ejemplo, mediciones de temperatura), debe utilizarse una tasa de conversión baja para mantener bajo el consumo de corriente y, por tanto, las pérdidas. La figura 2 muestra, a modo de ejemplo, las pérdidas de potencia en el AD4003 a distintas velocidades de muestreo. A 1 kSPS, la pérdida de potencia es de aproximadamente 10 µW; a 1 MSPS, ya ha aumentado a 10 mW.

Figura 2. Pérdida de potencia en el AD4003 en función de la frecuencia de muestreo.

En contraste con estas mediciones tan lentas, los ADC sigma-delta tienen la ventaja del sobremuestreo, a la vez que utilizan una frecuencia de oscilador interno mucho mayor que la velocidad de salida. Esto permite a los diseñadores optimizar el muestreo para velocidades más altas con peor rendimiento de ruido o para velocidades más bajas con más filtrado, modelado de ruido (empujando el ruido a la banda de frecuencia fuera del área de interés de medición) y mejor rendimiento de ruido. Sin embargo, esto significa un consumo de energía mucho mayor con los ADC sigma-delta en comparación con los ADC-SAR. La resolución efectiva y la resolución sin ruido de muchos ADC sigma-delta se mencionan en sus hojas de datos, lo que facilita la comparación de las ventajas y desventajas.

Conclusión
Tanto los ADC sigma-delta en combinación con PGA como los ADC-SAR con un amplificador integrado son adecuados para la conversión de señales en aplicaciones de medida de alta precisión. Ambas soluciones tienen una precisión similar. Sin embargo, para aplicaciones de medición de bajo consumo o que funcionan con baterías, la combinación del ADC-SAR y el amplificador de entrada es mejor porque ofrece un menor consumo de energía y menores costes en comparación con la solución formada por el PGA y el ADC sigma-delta. Además, un PGA con una ganancia elevada suele limitar el rendimiento porque el ruido también se amplifica. Este artículo sólo cubre una posible solución para un ADC-SAR. Hay más soluciones integradas disponibles, como un convertidor sigma-delta como el AD7124-4/AD7124-8 con una PGA integrada.

Sobre el autor
Thomas Brand comenzó su carrera en Analog Devices en Múnich en 2015 como parte de su tesis de doctorado. Después de graduarse, formó parte de un programa de prácticas en ADI. En 2017, se convirtió en ingeniero de aplicaciones de campo. Thomas da soporte a grandes clientes industriales en Europa Central y también se especializa en el campo de Ethernet Industrial. Estudió ingeniería eléctrica en la Universidad de Educación Cooperativa de Mosbach antes de completar sus estudios de posgrado en ventas internacionales con un máster en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Constanza.

Por Thomas Brand, Ingeniero de aplicaciones de campo en Analog Devices

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