Al diseñar con un convertidor de analógico a digital (ADC), es fácil creer erróneamente que reducir la señal de entrada para cumplir con el rango de escala completa del ADC provocará una disminución significativa en la relación señal / ruido (SNR ).
Los diseñadores de sistemas que necesitan lidiar con grandes variaciones de voltaje están particularmente preocupados por esto. Además, en comparación con los ADC alimentados por voltajes más altos, los ADC alimentados por voltajes bajos (5 V o menos) son más diversos.
Un suministro de voltaje más alto generalmente conduce a un mayor consumo de energía y un diseño de placa de circuito más complicado (por ejemplo, se requieren más condensadores de desacoplamiento).
Muchas señales generadas por sensores o sistemas son señales bipolares de alto voltaje (como la señal ± 10V ampliamente utilizada). Sin embargo, hay muchas formas sencillas de pasar esta señal a través del ADC; También se pueden utilizar varias soluciones ADC de alto voltaje integradas: puede manejar esta gran señal de entrada a gran escala sin sacrificar la SNR. Estas soluciones requieren un voltaje de suministro muy alto para cumplir con los requisitos del rango de entrada, y su consumo de energía también es bastante grande (Figura 1). Estos ADC de alto voltaje también reducen la selección de soluciones de acondicionamiento de señal (amplificador operacional). Si la señal necesita ser multiplexada con una combinación de entradas de alto y bajo voltaje, el costo del sistema aumentará significativamente (Figura 2).
También puede usar el amplificador de entrada para escalar la señal para que coincida con el rango de entrada de escala completa del ADC de bajo voltaje. Este circuito de acondicionamiento de señal se puede conectar a una entrada multiplexada para que todas las señales puedan estar en línea con el rango de ADC (Figura 3).
Cuando se usa un amplificador para escalar el voltaje de la señal, el ruido se refiere a la entrada del amplificador. En este momento, hay dos fuentes principales de ruido: el ruido de referencia de entrada del amplificador mismo y el ruido de referencia de entrada reducido del ADC. Estas dos fuentes de ruido se combinan en un término cuadrático. Además, el ruido del amplificador también se filtra por el ancho de banda de entrada del ADC y el filtro anti-aliasing entre el amplificador y la entrada del ADC, consulte la Figura 4.
Figura 4: El amplificador de zoom introduce ruido, pero el ruido es filtrado por el circuito RC y la red de entrada del ADC.
La fórmula de cálculo del sistema SNR (terminal de entrada del amplificador) es:
Donde: VnADC es el ruido RMS de entrada del ADC; VnOPA es el ruido de referencia de entrada del amplificador (X veces la referencia de entrada) = frecuencia unipolar -3dB.
Dado el rango de escala completa del ADC, el ruido de referencia de entrada del ADC y el factor de escala del amplificador, hay dos variables que afectarán el objetivo de la reducción de la pérdida de SNR: la frecuencia de corte del filtro y el ruido de referencia de entrada del amplificador.
Si la fuente de señal tiene componentes de baja frecuencia, se puede diseñar un filtro para que el amplificador pueda tolerar un ruido de entrada más grande (el ruido de entrada más alto generalmente está relacionado con un menor consumo de energía y menor costo). Si el ADC limita el ancho de banda del sistema, el amplificador debe tener un ruido de referencia de entrada lo suficientemente bajo para controlar la pérdida de SNR dentro de un rango aceptable.
Por ejemplo, dada una señal de entrada de ± 10V y un ADC de rango de escala completa de 5VP-P con una SNR de 92dB, el factor de escala (la relación entre la entrada y el rango de escala completa) es 4. El ruido de referencia de entrada del ADC en la hoja de datos es 44.4 nV RMS. Suponiendo que la frecuencia de corte del filtro es de 10 kHz y el ruido de referencia de entrada del amplificador es de 10 nV / (Hz) 1/2, la pérdida de SNR es: SNR (pérdida) = 0.035dB.
Si no hay filtro y se asume que el ancho de banda del ADC es de 10MHz, para lograr la misma pérdida de SNR, el ruido de referencia de entrada requerido se convierte en 0.3nV / (Hz) 1/2. Este requisito es muy estricto.
Para un ADC con el mismo ancho de banda de 10MHz, si se permite SNR (pérdida) = 0.5dB, el requerimiento de ruido del amplificador es 4nV / (Hz) 1/2, lo cual es relativamente fácil de implementar.
Por lo tanto, si se dan el ancho de banda del sistema y la pérdida de SNR permitida, agregar un amplificador proporcional para convertir la señal de alto voltaje en un ADC de bajo voltaje en el rango de escala completa será una solución completamente factible. Al alimentar múltiples señales con diferentes amplitudes de oscilación a un ADC multiplexado de bajo voltaje, esta solución puede lograr un sistema rentable.
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