Odpowiedź: Topologia CTSD oferuje możliwości optymalizacji łańcuchów sygnałowych poza tradycyjną architekturą przetworników analogowo-cyfrowych (ADC).
Wiele współczesnych aplikacji wymaga coraz mniejszych rozmiarów, ale nadal potrzebuje takich samych parametrów. Deweloperzy często stają przed pytaniem, jak to zrealizować i często godzą się na kompromisy. Na przykład można osiągnąć zmniejszenie rozmiaru systemu poprzez poświęcenie własności, takich jak: szum, dokładność czy rozdzielczość. W tym artykule omówiono użycie przetwornika sigma-delta (CTSD) o czasie ciągłym jako nowego sposobu optymalizacji projektu toru analogowo-cyfrowego i zmniejszenia kosztów zestawienia materiałów oraz rozmiaru systemu na płytce drukowanej.
Aby uzyskać optymalne parametry przetwarzania dla pożądanego czujnika lub sygnału, wszystkie elementy łańcucha sygnałowego muszą być doskonale skoordynowane ze sobą. Od czujnika do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) stosuje się zwykle kilka elementów dyskretnych. Oprócz czujnika i przetwornika ADC często wykorzystuje się wzmacniacze pomiarowe, przetworniki ADC, bufory napięcia odniesienia i filtry analogowe. W szczególności dobór odpowiedniego sterownika ADC i konstrukcja filtra wejściowego to nierzadko niedoceniane źródła błędów w sygnale.
Jednym ze sposobów optymalizacji projektu i zmniejszenia kosztów listy materiałowej, a także wielkości układu na PCB, jest użycie urządzeń z rodziny μModule. Urządzenia te są rozwiązaniami wysoce zintegrowanymi, zawierającymi przetwornik oraz wymagane bufory i elementy pasywne zogniskowane w jednym module. Dzięki nowej technologii CTSD możliwe jest bezpośrednie sterowanie ADC bez konieczności używania wzmacniacza jako bufora. Ponadto nowa topologia pozwala na uproszczenie konstrukcji filtra. Rysunek 1 pokazuje różnicę między tradycyjnymi przetwornikami ADC z czasem dyskretnym (DT-ADC) a przetwornikami CTSD. W porównaniu z tradycyjną formą konstrukcja CTSD pozwala na zmniejszenie rozmiarów systemu na PCB, nawet o 68%.
Rys.1. (a) Topologia ADC z dyskretnym czasem. (b) Przetwornik sigma-delta z ciągłym czasem. (c) Przepięcie powodowane przez kondensator próbkujący na wejściu przetwornika ADC.
W tradycyjnych przetwornikach DT-ADC, takich jak przetworniki ADC SAR (przetworniki o sukcesywnej aproksymacji) lub przetworniki sigma-delta, stosowana jest topologia przełączanych kondensatorów. Tego rodzaju pojemności znajdują się na wejściach ADC i wejściach referencyjnych. Rozróżnia się dwie fazy — próbkowanie i podtrzymanie. Odpowiadają one ładowaniu i rozładowaniu kondensatora próbkującego. W związku z tym musi być dostarczany prąd wystarczający do naładowania i rozładowywania tego elementu, a także odpowiednia ilość ładunku ze względu na właściwości pasożytnicze (tzw.: „odrzut” ładunku z kondensatora wejściowego). Wiele czujników nie jest w stanie dostarczyć tak wysokich prądów i dlatego wymaga buforowania. Poza tą funkcją, sterownik musi być wystarczająco szybki (krótki czas stabilizacji wyjścia, duża szybkość narastania napięcia na wyjściu), aby sygnał wyjściowy na końcu fazy próbkowania (patrz rysunek 1c) został ustalony tak, aby żadne dodatkowe błędy nie zostały wprowadzone do żądanego sygnału. Tak więc wymagania stawiane sterownikowi ADC są bardzo wysokie.
Rys.2. Porównanie wielkości aplikacji DTSD i CTSD na płytce drukowanej pokazujące wyraźne oszczędności, dzięki przetwornikom ADC CTSD.
Przetwornik CTSD ma wejście o charakterze rezystancyjnym i może być sterowany bezpośrednio przez czujnik. Jeśli czujnik nie może sterować przetwornikiem (na przykład, jeśli czujnik ma bardzo wysoką impedancję wyjściową), można zastosować prosty wzmacniacz do transformacji impedancji elementu.
Kolejną zaletą przetworników CTSD jest nieodłączna właściwość filtra antyaliasingowego (filtr dolnoprzepustowy). W tradycyjnych topologiach na wejściach potrzebne są filtry dolnoprzepustowe do filtrowania niepożądanych sygnałów o wysokiej częstotliwości. Wynika to z tak zwanego aliasowania się sygnałów. Kryterium Nyquista mówi, że częstotliwość próbkowania musi być co najmniej dwa razy większa niż częstotliwość pożądanego sygnału, aby móc go odtworzyć z postaci cyfrowej. Nie oznacza to, jednak, ze sygnały o wyższej częstotliwości są: „niewidzialne” dla przetwornika. Przenikają one do sygnału i, mimo że nie są wartościowe dla układu, zwiększają poziom szumów, nakładając się na sygnał. Odfiltrowanie tych sygnałów pozwala na zabezpieczenie się przed wystąpieniem takiej sytuacji. Jednym z wyjaśnień nieodłącznych właściwości filtrów antyaliasingowych konwerterów CTSD jest to, że próbkowanie nie odbywa się bezpośrednio na wejściu modulatora, ale raczej za filtrem.
Podsumowanie
Topologia CTSD oferuje dalsze, nowe możliwości poza tradycyjną architekturą optymalizacji łańcuchów sygnałowych. Jeśli dodatkowo czas do wprowadzenia na rynek, wielkość listy materiałowej lub powierzchnia zajmowana na PCB odgrywają ważną rolę, przetworniki tego rodzaju, takie jak AD4134, stanowią dobrą alternatywę dla klasycznych rozwiązań. Dzięki ich rezystancyjnym wejściom i nieodłącznym właściwościom filtra wejściowego wiele projektów można uprościć i zoptymalizować przy ich pomocy. W wielu aplikacjach można, także wyeliminować sterowniki ADC, elementy pasywne do konstrukcji filtrów i bufory napięcia odniesienia. Firma Analog Dialogue posiada kompletną serię artykułów na ten temat, w których omówiono szczegółowo wymienione powyżej zalety, a także inne liczne funkcje [które chętnie przedstawię na forum, jeśli uznajecie tego rodzaju zagadnienia za interesujące — przyp.red.].
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-194.html
Cool? Ranking DIY
