Tipos de conversores ADC

Um conversor analógico-digital (ADC, A/C) é um componente chave que fornece a conexão entre o mundo analógico de valores de sinal em mudança e o mundo digital, baseado em zeros e uns. Os conversores ADC desempenham um papel importante nos sistemas eletrônicos modernos, convertendo sinais analógicos em dados digitais que podem ser processados, reconhecidos e avaliados por computadores e sistemas digitais. Embora o mundo seja inerentemente analógico, o poder computacional dos sistemas digitais nos permite entender, analisar, modificar e utilizar esses sinais de maneiras anteriormente consideradas impossíveis. Este artigo descreve os fundamentos do funcionamento do ADC, bem como as vantagens e desvantagens de cada tipo.

Conversores ADC

A principal tarefa do circuito ADC é converter sinais analógicos de tempo e amplitude contínuos em sinais digitais de tempo discreto. O processo de conversão inclui três etapas principais: amostragem, quantização e codificação digital.

Durante a amostragem, o sinal analógico é medido em intervalos fixos para obter uma sequência de valores momentâneos de amplitude. O período de amostragem é o tempo entre medições sucessivas.

A próxima etapa do processamento é a quantização, durante a qual a amplitude contínua do sinal amostrado é dividida em uma série de níveis discretos. O número de níveis de quantização é determinado pela resolução em bits do ADC.

A fase final do processamento é a codificação digital. Nesta etapa, cada nível de quantização recebe um código binário único. Como resultado da codificação, o sinal analógico é convertido para uma representação digital que pode ser processada por sistemas digitais.

Conversores ADC

O desempenho de um ADC depende de vários fatores, como resolução, frequência de amostragem, precisão da medição, linearidade e consumo de energia. O número de valores discretos que um ADC pode gerar depende de sua resolução. O período de amostragem do sinal de entrada pelo ADC depende da velocidade de conversão, ou seja, o tempo para converter o valor momentâneo do sinal de entrada em um valor discreto. A linearidade indica quão precisamente o sinal de saída do ADC corresponde ao sinal de entrada, enquanto a precisão da medição refere-se a o grau de correspondência do sinal de saída ao valor real de entrada. Para muitas aplicações, especialmente as alimentadas por baterias, o consumo de energia é outro fator importante.

Existem diferentes tipos de ADCs, cada um empregando uma técnica diferente para converter sinais analógicos em digitais. Os requisitos da aplicação, como velocidade, precisão da medição, consumo de energia e custo, ditam a escolha de um ADC apropriado para uma aplicação específica. A Tabela 1 lista os tipos básicos de ADCs. Seus parâmetros fundamentais são então discutidos, para fornecer uma visão sobre sua adequação para várias aplicações.

Tabela 1. Tipos de ADCs e seus Parâmetros Básicos

Conversor Flash (Paralelo)

Um conversor Flash consiste em muitos comparadores comparando o sinal de entrada com tensões de referência escalonadas correspondentes a cada nível de quantização. O circuito de codificação recebe dados das saídas dos comparadores e gera um sinal digital (Figura 1).

Figura 1. Construção de um ADC de 7 bits (fonte: Analog Devices)

A principal vantagem desse tipo de conversor é a velocidade. Como a conversão é realizada em um único ciclo, é o tipo de ADC mais rápido. A desvantagem é seu alto custo de implementação e grande consumo de energia, pois a conversão de alta resolução requer muitos comparadores. Portanto, os ADCs Flash geralmente não são adequados para aplicações de resolução muito alta, ex.: resolução de 24 bits, embora teoricamente possam ser construídos.

ADCs Flash são comumente usados em osciloscópios, sensores de radar e outros dispositivos onde a velocidade de conversão é crítica. Eles têm excelente desempenho para processamento de sinais que mudam rapidamente.

Conversor SAR

Os conversores com registrador de aproximação sucessiva (Successive Approximation Register, SAR) são uma arquitetura frequentemente utilizada em aplicações que exigem resolução média e alta de conversão com frequências de amostragem inferiores a 5 Msps (milhões de amostras por segundo). A resolução dos conversores SAR normalmente varia de 8 a 16 bits, e sua arquitetura proporciona baixo consumo de energia e dimensões reduzidas.

O ADC SAR implementa um algoritmo de busca binária. Embora os circuitos internos possam operar a vários megahertz, a taxa de amostragem é uma fração desse valor devido aos passos no algoritmo de aproximação sucessiva.

Existem muitas variantes de implementação SAR, mas a arquitetura básica é simples (Figura 2). A tensão analógica de entrada (VIN) é mantida pelo bloco TRACK/HOLD. O registrador de n bits inicialmente define a escala do meio (ou seja, 100...00 com o MSB definido). Isso força a saída do DAC a VREF/2, onde VREF é a tensão de referência fornecida ao ADC. Uma comparação é então realizada para determinar se VIN é menor ou maior que VDAC. Se VIN > VDAC, a saída do comparador é definida e o MSB do registrador de n bits permanece lógico ‘1’. Se VIN < VDAC, a saída do comparador e o MSB são limpos. A lógica de controle SAR então passa para o próximo bit inferior, o define e realiza outra comparação. Essa sequência continua até o LSB. Após a conclusão, a conversão termina e a palavra digital de n bits está disponível no registrador.

Figura 2. Diagrama de blocos do conversor SAR (fonte: Analog Devices)

Para alta resolução, os ADCs SAR são mais eficientes em consumo de energia e tamanho do que os ADCs Flash, oferecendo um bom equilíbrio entre consumo de energia, velocidade e resolução. A principal fraqueza é a velocidade: porque a conversão ocorre em passos sequenciais em vez de tudo de uma vez, conversores SAR são mais lentos que Flash.

Baixo custo e consumo de energia tornam os ADCs SAR adequados para muitas aplicações, incluindo sistemas de gerenciamento de energia, dispositivos de telecomunicações e sistemas de aquisição de dados. Seu baixo consumo é ideal para dispositivos alimentados por bateria.

Conversores ADC SAR

Conversores Sigma-Delta (Σ-Δ)

O conversor Σ-Δ de primeira ordem (Figura 3) consiste principalmente de um integrador, comparador, conversor digital-analógico (DAC) de 1 bit e filtro digital. O princípio de operação é baseado em balançar periodicamente a carga no capacitor do integrador. O integrador altera linearmente sua saída até que um limiar seja ultrapassado. Quando o limiar é cruzado, o comparador alterna a saída do DAC de 1 bit. Isso força o integrador a mudar sua saída na direção oposta — para cima ou para baixo — dependendo da saída do DAC.

Figura 3. Diagrama simplificado de blocos do conversor Sigma-Delta de primeira ordem

Figura 4. Diagrama simplificado de blocos do Renesas SLG47004 (fonte: Renesas)

O conversor Σ-Δ tem baixa resolução por período único do integrador. Para obter melhor resolução, os dados de múltiplos períodos devem ser promediados. Oversampling e média incorporados permitem ao conversor Σ-Δ minimizar significantemente o ruído e alcançar dados de alta resolução — até 24 bits em conversores Σ-Δ modernos.

Devido à sua precisão, ADCs Sigma-Delta são frequentemente usados em aplicações de áudio. Eles também são bem adequados para dispositivos de medição precisos devido à excelente resolução, precisão da medição, linearidade e capacidades de modelagem de ruído.

Conversores ADC Sigma-Delta (Σ-Δ)

Conversor Dual Slope

Um diagrama de blocos simplificado do conversor Dual Slope é mostrado na Figura 5. Ele opera com base no princípio da integração da tensão de entrada em duas etapas consecutivas, proporcionando alta precisão e imunidade a ruídos. Inicialmente, o integrador é resetado, depois a tensão desconhecida Vin é aplicada na entrada. O integrador, funcionando como um amplificador operacional com capacitor, gera linearmente uma tensão crescente. Esse processo dura por um tempo estritamente definido durante o qual um contador conta pulsos de clock. Após esse tempo, a entrada do integrador muda de Vin para uma tensão de referência conhecida Vref de polaridade oposta (fase de descarga), durante a qual o integrador produz uma rampa decrescente até que sua saída volte a zero. Durante esse intervalo, o contador conta pulsos de clock novamente, e o tempo de descarga é proporcional à tensão de entrada. Isso permite calcular Vin baseado na tensão de referência conhecida, tempo fixo de integração e tempo de descarga medido.

Apesar de sua operação lenta (sua maior desvantagem), esse tipo de conversor oferece alta precisão e supressão eficiente de ruído. Possui característica linear, tornando-o ideal para medições precisas. Além da velocidade lenta, a desvantagem é a necessidade de uma forma de onda de clock precisa.

Conversores ADC Dual Slope

Aplicações típicas para conversores Dual Slope incluem instrumentos de medição como multímetros digitais. Eles frequentemente usam esse tipo de conversor devido às vantagens mencionadas. São usados em situações onde a velocidade de conversão não é crítica.

Figura 5. Diagrama simplificado de blocos de um conversor Dual Slope (fonte: Analog Devices)

Conversor Pipeline

O conversor Pipeline opera utilizando uma sequência de estágios em cascata, cada um realizando parte da conversão do sinal. Primeiro, uma amostra analógica é tomada e uma conversão A/C preliminar de baixa resolução é feita com um sub-ADC pequeno e rápido. O resultado dessa conversão parcial é processado por um sub-DAC, que reconstrói um valor analógico aproximado correspondente aos bits obtidos. Esse valor reconstruído é subtraído do sinal original, gerando um resíduo — um sinal de erro que representa bits menos significativos mais precisos. O resíduo é amplificado e passado para o próximo estágio, que repete esse processo: conversão parcial, reconstrução, subtração e encaminhamento.

Cada estágio processa uma porção diferente da informação, e todos os estágios operam em paralelo em ciclos de clock sucessivos, permitindo um throughput muito alto. Após passar por todos os estágios, os resultados parciais são combinados em um bloco digital que realiza correção de erros e monta uma palavra digital completa representando o valor de entrada. Essa arquitetura combina alta velocidade de amostragem com boa resolução, sendo amplamente usada em telecomunicações, imageamento médico, processamento de imagens e outros sinais que exigem conversão rápida e precisa.

As desvantagens deste tipo de conversor incluem a complexidade construtiva. Eles requerem sistemas avançados digitais de correção de erros. Comparados a outros tipos de ADC, também consomem mais energia.

Conversores ADC Pipeline

TDC (Conversor Tempo-Digital)

Um Conversor Tempo-Digital (TDC) opera convertendo o intervalo de tempo entre dois eventos em um valor digital. Ao contrário dos ADCs clássicos que quantificam tensão ou corrente, TDC converte tempo, ou seja, mede o timing dos pulsos ou as diferenças de tempo entre eles. O TDC identifica eventos como bordas de sinal e lhes atribui uma representação digital do tempo de ocorrência.

Em vez de medir a amplitude do sinal de entrada, o TDC mede seu tempo ou frequência. São frequentemente usados onde o timing ou a frequência dos sinais são críticos. TDCs têm bom desempenho em situações onde o timing de eventos ou a frequência do sinal é um fator chave. Além disso, são resistentes a ruído de amplitude.

Escolhendo o ADC Certo para Aplicações

Selecionar o melhor ADC para uma aplicação é uma decisão crítica de projeto. Requer compreensão profunda dos requisitos do sistema e dos trade-offs envolvidos em várias características do ADC. Aqui estão alguns fatores-chave a considerar:

• Resolução — o número de valores discretos que o ADC pode gerar ao longo de toda a faixa analógica. Tipicamente expresso em bits. Sensibilidade e resolução do ADC são fortemente correlacionadas; maior resolução permite detectar mudanças sutis no sinal de entrada.
• Frequência de amostragem — a taxa na qual o ADC captura amostras do sinal de entrada. Deve ser pelo menos o dobro da maior componente em frequência do sinal.
• Precisão da medição — refere-se ao grau em que a saída digital corresponde à entrada analógica real. Usualmente expressa como uma fração da escala total. Erro de quantização, não linearidade diferencial (DNL) e não linearidade integral (INL) afetam a precisão.
• Linearidade — uniformidade da quantização do menor para o maior sinal de entrada. DNL e INL são métricas comuns. INL mede desvio da função de transferência em relação a uma linha reta; DNL mede desvio entre degraus ideais entre transições de código adjacentes.
• Consumo de energia — crítico em dispositivos alimentados por bateria. O consumo do ADC aumenta com a resolução e frequência de amostragem. Selecionar um ADC que atenda aos requisitos de desempenho sem exceder o orçamento de energia é essencial.
• Custo — especialmente importante para dispositivos de consumo. ADCs de alta velocidade e alta resolução tendem a ser caros, então encontrar um equilíbrio entre custo e desempenho é crucial.
• Tipo de entrada — enquanto a maioria dos ADCs possui entradas single-ended, existem entradas diferenciais especializadas com múltiplos modos.
• Faixa de tensão de alimentação — muito importante para dispositivos portáteis. Quando o ADC é externo a um microcontrolador, a tensão de alimentação também impacta a interface com o sistema digital hospedeiro.

Resumo

ADCs convertem sinais analógicos em dados digitais. Fazer escolhas inteligentes ao projetar sistemas digitais requer conhecimento sobre ADCs, seus tipos e variantes disponíveis. Cada tipo de ADC — incluindo Flash, SAR, Sigma-Delta, Dual Slope, Pipeline e Tempo-Digital — possui vantagens e desvantagens que os tornam adequados para aplicações específicas. Antes de escolher um tipo de ADC, considere cuidadosamente condições de alimentação, resolução, frequência de amostragem, precisão, linearidade, consumo de energia e custo de aquisição.

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