Tipos de convertidores ADC

Un convertidor analógico a digital (ADC, A/C) es un componente clave que proporciona la conexión entre el mundo analógico de valores de señal cambiantes y el mundo digital, basado en ceros y unos. Los convertidores ADC juegan un papel importante en los sistemas electrónicos modernos, convirtiendo señales analógicas en datos digitales que pueden ser procesados, reconocidos y evaluados por computadoras y sistemas digitales. Aunque el mundo es inherentemente analógico, la capacidad de cómputo de los sistemas digitales nos permite comprender, analizar, modificar y utilizar estas señales de maneras previamente consideradas imposibles. Este artículo describe los principios básicos del funcionamiento del ADC así como las ventajas y desventajas de cada tipo.

Convertidores ADC

La tarea principal del circuito ADC es convertir señales analógicas de tiempo y amplitud continuos en señales digitales de tiempo discreto. El proceso de conversión incluye tres etapas principales: muestreo, cuantificación y codificación digital.

Durante el muestreo, la señal analógica se mide a intervalos fijos para obtener una secuencia de valores momentáneos de amplitud. El período de muestreo es el tiempo entre mediciones sucesivas.

La siguiente etapa de procesamiento es la cuantificación, durante la cual la amplitud continua de la señal muestreada se divide en una serie de niveles discretos. El número de niveles de cuantificación está determinado por la resolución en bits del ADC.

La fase final del procesamiento es la codificación digital. En esta etapa, a cada nivel de cuantificación se le asigna un código binario único. Como resultado de la codificación, la señal analógica se convierte a una representación digital que puede ser procesada por sistemas digitales.

Convertidores ADC

El rendimiento de un ADC depende de varios factores, tales como resolución, frecuencia de muestreo, precisión de medición, linealidad y consumo de energía. El número de valores discretos que un ADC puede generar depende de su resolución. El período de muestreo de la señal de entrada por el ADC depende de la velocidad de conversión, es decir, el tiempo para convertir el valor momentáneo de la señal de entrada en un valor discreto. La linealidad indica qué tan precisamente la señal de salida del ADC coincide con la señal de entrada, mientras que la precisión de medición se refiere a el grado de correspondencia de la señal de salida con el valor real de entrada. Para muchas aplicaciones, especialmente las alimentadas por baterías, el consumo de energía es otro factor importante.

Existen diferentes tipos de ADCs, cada uno empleando una técnica distinta para convertir señales analógicas a digitales. Los requisitos de la aplicación, como velocidad, precisión de medición, consumo de energía y costo, dictan la elección del ADC adecuado para una aplicación específica. La Tabla 1 enumera los tipos básicos de ADCs. Sus parámetros fundamentales se discuten a continuación para brindar una visión sobre su adecuación para varias aplicaciones.

Tabla 1. Tipos de ADCs y sus Parámetros Básicos

Convertidor Flash (Paralelo)

Un convertidor Flash consta de muchos comparadores que comparan la señal de entrada con tensiones de referencia escalonadas correspondientes a cada nivel de cuantificación. El circuito de codificación recibe datos de las salidas de los comparadores y genera una señal digital (Figura 1).

Figura 1. Construcción de un ADC de 7 bits (fuente: Analog Devices)

La principal ventaja de este tipo de convertidor es la velocidad. Dado que la conversión se realiza en un solo ciclo, es el tipo de ADC más rápido. La desventaja es su alto costo de implementación y gran consumo de energía, ya que una conversión de alta resolución requiere muchos comparadores. Por lo tanto, los Flash ADCs generalmente no son adecuados para aplicaciones de muy alta resolución, p. ej., resolución de 24 bits, aunque teóricamente puedan construirse.

Los Flash ADCs se usan comúnmente en osciloscopios, sensores de radar y otros dispositivos donde la velocidad de conversión es crítica. Funcionan excelentemente para procesar señales que cambian rápidamente.

Convertidor SAR

Los ADCs de Registro de Aproximación Sucesiva (Successive Approximation Register, SAR) suelen elegirse para aplicaciones que requieren conversión de resolución media a alta con tasas de muestreo inferiores a 5 Msps (millones de muestras por segundo). Los convertidores SAR suelen tener resoluciones de 8 a 16 bits, ofreciendo bajo consumo de energía y tamaño compacto.

El ADC SAR implementa un algoritmo de búsqueda binaria. Aunque los circuitos internos pueden operar a varios megahercios, la tasa de muestreo es una fracción de este valor debido a los pasos en el algoritmo de aproximación sucesiva.

Existen muchas variantes de implementación SAR, pero la arquitectura básica es sencilla (Figura 2). El voltaje analógico de entrada (VIN) es retenido por el bloque TRACK/HOLD. El registro de n bits inicialmente establece la escala media (es decir, 100...00 con el MSB puesto). Esto fuerza la salida del DAC a VREF/2, donde VREF es el voltaje de referencia suministrado al ADC. Luego se realiza una comparación para determinar si VIN es menor o mayor que VDAC. Si VIN > VDAC, la salida del comparador se activa y el MSB del registro de n bits permanece lógico ‘1’. Si VIN < VDAC, la salida del comparador y el MSB se borran. La lógica de control SAR procede entonces al siguiente bit inferior, lo establece y realiza otra comparación. Esta secuencia continúa hasta el LSB. Tras completarse, finaliza la conversión y la palabra digital de n bits está disponible en el registro.

Figura 2. Diagrama de bloques del convertidor SAR (fuente: Analog Devices)

Para alta resolución, los ADCs SAR son más eficientes en energía y tamaño que los Flash ADCs, proporcionando un buen equilibrio entre consumo energético, velocidad y resolución. La principal debilidad es la velocidad: debido a que la conversión ocurre en pasos secuenciales en lugar de todo a la vez, los convertidores SAR son más lentos que los Flash.

Su bajo costo y consumo los hacen adecuados para muchas aplicaciones, incluidas sistemas de gestión de energía, dispositivos de telecomunicaciones y sistemas de adquisición de datos. Su bajo consumo los hace ideales para dispositivos alimentados por batería.

Convertidores ADC SAR

Convertidores Sigma-Delta (Σ-Δ)

El convertidor Σ-Δ de primer orden (Figura 3) consta principalmente de un integrador, comparador, convertidor digital-analógico (DAC) de 1 bit y filtro digital. El principio de operación se basa en equilibrar periódicamente la carga en el condensador del integrador. El integrador cambia linealmente su salida hasta que se excede un umbral. Al cruzar el umbral, el comparador conmuta la salida del DAC de 1 bit. Esto obliga al integrador a cambiar su salida en dirección opuesta —arriba o abajo— dependiendo de la salida del DAC.

Figura 3. Diagrama de bloques simplificado del convertidor Sigma-Delta de primer orden

Figura 4. Diagrama de bloques simplificado de Renesas SLG47004 (fuente: Renesas)

El convertidor Σ-Δ tiene baja resolución por periodo de integrador único. Para obtener mejor resolución, los datos de múltiples periodos deben promediarse. El sobremuestreo y promedio integrados permiten que el convertidor Σ-Δ minimice significativamente el ruido y logre datos de alta resolución — hasta 24 bits en convertidores Σ-Δ modernos.

Debido a su precisión, los ADCs Sigma-Delta se usan frecuentemente en aplicaciones de audio. También son muy adecuados para dispositivos de medición precisa gracias a su excelente resolución, precisión de medición, linealidad y capacidades de modelado del ruido.

Convertidores ADC Sigma-Delta (Σ-Δ)

Convertidor Doble Pendiente

Se muestra un diagrama de bloques simplificado del convertidor Doble Pendiente en la Figura 5. Funciona bajo el principio de integrar la tensión de entrada en dos etapas consecutivas, proporcionando alta precisión e inmunidad al ruido. Inicialmente, el integrador se resetea y la tensión desconocida Vin se aplica a la entrada. El integrador, que funciona como amplificador operacional con un condensador, genera linealmente una tensión ascendente. Este proceso dura un tiempo estrictamente definido durante el cual un contador cuenta pulsos de reloj. Tras este tiempo, la entrada del integrador cambia de Vin a una tensión de referencia conocida Vref de polaridad opuesta (fase de descarga), durante la cual el integrador produce una rampa descendente hasta que su salida vuelve a cero. Durante este intervalo, el contador cuenta pulsos de reloj nuevamente y el tiempo de descarga es proporcional a la tensión de entrada. Esto permite calcular Vin en función de la tensión de referencia conocida, el tiempo de integración fijo y el tiempo de descarga medido.

A pesar de su operación lenta (su mayor desventaja), este tipo de convertidor proporciona alta precisión y supresión efectiva de ruido. Tiene una característica lineal, lo que lo hace ideal para mediciones precisas. Además de la baja velocidad, su desventaja es el requerimiento de una forma de onda de reloj precisa.

Convertidores ADC Doble Pendiente

Las aplicaciones típicas para convertidores Doble Pendiente incluyen instrumentos de medición como multímetros digitales. A menudo usan este tipo de convertidor debido a las ventajas mencionadas. Se emplean en situaciones donde la velocidad de conversión no es crítica.

Figura 5. Diagrama de bloques simplificado de un convertidor Doble Pendiente (fuente: Analog Devices)

Convertidor Pipeline

El convertidor Pipeline opera usando una secuencia de etapas en cascada, cada una realizando parte de la conversión de señal. Primero, se toma una muestra analógica y se realiza una conversión preliminar A/C de baja resolución con un sub-ADC pequeño y rápido. El resultado de esta conversión parcial se procesa mediante un sub-DAC, que reconstruye un valor analógico aproximado correspondiente a los bits obtenidos. Este valor reconstruido se resta de la señal original, produciendo un residuo—una señal de error que representa bits menos significativos más precisos. El residuo se amplifica y pasa a la siguiente etapa, que repite el proceso: conversión parcial, reconstrucción, resta y transferencia.

Cada etapa procesa una porción diferente de la información, y todas las etapas operan en paralelo en ciclos de reloj sucesivos, lo que permite un alto rendimiento. Tras pasar por todas las etapas, los resultados parciales se combinan en un bloque digital que realiza corrección de errores y ensambla una palabra digital completa que representa el valor de entrada. Esta arquitectura combina alta velocidad de muestreo con buena resolución, siendo ampliamente usada en telecomunicaciones, imágenes médicas, procesamiento de imágenes y otras señales que requieren conversión rápida y precisa.

Las desventajas de este tipo de convertidor incluyen complejidad constructiva. Requieren sistemas avanzados de corrección de errores digitales. Comparados con otros tipos de ADC, también consumen más energía.

Convertidores ADC Pipeline

TDC (Convertidor Tiempo a Digital)

Un Convertidor Tiempo a Digital (TDC) opera convirtiendo el intervalo temporal entre dos eventos en un valor digital. A diferencia de los ADCs clásicos que cuantifican voltaje o corriente, el TDC convierte el tiempo, es decir, mide la sincronización de pulsos o las diferencias de tiempo entre ellos. El TDC identifica eventos como flancos de señal y les asigna una representación digital del instante en que ocurren.

En lugar de medir la amplitud de la señal de entrada, el TDC mide su tiempo o frecuencia. Se usan frecuentemente donde el tiempo o la frecuencia de señales es crítico. Los TDCs funcionan bien en situaciones donde la temporización del evento o la frecuencia de la señal es un factor clave. Además, son resistentes al ruido de amplitud.

Elección del ADC Adecuado para Aplicaciones

Seleccionar el mejor ADC para una aplicación dada es una decisión crítica de diseño. Requiere comprender a fondo los requisitos del sistema y los compromisos involucrados en las distintas características de ADC. Aquí algunos factores clave a considerar:

• Resolución—el número de valores discretos que el ADC puede generar sobre todo el rango analógico. Usualmente expresado en bits. La sensibilidad y resolución del ADC están fuertemente correlacionadas; mayor resolución permite detectar cambios sutiles en la señal de entrada.
• Frecuencia de muestreo—la tasa a la que el ADC toma muestras de la señal de entrada. Debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal.
• Precisión de medición—se refiere al grado en que la salida digital coincide con la entrada analógica real. Usualmente expresada como parte de la escala completa. El error de cuantificación, la no linealidad diferencial (DNL) y la no linealidad integral (INL) afectan la precisión.
• Linealidad—uniformidad de la cuantificación desde la señal de entrada más pequeña hasta la más grande. DNL e INL son métricas comunes. La INL mide la desviación de la función de transferencia respecto a una línea recta; la DNL mide la desviación respecto al escalón ideal entre códigos adyacentes.
• Consumo de energía—crítico en dispositivos alimentados con batería. El consumo del ADC aumenta con la resolución y la frecuencia de muestreo. Es esencial seleccionar un ADC que cumpla con los requisitos sin exceder el presupuesto energético.
• Costo—especialmente importante para dispositivos de consumo. Los ADCs de alta velocidad y alta resolución suelen ser costosos, por lo que es crucial encontrar un equilibrio entre costo y rendimiento.
• Tipo de entrada—aunque la mayoría de ADCs tienen entradas simples, existen inputs diferenciales especializados con múltiples modos.
• Rango de voltaje de alimentación—muy importante para dispositivos portátiles. Cuando el ADC es externo a un microcontrolador, el voltaje de alimentación también impacta la interfase con el sistema digital anfitrión.

Resumen

Los ADCs convierten señales analógicas en datos digitales. Tomar decisiones inteligentes al diseñar sistemas digitales requiere conocimiento sobre los ADCs, sus tipos y variantes disponibles. Cada tipo de ADC—incluyendo Flash, SAR, Sigma-Delta, Doble Pendiente, Pipeline y Tiempo a Digital—tiene ventajas y desventajas que los hacen adecuados para aplicaciones específicas. Antes de elegir un tipo de ADC, considere cuidadosamente las condiciones de alimentación, resolución, frecuencia de muestreo, precisión, linealidad, consumo de energía y costo de compra.

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