El convertidor de datos incorpora fuentes de ruido de semiconductores comunes, como disparo, avalancha, parpadeo y ruido de palomitas de maíz. Además, los sistemas de conversión de datos reales tienen errores como cuantificación, fluctuación de reloj, linealidad del canal y ancho de banda. Uso práctico de hojas de datos probadas de la industria para determinar qué especificaciones del sistema se pueden lograr. Se presentan herramientas de diseño para ayudar en el análisis de estos parámetros, así como métodos constructivos para controlar y reducir otros componentes de ruido del sistema.
prólogo
El ruido es un impedimento en un sistema que afecta la calidad de la señal y es más pronunciado en las comunicaciones analógicas. Un dispositivo con un nivel significativo de inmunidad al ruido puede considerarse un buen dispositivo. Para diseñar un sistema que evite estas distorsiones tanto como sea posible, es aconsejable determinar primero las posibles fuentes de ruido. Este tutorial es la continuación de una serie de debates sobre la gestión del ruido en la cadena de señales. Esta parte se centra en las fuentes de ruido y distorsión en los convertidores de datos.
ruido de cadena de señal
Las fuentes de ruido en la cadena de señal pueden ser internas o externas. La gestión del ruido en una cadena de señal requiere un examen cuidadoso de cada circuito de la cadena para minimizar el ruido siempre que sea posible. Esto es fundamental y crucial para nuestra discusión, porque el ruido incrustado en la señal es muy difícil o imposible de eliminar.
Es importante comenzar con una revisión rápida de algunos temas básicos pero muy importantes de nuestro artículo sobre la molestia del ruido de los semiconductores en la Parte 1. Hoy en día, comprender el ruido eléctrico es más importante que nunca. Con los convertidores de datos de 14 y 16 bits cada vez más populares y los convertidores de 18 y 24 bits cada vez más disponibles, el ruido suele ser el único factor que limita el rendimiento del sistema. Podría decirse que reconocer su origen y propiedades es la clave para lograr la mayor precisión posible de la cadena de señal.
En términos generales, el ruido es cualquier fenómeno eléctrico que no es bienvenido en un sistema eléctrico. El ruido se puede clasificar como externo (interferencia) o interno (intrínseco) dependiendo de su fuente. Este artículo se centra en el ruido inherente a todos los convertidores de datos debido al proceso de muestreo.
La Figura 1 resume todas las fuentes de ruido externas bajo el término Vext. Todas las fuentes de ruido interno se agrupan bajo el término Vint.
Aquí examinamos cuatro tipos comunes de ruido y distorsión en los convertidores de datos: ruido de cuantificación, fluctuación de muestra, distorsión armónica y ruido analógico.
ruido del convertidor de datos
ruido de cuantización
El ruido de cuantificación es la fuente de ruido más conocida en los convertidores de datos. Esto se debe a errores inherentes al proceso de muestreo y cuantificación que utiliza el convertidor. La magnitud de este ruido está determinada por tres factores: resolución, no linealidad diferencial y ancho de banda.
Resolución
La cuantificación es la incertidumbre introducida al dividir una señal continua en 2N niveles discretos. donde N es la resolución en bits. Todos los voltajes analógicos dentro de un cuanto dado tienen el mismo código, lo que genera incertidumbre en la cuantificación. Esta incertidumbre se denomina “error de cuantificación”. El valor cuadrático medio (RMS) del error de cuantificación es el ruido de cuantificación. El error de cuantificación es inversamente proporcional a 2N. La Figura 2 muestra el error de cuantificación a lo largo del tiempo para un ADC ideal. También muestra cómo el error de cuantificación disminuye a medida que aumenta la resolución.
El ruido de cuantificación RMS de un convertidor de datos ideal con resolución N viene dado por
O con respecto a LSB:
no linealidad diferencial
La no linealidad diferencial (DNL) de un convertidor de datos es la desviación de cualquier ancho de código del paso ideal de 1 LSB. Un convertidor de datos ideal tiene un DNL de 0, pero la mayoría de los convertidores de datos de precisión actuales tienen un DNL inferior a 1. El DNL promedio del convertidor de datos aumenta el error de cuantificación promedio y aumenta el ruido de cuantificación.
El DNL promedio generalmente no se especifica en las hojas de datos del convertidor de datos, pero en su lugar se puede usar una especificación de DNL común con una precisión razonable.
El ruido de cuantificación RMS, incluidos los efectos de resolución (N) y DNL, viene dado por:
O con respecto a LSB:
banda ancha
El ruido de cuantificación discutido hasta ahora supone el uso de todo el ancho de banda de Nyquist.
Si la frecuencia de muestra (Fs) y la señal de entrada no están correlacionadas armónicamente, el ruido de cuantificación es gaussiano y se distribuye uniformemente entre CC y la frecuencia de Nyquist (Fn). La frecuencia de Nyquist (Fn) es siempre la mitad de la frecuencia de muestreo (Fs). Esta densidad espectral de ruido se muestra en la Figura 4.
El voltaje de ruido de cuantificación en la Figura 4 es el ruido bajo la curva de densidad de ruido dentro del ancho de banda operativo.
El ruido de cuantificación RMS que incluye los efectos de resolución (N), DNL y BW viene dado por:
O con respecto a LSB:
donde BW se define como un porcentaje de la frecuencia de Nyquist (Fn).
ruido analógico
El ruido analógico (Vn) es el ruido efectivo referido a la entrada de un ADC oa la salida de un DAC. Esto se debe a las fuentes de ruido de semiconductores discutidas en la Parte 1 de esta serie de artículos. Puede especificarse como densidad espectral de ruido en nV/√Hz, RMS o voltaje de pico a pico, o RMS o LSB de pico a pico. Vn puede provenir de fuentes internas o externas, es aleatoria y se supone que es gaussiana.
Vn a menudo se da en unidades de LSBRMS. En los ADC, Vn se denomina ruido de transición. Esto se debe a que aparece como incertidumbre al pasar de un código de salida al siguiente. Si Vn se da en LSBRMS, el ruido equivalente de pico a pico se puede encontrar mediante
Hay cinco fuentes básicas comunes de ruido (Vn) que se encuentran en los semiconductores: ruido térmico, de disparo, de avalancha, de parpadeo y de palomitas de maíz. Estas fuentes de ruido se analizan en detalle en la Parte 1 de esta serie, pero una fuente de ruido adicional que vale la pena mencionar aquí es el ruido kT/C.
ruido externo
Ya hemos discutido las fuentes de ruido interno, pero también hay muchas fuentes de ruido externo. El ruido externo puede provenir de cualquier lugar fuera de la propia cadena de señal, incluidas las fuentes de alimentación, la conmutación digital, la radiofrecuencia (RFI) y la interferencia electromagnética (EMI). Cada una de estas fuentes externas debe controlarse mediante el diseño adecuado de la placa de circuito impreso (PCB), incluidas las conexiones a tierra y los puntos de estrella de conexión a tierra. Los condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación, los filtros de paso bajo, el blindaje RFI y EMI requieren una comprensión profunda de los componentes y sistemas. Los componentes en serie, como los condensadores y su autorresonancia, los inductores, las perlas de ferrita y las resistencias, juegan un papel importante en la minimización de la intrusión de ruido.
Especificaciones de ruido en las hojas de datos del convertidor de datos
Las siguientes especificaciones se tomaron de la hoja de datos del ADC MAX1062.
Esta tabla muestra cómo aparecen la Resolución, DNL, Jitter de apertura, THD y Ruido analógico en una hoja de datos típica.
Conclusión
En este artículo, aprendió cómo varios parámetros del convertidor de datos afectan el ruido en la cadena de señal. Estos incluyen resolución, no linealidad diferencial, ancho de banda operativo, fluctuación de reloj, distorsión armónica y ruido referido de entrada o salida.