Em aplicações de alta precisão, são utilizados conversores analógico-digitais (ADCs) SAR ou sigma-delta. Em aplicações de baixo consumo energético, cada miliwatt poupado faz a diferença.
Conversão de Sinal com ADCs Sigma-Delta:
Os ADCs sigma-delta oferecem diversas vantagens em relação aos ADCs SAR. Em primeiro lugar, geralmente possuem resoluções mais altas. Em segundo lugar, vêm normalmente integrados com amplificadores de ganho programáveis (PGAs) e entradas/saídas de uso geral (GPIOs). Por conseguinte, os ADC sigma-delta são adequados para aplicações de medição e condicionamento de sinais CC de alta precisão e baixa frequência. No entanto, devido à sua elevada frequência de sobreamostragem fixa, os ADC sigma-delta geralmente consomem mais energia, resultando numa vida útil mais curta em aplicações alimentadas por bateria.
Se a tensão de entrada for pequena — ou seja, na gama dos milivolts — deve ser primeiro amplificada para que o ADC a possa processar mais facilmente. A ligação de uma pequena tensão de entrada a uma tensão de saída de 10 mV requer um PGA de front-end analógico (AFE). Por exemplo, para ligar pequenas tensões de um circuito em ponte a um ADC sigma-delta com uma gama de entrada de 2,5 V, o PGA deve ter um ganho de 250. Isto, no entanto, introduz ruído adicional na entrada do ADC, uma vez que a tensão de ruído também é amplificada. A resolução efetiva de um ADC sigma-delta de 24 bits é drasticamente reduzida para 12 bits. Contudo, em algumas circunstâncias, não é necessário usar todos os códigos do ADC e, em determinado ponto, a amplificação adicional deixa de proporcionar uma melhoria na faixa dinâmica. Outra desvantagem dos ADC sigma-delta é que são geralmente mais caros devido à sua complexidade interna.
Vantagens da combinação de um ADC-SAR com um amplificador interno
Uma alternativa igualmente precisa, mas mais económica e eficiente, é utilizar um ADC-SAR em combinação com um amplificador de instrumentação (amplificador interno), como se mostra na Figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemático de um ADC-SAR que mostra um circuito de medição em ponte simplificado combinado com um amplificador de instrumentação e um ADC-SAR.
A função de um ADC-SAR pode ser dividida em duas fases: a fase de aquisição de dados e a fase de conversão. Geralmente, o consumo de corrente é baixo durante a fase de aquisição de dados. A maioria dos ADC-SAR até desliga entre conversões. Por conseguinte, a fase de conversão consome a maior parte da corrente. O consumo de energia depende da taxa de conversão e aumenta linearmente com a taxa de amostragem. Para aplicações de poupança de energia em medições de resposta lenta — isto é, medições em que as grandezas medidas mudam lentamente (por exemplo, medições de temperatura) — deve ser utilizada uma baixa taxa de conversão para manter o consumo de corrente, e consequentemente as perdas, baixos. A Figura 2 mostra, a título de exemplo, as perdas de potência no AD4003 a diferentes taxas de amostragem. A 1 kSPS, a perda de potência é de aproximadamente 10 µW; a 1 MSPS, aumentou para 10 mW.
Figura 2. Perda de potência no AD4003 em função da taxa de amostragem.
Em contraste com estas medições muito lentas, os ADC sigma-delta têm a vantagem da sobreamostragem, utilizando também uma frequência de oscilador interno muito superior à taxa de saída. Isto permite aos projetistas otimizar a amostragem para taxas mais elevadas com pior desempenho de ruído ou para taxas mais baixas com mais filtragem, modelação de ruído (direcionando o ruído para a gama de frequências fora da área de medição de interesse) e melhor desempenho de ruído. No entanto, isto significa um consumo de energia significativamente maior com os ADC sigma-delta em comparação com os ADC SAR. A resolução efetiva e a resolução livre de ruído de muitos ADC sigma-delta são listadas nas suas folhas de dados, facilitando a comparação das suas vantagens e desvantagens.
Conclusão:
Tanto os conversores analógico-digitais sigma-delta em combinação com um PGA como os conversores analógico-digitais SAR com um amplificador integrado são adequados para a conversão de sinal em aplicações de medição de alta precisão. Ambas as soluções oferecem uma precisão semelhante. No entanto, para aplicações de medição de baixa potência ou alimentadas por bateria, a combinação do conversor analógico-digital SAR com o amplificador de entrada é preferível, uma vez que oferece um menor consumo de energia e custos mais baixos em comparação com a solução de PGA e conversor analógico-digital sigma-delta. Além disso, um PGA de alto ganho limita frequentemente o desempenho, uma vez que o ruído também é amplificado. Este artigo aborda apenas uma possível solução para um conversor analógico-digital SAR. Estão disponíveis soluções mais integradas, como um conversor sigma-delta, como o AD7124-4/AD7124-8, com um PGA integrado.
Sobre o autor:
Thomas Brand iniciou a sua carreira na Analog Devices em Munique, em 2015, durante o seu doutoramento. Após a conclusão do curso, participou num programa de estágio na ADI. Em 2017, tornou-se engenheiro de aplicações de campo. Thomas presta apoio a importantes clientes industriais na Europa Central e é também especialista na área de Ethernet Industrial. Estudou engenharia elétrica na Universidade Cooperativa de Mosbach antes de concluir os seus estudos de pós-graduação em vendas internacionais com um mestrado pela Universidade de Ciências Aplicadas de Konstanz.
Por Thomas Brand, Engenheiro de Aplicações de Campo na Analog Devices
