Cómo usar una referencia de voltaje para garantizar una conversión de datos estable y precisa

En el apuro por conectar de manera más rápida y eficiente los mundos analógico y digital para aprovechar el Internet de las cosas (IoT), es fácil pero imprudente pasar por alto el papel fundamental que desempeña la referencia de voltaje. Utilizada por los conversores de analógico a digital (ADC) y de digital a analógico (DAC) como el estándar primario mediante el cual se "juzga" la entrada analógica y los valores de salida, la referencia de voltaje ayuda a garantizar la conversión precisa de la señal y los datos, pero solo si se selecciona y se aplica correctamente.

Este artículo describirá brevemente la estructura y las características de una referencia de voltaje y cómo seleccionarla. A modo de ejemplo, se presentará una referencia de voltaje de la serie ADR43x de Analog Devices para ejemplificar las diversas características, mejoras y cualidades que los diseñadores pueden emplear para aprovechar al máximo las referencias de voltaje modernas. A lo largo del artículo, se mostrará cómo aplicar el dispositivo ADR43x de modo que no sobrepase los límites aceptables para permitir que los ADC, DAC y los sistemas en su conjunto funcionen a su máximo potencial.

El papel fundamental de las referencias de voltaje

En su forma básica, la referencia de voltaje es un dispositivo de tres terminales con riel de suministro, tierra (común) y conexiones de voltaje de salida de precisión (Figura 1). Una referencia que no sea adecuada para la tarea o que se aplique incorrectamente será inexacta y comprometerá la validez y la credibilidad de la salida del conversor.

Figura 1: La configuración básica de una referencia de voltaje es un dispositivo de tres terminales con voltaje de entrada, referencia de salida y conexiones a tierra (comunes), que se muestra aquí para el dispositivo LT6656AIS6-2.5 de la familia LT6656 de Analog Devices. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Una vez que un diseñador ha seleccionado una referencia adecuada con respecto al voltaje de salida nominal, precisión y tolerancia, así como otros parámetros, el desafío es usar la referencia de tal manera que el rendimiento especificado cumpla completamente los requisitos de la aplicación y el rendimiento del dispositivo no se vea comprometido. La importancia de esta cuestión no se puede exagerar. Como se mencionó, la referencia de voltaje es el estándar primario por el cual un ADC juzga el voltaje de la entrada analógica cuando digitaliza ese voltaje. En el caso de los DAC, una referencia de voltaje estable y confiable permite que el conversor produzca un voltaje de salida analógica preciso correspondiente al código digital de entrada.

Seleccionar la referencia

Hay tres tecnologías que se utilizan con mayor frecuencia para las referencias de estado sólido: el diodo Zener enterrado, el enfoque de banda prohibida que utiliza el V_be de un transistor y la configuración XFET^® de Analog Devices, que tiene dos FET de unión que trabajan en tándem (número de patente de Estados Unidos 5,838,192).

Si bien los diseñadores de referencia de voltaje pueden analizar las sutilezas y los atributos de cada enfoque (con una buena razón), para la mayoría de los usuarios de referencia de voltaje, el enfoque está puesto más bien en el rendimiento, las compensaciones, la aplicación y los problemas de costos. Esa es la perspectiva que tomamos aquí.

Si bien la referencia del núcleo interno de una referencia de voltaje puede estar en un valor "incómodo" debido a la física subyacente del dispositivo determinada por la tecnología utilizada, las referencias de voltaje están diseñadas con circuitos internos que aseguran que las salidas estén a voltajes que sean una buena combinación para la resolución del conversor y las necesidades del sistema.

Por ejemplo, muchas referencias se ofrecen como una familia de dispositivos casi idénticos con una selección de valores de salida, como 2.048, 2.5, 3.0, 4.096 y 5.0 voltios. Las versiones de 2.048 voltios y 4.096 voltios son convenientes, ya que se asignan "uniformemente" a la resolución del conversor; por ejemplo, un conversor de 12 bits que utiliza una referencia de 4.096 voltios tiene una escala nominal de 1 milivoltio (mV)/recuento de conversión.

La precisión de la referencia inicial se especifica en porcentaje o en milivoltios y puede variar ampliamente, ya que algunas aplicaciones necesitan más precisión que otras. En general, es más difícil lograr y mantener una mayor precisión; una especificación de referencia típica es un error máximo de ± 0.1 % en todas las condiciones. Sin embargo, los avances en la topología subyacente y la tecnología de proceso han permitido mejorar esta especificación. Por ejemplo, la referencia ADR434 de 4.096 voltios utiliza el enfoque XFET y se especifica con una precisión inicial de ± 5 mV (sufijo A) o ± 1.5 mV (sufijo B).

Sin embargo, hay muchas aplicaciones para las cuales la precisión absoluta es secundaria a la estabilidad de referencia y la consistencia a largo plazo. Una razón posible es que los datos digitalizados pueden corregirse posteriormente, o que la precisión absoluta no es tan importante como los resultados comparativos y sus cambios; ambas situaciones son funciones de estabilidad de referencia. Por lo tanto, la selección de la referencia debe evaluar cuánta precisión absoluta se necesita en comparación con cuánta estabilidad se necesita y cómo mantener esa estabilidad.

Este factor de estabilidad tiene consideraciones importantes. ¿Es para uso de corta duración, como en el caso de la adquisición de datos durante un experimento breve? ¿O es para la adquisición de datos a largo plazo por un año o más? Estos son problemas que el diseñador debe responder de antemano para cada proyecto.

Referencias externas comparadas con las internas

Hay una pregunta aún más básica: ¿es realmente necesaria una referencia externa independiente? Los conversores, como el AD7605-4BSTZ ADC de Analog Devices, vienen con una referencia de voltaje interno, que ahorra espacio en la placa y en la lista de materiales (BOM) (Figura 2). Además, la hoja de datos puede proporcionar una especificación sobre la precisión de lectura del ADC completamente caracterizada, ya que el rendimiento de la referencia se convierte en parte del rendimiento general del circuito integrado (IC) del conversor.

Figura 2: Muchos ADC, como el AD7605-4BSTZ de 16 bits, vienen con una referencia de voltaje interno. Además de ahorrar espacio y de reducir la BOM, simplifica el análisis del presupuesto de errores, ya que el rendimiento de referencia está contemplado en las especificaciones generales del conversor. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Sin embargo, es posible que una referencia interna no ofrezca el rendimiento necesario, incluso si el núcleo del conversor es adecuado, por lo que la mayoría de los conversores tienen una conexión para una referencia externa. Tenga en cuenta que los conversores que son altamente específicos de la aplicación y sensibles al costo, como los de un canal de audio de gama baja, pueden tener un conversor interno que cumpla con el estándar objetivo y, por lo tanto, no necesitan una referencia externa. Aun así, es simplista suponer que cualquier referencia externa proporciona automáticamente mejores resultados que una interna, dado que el rendimiento de la referencia interna puede ser proporcional a las especificaciones de su conversor asociado.

Hay otra razón para considerar el uso de una referencia de voltaje externa, incluso si la interna es adecuada. En los diseños donde hay más de un IC de conversor único, las referencias internas individuales pueden diferir o no seguirse de manera idéntica entre sí. Sus datos resultantes tendrán inconsistencias debido únicamente a las diferencias de las referencias, lo que dificultaría la correlación de los datos y crearía errores no resueltos que no se pueden corregir.

Por esta razón, para un sistema de alto rendimiento con varios conversores, generalmente, es mejor usar una referencia externa única y compartida. Sin embargo, tomar esta medida genera inquietudes con respecto a la capacidad de la referencia para "conducir" los conversores múltiples sin degradar su rendimiento básico, una consideración que se analiza a continuación.

Mantener el rendimiento de la referencia

Además de las especificaciones iniciales de precisión y tolerancia, las referencias tienen problemas que deben abordarse para garantizar que el rendimiento se mantenga dentro de los límites aceptables. Algunos de estos problemas son los siguientes:

1. Problemas de diseño, como caída de voltaje y ruido
2. Unidad de salida (fuente/disipador), carga de búfer y rendimiento transitorio
3. Estabilidad a corto plazo y deriva relacionada con la temperatura
4. Deriva a largo plazo debido al envejecimiento, el estrés físico y el embalaje

1. Problemas de diseño, como caída de voltaje y ruido: al igual que con cualquier señal analógica sensible, incluso una que emita un voltaje estático, puede haber una caída excesiva de voltaje de resistencia de corriente (IR) entre la salida de referencia y el conversor. Aunque la mayoría de las cargas de referencia son bajas, del orden de decenas de miliamperios (mA), incluso una carga modesta de 10 mA que pasa por 100 miliohmios (mΩ) produce una caída de voltaje de 1 mV, lo que puede agregar un error significativo al presupuesto.

La referencia de voltaje de la serie ADR43x supera este problema al incluir la resistencia del cableado dentro del bucle de fuerza de un amplificador operacional externo (amplificador operacional) en una configuración de conexión Kelvin (Figura 3). El amplificador detecta el voltaje en la carga, por lo que el control de bucle del amplificador operacional obliga a la salida a compensar el error de cableado y, en consecuencia, produce el voltaje correcto en la carga.

Figura 3: Los dispositivos de la serie ADR43x pueden configurarse para conexiones Kelvin a través de un amplificador operacional externo, de manera tal que cualquier caída de la IR entre la salida de referencia y la conexión de entrada de la referencia del conversor sea parte de un circuito de retroalimentación que posteriormente corrige la pérdida. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El ruido externo también puede afectar el voltaje de la referencia como se ve en el conversor, debido al ruido de carga, el ruido de tierra (común) y la captación de ruido de los rieles de suministro mal desacoplados. Además, las referencias también tienen un ruido interno de baja frecuencia (0.1 hertz [Hz] a 10.0 Hz) y de alta frecuencia (10 Hz a 25 kilohertz [kHz]) que se debe evaluar. Las referencias de alto rendimiento, como las de la familia ADR43x, presentan ruido de baja frecuencia por debajo de 3.5 microvoltios (μV) de pico a pico (pp) y ruido de alta frecuencia, de aproximadamente 200 μV de 10 Hz a 10 kHz.

Se muestra el espectro de densidad de ruido para el ADR431BRZ-REEL7 (Figura 4). Para diferentes cargas capacitivas, es relativamente plana a aproximadamente 1 kHz, luego comienza a subir; se mantiene plana para carga capacitiva cero.

Figura 4: La densidad de ruido frente a la frecuencia del ADR431BRZ-REEL7 para diferentes cargas capacitivas es relativamente plana a aproximadamente 1 kHz, luego comienza a subir; se mantiene plana para carga capacitiva cero y aumenta más rápidamente a medida que se incrementa la carga. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La táctica más común para reducir el ruido es agregar un filtro simple de resistencia-condensador (RC). Sin embargo, muchas referencias tienen amplificadores de salida que pueden volverse inestables y oscilar con grandes cargas capacitivas, por lo que la conexión de una capacitancia mayor de varios microfaradios (µF) a la salida no es una opción a menos que la referencia esté diseñada para tal fin. Para los dispositivos ADR43x, la conexión básica de la referencia puede complementarse con un filtro RC simple si este ruido de alta frecuencia todavía excede los requisitos (Figura 5).

Figura 5: La conexión básica de las referencias de voltaje de ADR43x requiere solo unos pocos componentes externos pasivos, con dos condensadores en el lado de entrada y un condensador básico de 0.1 µF en la salida. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Tenga en cuenta que las referencias de ADR43x proporcionan un pin externo que da acceso al nodo de compensación interno, lo que permite agregar una red RC de serie externa en el punto crítico del circuito (Figura 6).

Figura 6: Los dispositivos ADR43x cuentan con un pin de paquete accesible al usuario (Pin 7), que se puede usar para agregar la compensación necesaria al amplificador operacional interno. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La adición del circuito RC permite al usuario "compensar en exceso" el amplificador operacional interno y evitar la inestabilidad. Los usuarios pueden seleccionar el valor del condensador para alcanzar un nivel de ruido aceptablemente bajo en comparación con la frecuencia (Figura 7).

Figura 7: Los diseñadores que utilizan las referencias de ADR43x pueden seleccionar valores de componentes RC para lograr el nivel deseado de reducción de ruido sin preocuparse por la inestabilidad de la salida, como se muestra en este gráfico de densidad de ruido frente a la frecuencia para varias combinaciones de RC. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

2. Unidad de salida (fuente/disipador), carga de búfer y rendimiento transitorio: La mayoría de las referencias se almacenan internamente en búfer y pueden ser la fuente y el disipador de hasta 5 o 10 mA. Si la corriente de carga requerida es mayor que la clasificación de fuente/disipador de la referencia, se necesitará un búfer externo (generalmente, con ganancia unitaria). Sin embargo, a veces un búfer no es deseable, ya que el efecto potencial de sus imperfecciones (inexactitud, deriva) puede empujar la referencia fuera de la especificación del sistema.

La serie ADR43x, en muchos casos, elimina la necesidad del búfer de aumento de corriente externo debido a su fuente de +30 mA relativamente alta y sus clasificaciones de corriente de disipador de -20 mA.

Además, la carga en la referencia no es necesariamente constante, sino que puede variar a medida que el ADC (o DAC) cambia internamente. Si la entrada de referencia externa en el conversor se almacena en búfer, no hay problema; en caso contrario, es necesario examinar el rendimiento transitorio de la referencia. En algunos casos, se necesita un búfer externo entre la referencia y el conversor para proporcionar accionamiento, a pesar de las cargas transitorias; una vez más, el rendimiento del búfer debe tenerse en cuenta en el análisis de errores del sistema.

3. Estabilidad a corto plazo y deriva relacionada con la temperatura: La salida de referencia se desviará debido al tiempo que demoran en estabilizarse los circuitos activos y los gradientes térmicos en el chip. Este tiempo de estabilización de encendido para la mayoría de las referencias suele depender de la capacitancia de carga, pero el impacto del condensador de carga es mínimo para el ADR431 con una carga pequeña (Figura 8 y Figura 9).

Figura 8: El tiempo de estabilización de encendido para el ADR431 sin carga es de aproximadamente 8 microsegundos (µs). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Figura 9: Con la adición de una carga de 0.01 µF, el tiempo de estabilización de encendido para el ADR431 sigue siendo de aproximadamente 8 µs. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las hojas de datos especifican la precisión de la referencia a una temperatura definida, que generalmente difiere del valor de encendido. El cambio en la salida provocado por el cambio de temperatura puede exceder fácilmente los requisitos de precisión del sistema, por lo que se necesita una referencia con una especificación de deriva preferentemente baja. La familia ADR43x está indicada para operar de −40 °C a +125 °C; para el ADR434A (4.096 voltios, precisión inicial de ±5 mV), este coeficiente es de 10 partes por millón (ppm)/°C, mientras que otros modelos de la serie tienen valores tan bajos como 3 ppm/°C.

4. Deriva a largo plazo debido al envejecimiento, el estrés físico y el embalaje: muchas veces, la deriva representa una contribución significativa a la inexactitud de la referencia. Considere una aplicación que requiere una referencia de voltaje para tener una precisión total sobre el rango de temperatura de ±0.1 %. El diseñador puede elegir una referencia de alto rendimiento con una precisión inicial de ±0.05 % y un coeficiente de temperatura muy bajo de ±5 ppm/°C.

Entre 25 °C y 125 °C, la deriva causada por el coeficiente de temperatura será de 5 ppm/°C × 100 °C, o 500 ppm (0.05 %), por lo que el error total (error inicial + error de deriva) solo cumplirá con el requisito de ±0.1 %. Algunas aplicaciones de alta gama colocan la referencia en un horno de temperatura controlada similar a los que se usan para los cristales y relojes de ajuste de frecuencia de temperatura estabilizada, pero esto no es deseable ni práctico en la mayoría de las situaciones.

A medida que mejora la precisión de la referencia, su deriva básica a largo plazo (LTD) se convierte en un factor más importante para mantener esa precisión. Para el ingeniero de diseño, la LTD presenta un desafío especial porque también es una función de los procedimientos de producción y los patrones de uso del producto, en lugar de solo la minuciosidad del diseño y la selección de componentes asociados. Las fuerzas que se ejercen sobre el paquete durante el montaje de la placa de circuito son la causa principal de la LTD. Los circuitos integrados empacados en plástico cambiarán de forma ligeramente como resultado de la exposición a altas temperaturas durante el proceso de soldadura de la placa, y este cambio en las dimensiones inducido por el estrés ejerce presión sobre la matriz de referencia de voltaje.

La consecuencia es que la salida de la referencia de voltaje cambia a medida que estas tensiones mecánicas relacionadas con el ensamblaje disminuyen y vuelven a la normalidad al cabo de horas, días e incluso semanas. La cantidad de cambio depende del diseño, el paquete del dispositivo y otros factores, y generalmente es del orden de decenas de ppm. Además, la relación entre la matriz y el paquete de la referencia se "asentará" a medida que el dispositivo envejezca en el transcurso de un año, es decir que algunas referencias especifican la deriva en un período de tiempo mucho más largo.

La mayoría de las hojas de datos de referencia proporcionan especificaciones de LTD como la deriva típica después de las primeras 1000 horas de operación; la hoja de datos de la serie ADR43x especifica 1000 horas de LTD a 40 ppm (típico), pero también señala que la deriva en los períodos subsiguientes de 1000 horas es significativamente menor que en el primer período de 1000 horas.

Una solución a esta deriva inducida por el estrés es ciclar térmicamente la placa varias veces durante unas pocas horas, ya que esto acelerará el alivio de las tensiones internas. Otra solución es considerar el uso de referencias de voltaje en paquetes de cerámica, ya que generalmente son más estables y tienen niveles de flexión más bajos que los paquetes de plástico. Si bien muchas referencias no están disponibles en paquetes de cerámica; probablemente esto no sea un problema, ya que la última generación de referencias en plástico ofrece un rendimiento de LTD que es casi tan bueno como los dispositivos empaquetados en cerámica.

Por último, los diseñadores no pueden ignorar el efecto sobre la referencia de voltaje de los transitorios en su propio riel de potencia; después de todo, una referencia es una "fuente de alimentación" especializada en muchos aspectos. Por lo tanto, las variaciones de carga no solo son una posible influencia en la precisión de salida, sino que una línea de entrada de corriente continua (CC) estable y limpia es otro factor a la hora de mantener el rendimiento especificado. Dicho esto, una referencia de voltaje bien diseñada regulará con solidez la entrada de energía. El ADR431 especifica la regulación de línea ΔV_OUT/ΔV_IN de 5 mV/ppm (típico) y 20 mV/ppm (máximo) en el rango de voltaje de entrada de 7 a 18 voltios (Figura 10).

Figura 10: Los transitorios en el riel de potencia de la referencia de voltaje pueden afectar negativamente su rendimiento, pero una buena regulación interna de la línea debería abordar este problema. Por ejemplo, los dispositivos ADR43x no muestran cambios en la salida a pesar de un transitorio de línea de 500 mV. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

Ya sean internas en un ADC o DAC o un componente externo discreto, las referencias de voltaje son un componente fundamental de cualquier sistema que usa conversores de datos. La mejora en su precisión básica, la deriva y otros parámetros se traducen en mejoras de rendimiento en el nivel del sistema.

Como se mostró, los diseñadores tienen disponible una amplia gama de características de referencia de voltaje y mejoras, tanto en la topología como en el proceso, entre las que pueden elegir. Junto con las características adicionales que garantizan la precisión y el rendimiento consistente en una variedad de condiciones operativas estáticas y dinámicas, la referencia de voltaje aparentemente simple tiene mucho que ofrecer a un diseñador que busca alternativas para abordar los estrictos requisitos de diseño.

Referencias:

1. Analog Devices, AN-713, “The Effect of Long-Term Drift on Voltage References”
2. Analog Devices, Engineer Zone, “Trimming the ADR430”