Por qué las elecciones relacionadas con la potencia son importantes para las cadenas de señales de precisión

Mientras diseñamos nuestros circuitos analógicos, parece que nos sumergimos de forma reflexiva en los detalles de especificación de cada componente del circuito. En cuanto al entusiasmo, estará en el primer lugar, pero, en cuanto a la potencia, el diseño final puede sufrir. Aquí explicamos por qué y cómo evitar ese error.

Si trabaja en un circuito de precisión ultraalta optimizado para un establecimiento rápido con baja latencia, al parecer el diseño de su circuito sale ganando. Usted selecciona componentes que emiten poco ruido y que exhiben velocidades superiores para este circuito de alta precisión para mantener la latencia bajo control. En la Figura 1, se muestra un diagrama de bloques apropiado para este tipo de circuito. Contiene muchos componentes que emiten la señal analógica a través de la barrera de aislamiento.

Figura 1: Una cadena de señales de medición de voltaje/corriente adaptable con medición de baja latencia. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En este escenario, los detalles de los componentes de precisión saltan a la vista de inmediato. El interruptor de Analog Devices ADG5421F es un interruptor de protección y detección de fallas de ±60 voltios, 11 ohm (Ω) R_ONy unipolar doble de una sola dirección (SPST). Este dispositivo identifica si la diferencia entre dos entradas supera la fuente de alimentación y genera un mensaje de error.

La etapa de ganancia es LTC6373de Analog Devices, un amplificador de instrumentación de ganancia programable y completamente diferencial de 36 voltios. El LTC6373 obtiene la señal del sensor de entrada según los niveles apropiados del convertidor analógico a digital (ADC). El filtro es un circuito de resistencia-condensador (R-C) unipolar discreto. Este filtro realiza una función antialiasing para atenuar las señales de frecuencia superior.

El sistema de circuitos de conversión analógica a digital empieza con el ADA4896-2de Analog Devices, un amplificador de salida dual, de baja potencia y de riel a riel. Esto sirve como el amplificador del controlador de ADC. A continuación, está el AD4630-24 de Analog Devices, un ADC de registro de aproximaciones sucesivas (SAR) de canal dual de 2 megamuestras por segundo (MSPS) y 24 bits, que ejecuta una conversión de alta precisión con cero latencia.

La parte de referencia de voltaje al ADC consiste en el LTC6655LNde Analog Devices, una referencia de voltaje en serie con una salida fija de 5 voltios, y el ADA4523-1BCPZde Analog Devices, un amplificador de desvío cero que forma un búfer entre la referencia de voltaje y el pin de entrada de referencia ADA4523.

Para finalizar el diseño, el aislante digital ADuM14xE de Analog Devices aísla y protege aún más los circuitos.

Vaya más allá de las especificaciones de precisión

DETÉNGASE. Ahora, imagine que es el diseñador analógico de su grupo. Felicitaciones: se ha unido a una clase superior de ingenieros, aunque seguirá teniendo una experiencia de aprendizaje continua. Con eso en mente, confío en que usted me permitirá darle algunas recomendaciones que posiblemente no haya oído antes. Para empezar, deje de lado sus tutoriales analógicos y considere una forma diferente de abordar algunos problemas fundamentales, empezando por el sistema de fuente de alimentación, la corriente en reposo, el ruido y la precisión.

En mis numerosos años de diseño analógico, a menudo, esta técnica solo se me ocurría al final del ciclo de diseño, y sí, realicé dolorosos esfuerzos de rediseño y perfeccionamiento. Ahora usted no tiene que hacerlo.

Además, es evidente que la tendencia de la industria es hacia una disipación de potencia más baja y geometrías más pequeñas. Afortunadamente para nosotros, no estamos tan metidos en este diseño específico como para no poder dar un paso atrás y observar los aspectos fundamentales del circuito: voltaje de suministro, corriente en reposo y relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR).

El cambio que estoy sugiriendo es personalizar la solución de potencia como una propuesta de valor crítica del diseño de la cadena de señales, lo que equivale a —si no supera— los objetivos de precisión. Los pasos y las consideraciones de diseño ahora son:

1. Crear su diagrama de bloques de la cadena de señales.
2. Seleccionar posibles componentes en el diagrama.
3. Definir:
   1. El voltaje de suministro
   2. La corriente de suministro
   3. PSRR

Si usted no considera las especificaciones de potencia de manera anticipada y de forma correspondiente a su propuesta de diseño, la complejidad del diseño aumentará a pasos agigantados. Eso se debe a la adición de complejos diseños de fuente de alimentación de fondo, con un incremento derivado del consumo de potencia debido a la corriente en reposo de los componentes. ¿El resultado? Un diseño general poco satisfactorio que puede enviarlo de vuelta al tablero de dibujo.

Entonces, echemos un vistazo al voltaje de la fuente de alimentación, a la corriente y a los presupuestos de PSRR.

Diseñar con la potencia en mente

El interruptor (o protección) y las etapas de ganancia (o el amplificador de instrumentación programable) requieren rangos de voltaje de fuente de alimentación más extensos, como ±15 voltios para ofrecer un rango de señales amplio para el sensor de entrada. El controlador de ADC, la referencia, el controlador de referencia y los bloques de aislamiento requieren rangos promedio de fuente de alimentación, como ±5 voltios y ±5.5 voltios para cumplir con los requisitos de señal. Y, finalmente, la interfaz digital de ADC al controlador requiere voltajes más bajos, como +1.8 voltios, por lo que el consumo general de potencia se mantiene bajo (Tabla 1).

Tabla 1: Requisitos respectivos de potencia del dispositivo. (Fuente de la tabla: Analog Devices, modificado por Bonnie Baker [para Potencia])

Según la Tabla 1, hay tres suministros analógicos positivos (15 voltios, 5.5 voltios y 5 voltios), tres suministros digitales positivos (5 voltios, 5 voltios y 1.8 voltios) y dos suministros analógicos negativos (-15 voltios y -5 voltios). Los números de la Tabla 1 señalan los requisitos de fuente de alimentación analógica y digital. El ADA4896-2 domina el panorama del sistema PSRR, y la potencia en reposo generada es de 487 miliwatts (mW): potencia mínima a un rendimiento óptimo.

Conclusión

Como se muestra, la combinación correcta de interruptores, amplificadores y ADC de 24 bits, como AD4630-24 de Analog Devices, puede ayudarlo a crear un sistema de precisión ultraalta con la optimización de las funciones de establecimiento rápido y baja latencia. Sin embargo, para ofrecer el mejor rendimiento general, debe prestarse atención a la potencia. ADG5421F, LTC6373, ADA4896-2, AD4630-24, LTC6655LN, ADA4523 y ADuM14xE se combinan para crear una cadena de señales de medición de voltaje/corriente ajustable que cumple con los requisitos de aplicación para mediciones de baja latencia —al tiempo que minimizan el consumo de potencia y forman una solución de instrumentación ideal—.