Selección cuidadosa de componentes, topología y diseño para lograr una precisión de 7,5 dígitos en la cadena de señales

Si bien muchos requisitos de lectura de resolución se pueden satisfacer con cuatro o incluso cinco dígitos, aplicaciones como multímetros digitales (DMM) clasificados para laboratorio, calibración de medidores de campo, básculas de pesaje / balanzas de laboratorio e instrumentación sísmica requieren una mayor precisión con una visualización significativa de 7,5 (7½) digitos. Este rendimiento es necesario para medir con precisión pequeños cambios de señal de baja frecuencia en presencia de grandes señales y compensaciones de CC inevitables.

Lograr este nivel de precisión requiere un esfuerzo multifacético con especial atención a los factores relacionados con la selección de componentes y la implementación física. Los diseñadores deben comprender las múltiples fuentes de error potenciales, las implicaciones del comportamiento a corto y largo plazo y la estabilidad del circuito.

Este artículo revisa brevemente los problemas de diseño asociados con el desarrollo de una lectura significativa y precisa de una señal analógica que tiene una precisión de 7,5 dígitos. Luego presenta componentes adecuados de Analog Devices que los diseñadores pueden usar para lograr este rendimiento.

Selección de componentes para lecturas de alta precisión

Un sistema de alta precisión comienza con sus componentes activos y pasivos. Aunque la alta integración puede simplificar el diseño y la disposición para ofrecer un nivel de rendimiento garantizado, con frecuencia los diseñadores pueden lograr un mayor rendimiento utilizando circuitos integrados optimizados de una sola función en un arreglo y disposición física adecuadas. Los procesos, la fabricación, los problemas y gradientes térmicos, el embalaje y las tensiones asociadas de estos componentes pueden adaptarse de forma óptima a los requisitos de la aplicación.

En el corazón de un sistema de 7,5 dígitos de alta precisión (Figura 1) se encuentran un preamplificador, resistencias de ajuste de ganancia combinadas, un convertidor de analógico a digital (ADC) y una referencia de voltaje.

Figura 1: En el centro de la cadena de señal de un sistema de 7,5 dígitos hay un preamplificador, resistencias de ajuste de ganancia, un ADC y una referencia de voltaje. (Fuente de la imagen: Analog Devices, modificado por Bill Schweber)

La señal analógica de bajo nivel se envía a un preamplificador de bajo ruido, donde las resistencias de precisión correspondientes establecen la ganancia. También puede haber un filtro de interferencias electromagnéticas (EMI). A continuación, la señal amplificada pasa por un ADC de alta resolución, que proporciona valores digitalizados utilizando una referencia de tensión de precisión para mayor precisión. La salida convertida se transfiere al proceso del sistema a través de uno de los varios formatos de entrada/salida (E/S).

El preamplificador: Aquí, dos parámetros críticos son el ruido y la deriva, que afectan a la consistencia y la precisión. Un preamplificador adecuado es el ADA4523-1BCPZ-RL7 (Figura 2, izquierda), un amplificador operacional de 8 terminales, 36 V, bajo ruido y deriva cero. Este amplificador operacional ofrece un rendimiento de CC de precisión en un amplio rango de alimentación de 4,5 V a 36 V. La tensión de compensación y el ruido 1/f se suprimen, lo que le permite alcanzar una tensión de offset máxima de ±4 μV y una tensión de ruido de entrada típica de 88 nV pico a pico (p-p) a frecuencias comprendidas entre 0,1 Hz y 10 Hz. El dispositivo se presenta en un encapsulado de montaje superficial de 8 terminales, y en la Figura 2 (derecha) se muestra su densidad de ruido de tensión de entrada referida desde casi CC hasta 10 MHz.

Figura 2: El ADA4523-1BCPZ-RL7 (izquierda) está alojado en un encapsulado de montaje superficial de 8 terminales; a la derecha se muestra su densidad de ruido de tensión referida a la entrada desde casi CC hasta 10 MHz. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El circuito de autocalibración del ADA4523-1BCPZ-RL7 estabilizado por chopper proporciona una baja deriva de tensión de compensación con la temperatura (0,01 μV/°C máximo) y deriva cero con el tiempo. Además, el ADA4523-1BCPZ-RL7 utiliza filtrado en chip para lograr una alta inmunidad a las interferencias electromagnéticas.

Resistencias de ajuste de ganancia: La ganancia programable suele ser necesaria para adaptar el circuito a diferentes amplitudes y formatos de señal de entrada. Para obtener un rendimiento de precisión, es más importante que el par de resistencias de ajuste de ganancia coincidan y se sigan de cerca con los cambios de temperatura, en lugar de tener el valor absoluto correcto. Un dispositivo autónomo que incorpore estos pares puede ofrecer, por lo general, mejores prestaciones que las resistencias integradas en el chip del amplificador.

Por ejemplo, el LT5401AHMSE#PBF (Figura 3, izquierda) es una red de resistencias adaptadas de ultraprecisión optimizada para su uso con amplificadores totalmente diferenciales, con excelentes especificaciones de adaptación en todo el rango de temperatura. Contiene dos cadenas de resistencias emparejadas, cada una de las cuales proporciona tres puntos de derivación. El uso de un par de amplificadores operacionales ADA4523-1BCPZ-RL7 y estas resistencias de ajuste de ganancia emparejadas hace posible la configuración de amplificador deseada (Figura 3, derecha). Las relaciones adaptadas resultantes son idóneas para ajustar con precisión la ganancia o la atenuación de un amplificador diferencial.

Figura 3: El LT5401AHMSE#PBF (izquierda) contiene tres pares de resistencias emparejadas; es clave para una etapa de ganancia programable de alta precisión que comprende dos amplificadores ADA4523-1BCPZ-RL7 (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices, modificado por Bill Schweber)

Entre los atributos clave de precisión y estabilidad del LT5401AHMSE#PBF se encuentran:

• 0,003% adaptación de la relación de resistencias (máximo)
• Relación de rechazo en modo común (CMRR) de 96,5 dB (mínimo)
• ±25 ppm error de ganancia (máximo)
• ±0,5 ppm/°C que coincide con la deriva de temperatura (máxima)
• Deriva de temperatura del valor absoluto de la resistencia de 8 ppm/°C
• Estabilidad a largo plazo: <8 ppm a 6.500 horas

El ADC: Una vez que la señal ha sido amplificada y acondicionada, está lista para ser digitalizada. Aunque hay muchos ADC con diferentes arquitecturas y atributos, el enfoque sigma-delta es muy adecuado para aplicaciones de precisión porque puede ofrecer un equilibrio entre tiempo de conversión y resolución.

Un ejemplo adecuado de ADC es el AD7177-2BRUZ-RL7 (Figura 4), un convertidor multiplexado de bajo ruido de 32 bits y 10 kilomuestras/segundo (ksps) con un tiempo de estabilización de 100 microsegundos (μs) y búferes de entrada de riel a riel que facilitan la interfaz con la salida del preamplificador. Sus múltiples canales de entrada se pueden organizar como dos canales totalmente diferenciales o cuatro canales de un solo extremo a través de su multiplexor de punto de cruce.

Figura 4: El ADC sigma-delta multicanal AD7177-2BRUZ-RL7 presenta una alta resolución de conversión y flexibilidad de configuración de canal de entrada. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Tenga en cuenta que, si bien es un dispositivo altamente integrado, esta integración no es perjudicial para el rendimiento analógico de precisión, ya que gran parte de él está en el lado digital y de E/S. Los múltiples canales de entrada son útiles porque muchas aplicaciones de alta precisión requieren una comparación entre canales contiguos o utilizan un canal para lecturas de referencia en escenarios de adquisición de datos del mundo real.

Este convertidor también proporciona un filtro de 85 dB de rechazo de interferencias de 50 Hz y 60 Hz para mantener la integridad de la señal y lo hace con un tiempo de establecimiento de 50 ms. También incluye una referencia de 2,5 V en el chip (deriva de ±2 ppm/°C) y puede usar su reloj interno para el tiempo de conversión o suministrarse con un reloj externo. Aunque la referencia de tensión en chip es más que adecuada para muchas aplicaciones, no es aceptable en aplicaciones que requieren una mayor precisión. Por lo tanto, el AD7177-2BRUZ-RL7 permite al usuario suministrar una referencia externa si es necesario.

La referencia de tensión: El rendimiento de la referencia de tensión es el elemento definitorio de la cadena de señales. Una referencia de tensión interna para el ADC es beneficiosa en la mayoría de los casos, ya que reduce el número de componentes, ahorra espacio en la placa y garantiza un nivel definido de rendimiento del convertidor.

Sin embargo, una referencia en chip no puede igualar el rendimiento de un dispositivo independiente dedicado, diseñado, fabricado, recortado y probado para hacer una cosa y hacerla muy bien: proporcionar una tensión muy precisa, estable y de bajo ruido. Salvo contadas excepciones, la precisión, exactitud y estabilidad de un sistema no pueden superar a las de la referencia. Sin embargo, los efectos de error de segundo y tercer orden, como las tensiones del chip y el encapsulado debidas al autocalentamiento y los gradientes térmicos, pueden afectar al rendimiento de referencia.

Por este motivo, Analog Devices ofrece las referencias de tensión de precisión ADR1399 con su diseño, proceso y embalaje optimizados para esta única función. Para mejorar aún más su rendimiento, sus referencias de tensión de máxima precisión incluyen un calentador integrado para mantener una temperatura constante, ya que las variaciones de temperatura tienen un impacto significativo en la estabilidad.

Los ADR1399 son CI de referencia de tensión de derivación Zener enterrados de precisión con una salida fija de 7,05 V, que ofrecen una excelente estabilidad de temperatura en una amplia gama de condiciones de tensión, temperatura y corriente de reposo. Se incorpora un bucle de estabilización de temperatura con el Zener activo en un sustrato monolítico, lo cual casi elimina los cambios de voltaje con la temperatura.

El circuito Zener subterráneo está completamente especificado a una corriente de reposo de 3 miliamperios (mA) y ofrece un ruido ultrabajo de 1,44 μV p-p de 0,1 a 10 Hz, y 1,84 μV_RMS de 10 Hz a 1 kHz. También tiene un coeficiente de temperatura extremadamente bajo de 0,2 ppm/℃ junto con una excelente estabilidad a largo plazo de 7 ppm/root kilohrs (ppm/√kHrs).

Existen dos versiones de este dispositivo. El ADR1399KHZ (Figura 5, arriba, izquierda) se presenta en un sencillo encapsulado TO-46 de 4 pines, herméticamente cerrado y colocado dentro de un aislante térmico de plástico. El aislante ayuda a mantener al mínimo las fluctuaciones ambientales, reduciendo la potencia necesaria del calentador.

En cambio, el ADR1399KEZ (figura 5, abajo a la izquierda) se presenta en un soporte de chip sin conductores (LCC) de 8 pines sin aislamiento y montaje en superficie. Dos de los cuatro pines adicionales no están conectados internamente, mientras que los otros dos dividen la referencia activa en acción de fuerza y detección de conexión Kelvin para permitir una mayor precisión. El efecto del tipo de encapsulado sobre la tensión de referencia en función de la temperatura muestra la insignificante diferencia entre el ADR1399KHZ en un paquete TO-46 (Figura 5, arriba, derecha) y el ADR1399KEZ en un LCC (Figura 5, abajo, derecha).

Figura 5: El efecto del tipo de encapsulado (izquierda) sobre la tensión de referencia en función de la temperatura muestra la insignificante diferencia entre el ADR1399KHZ en un paquete TO-46 (arriba, derecha) y el ADR1399KEZ en un LCC (abajo, derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Topología del circuito de corrección de factor de potencia (PFC)

Para lograr precisión, los diseñadores también deben utilizar topologías y arquitecturas que reduzcan intrínsecamente o incluso anulen las fuentes de error. Algunas señales pueden necesitar configuraciones diferenciales para equilibrar y cancelar el ruido inducido. Las resistencias de adaptación y seguimiento, como se ha indicado, pueden mejorar el rendimiento diferencial en un amplificador, especialmente a lo largo de la temperatura. Además, el puente de Wheatstone de cuatro brazos se emplea a menudo para crear una disposición de medición ratiométrica, en la que las derivas no deseadas en los brazos del puente se anulan entre sí, dejando sólo la señal de interés.

Implantación física

La construcción física de un diseño de precisión desempeña un papel importante en el rendimiento. Hay que tener en cuenta muchos factores, como el blindaje EMI y los efectos de los termopares. Cualquier conexión de metales distintos forma una unión termoeléctrica que genera una pequeña tensión en función de la temperatura (efecto Seebeck). Estos pueden ser la fuente de error dominante en circuitos de baja deriva. Los conectores, interruptores, contactos de relé, enchufes, resistencias y soldaduras son todos candidatos para la generación significativa de fuerza electromotriz térmica (EMF).

Incluso las uniones de cables de cobre de distintos fabricantes pueden generar EMF térmicos de 200 nV/°C, lo que supone más de 10 veces la especificación de deriva máxima del ADA4523-1BCPZ-RL7. La figura 6 ilustra la magnitud potencial de las tensiones CEM y su sensibilidad a la temperatura.

Figura 6: Se muestran los CEM térmicos generados por la unión de dos cables de cobre de distintos fabricantes (izquierda) y soldadura-cobre (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Por supuesto, las múltiples conexiones a tierra del circuito son una consideración importante. Son esenciales las conexiones a tierra analógicas y digitales separadas, sustanciales y de baja impedancia. Los flujos de corriente deben ser mapeados y dirigidos lejos de las áreas sensibles, con un solo punto de conexión entre los dos regímenes terrestres. También se aplican las consideraciones habituales sobre el uso de condensadores de derivación cuidadosamente colocados entre los rieles de alimentación y las tierras adyacentes a sus cargas.

Calibración

Puede parecer que la calibración de la unidad final es la forma más directa de resolver los problemas de precisión y estabilidad, pero no suele ser así. La calibración a este nivel de precisión de resolución requiere un patrón extremadamente costoso con una configuración cuidadosamente dispuesta y es un proceso que requiere mucho tiempo. La unidad también necesitaría recalibración periódica en un ciclo definido.

Los resultados de la calibración se utilizan de varias formas para corregir o compensar el error de lectura. La calibración es más eficaz para verificar el rendimiento de un diseño que como táctica para alcanzar los objetivos deseados.

Conclusión

Alcanzar una precisión y exactitud significativas de 7,5 dígitos es un reto importante en el diseño analógico y de señal mixta. La solución de diseño debe combinar los componentes adecuados, la topología del circuito, la disposición física y la calibración apropiada. Los componentes de primer nivel, la experiencia y el soporte de aplicaciones de Analog Devices, combinados con una cuidadosa atención a las sutilezas del diseño, hacen posible enfrentar este desafío.