Delta-Sigma ADC

Una de las tecnologías ADC más avanzadas es la denominada delta-sigma o ΔΣ (utilizando la notación de letras griegas adecuada). En matemáticas y física, la letra griega mayúscula delta (Δ) representa diferencia o cambiar , mientras que la letra mayúscula sigma (Σ) representa suma :la suma de varios términos juntos. A veces, se hace referencia a este convertidor con las mismas letras griegas en orden inverso:sigma-delta o ΣΔ.

En un convertidor ΔΣ, la señal de voltaje de entrada analógica se conecta a la entrada de un integrador, produciendo una tasa de cambio de voltaje, o pendiente, en la salida correspondiente a la magnitud de entrada. Luego, este voltaje de rampa se compara con el potencial de tierra (0 voltios) mediante un comparador.

El comparador actúa como una especie de ADC de 1 bit, produciendo 1 bit de salida ("alta" o "baja") dependiendo de si la salida del integrador es positiva o negativa. Luego, la salida del comparador se bloquea a través de un flip-flop tipo D sincronizado a una frecuencia alta y se realimenta a otro canal de entrada en el integrador, para conducir el integrador en la dirección de una salida de 0 voltios. El circuito básico se ve así:

Diagrama esquemático

El amplificador operacional más a la izquierda es el integrador (sumador). El siguiente amplificador operacional al que se alimenta el integrador es el comparador, o ADC de 1 bit. Luego viene el flip-flop tipo D, que bloquea la salida del comparador en cada pulso de reloj, enviando una señal "alta" o "baja" al siguiente comparador en la parte superior del circuito.

Este comparador final es necesario para convertir el voltaje de salida de nivel lógico de 0V / 5V de polaridad única del flip-flop en una señal de voltaje + V / -V para retroalimentar al integrador. Si la salida del integrador es positiva, el primer comparador emitirá una señal "alta" a la entrada D del flip-flop.

En el siguiente pulso de reloj, esta señal "alta" se enviará desde la línea Q a la entrada no inversora del último comparador. Este último comparador, al ver un voltaje de entrada mayor que el voltaje umbral de 1/2 + V, se satura en una dirección positiva, enviando una señal + V completa a la otra entrada del integrador.

Esta señal de retroalimentación de + V tiende a conducir la salida del integrador en una dirección negativa. Si ese voltaje de salida alguna vez se vuelve negativo, el circuito de retroalimentación enviará una señal correctiva (-V) de vuelta a la entrada superior del integrador para conducirlo en una dirección positiva.

Este es el concepto delta-sigma en acción:el primer comparador detecta una diferencia (Δ) entre la salida del integrador y cero voltios. El integrador suma (Σ) la salida del comparador con la señal de entrada analógica.

Funcionalmente, esto da como resultado un flujo en serie de bits emitidos por el flip-flop. Si la entrada analógica es de cero voltios, el integrador no tendrá tendencia a subir en rampa ni positiva ni negativa, excepto en respuesta al voltaje de retroalimentación.

En este escenario, la salida del flip-flop oscilará continuamente entre "alta" y "baja", a medida que el sistema de retroalimentación "caza" hacia adelante y hacia atrás, tratando de mantener la salida del integrador a cero voltios:

Formas de onda de salida

Sin embargo, si aplicamos un voltaje de entrada analógica negativo, el integrador tendrá una tendencia a aumentar su salida en una dirección positiva. La retroalimentación solo se puede agregar a la rampa del integrador mediante un voltaje fijo durante un tiempo fijo, por lo que la salida del flujo de bits por el flip-flop no será exactamente la misma:

Al aplicar una señal de entrada analógica más grande (negativa) al integrador, forzamos su salida a aumentar más abruptamente en una dirección positiva. Por lo tanto, el sistema de retroalimentación tiene que generar más unos que antes para que la salida del integrador vuelva a cero voltios:

A medida que la señal de entrada analógica aumenta en magnitud, también lo hace la aparición de unos en la salida digital del flip-flop:

Se obtiene una salida de número binario paralelo de este circuito promediando el flujo serial de bits juntos. Por ejemplo, se podría diseñar un circuito contador para recopilar el número total de 1 de salida del flip-flop en un número determinado de pulsos de reloj. Este recuento sería indicativo del voltaje de entrada analógica.

Existen variaciones sobre este tema, empleando múltiples etapas integradoras y / o circuitos comparadores que producen más de 1 bit, pero un concepto común a todos los convertidores ΔΣ es el de sobremuestreo . El sobremuestreo ocurre cuando un ADC toma múltiples muestras de una señal analógica (en este caso, un ADC de 1 bit), y esas muestras digitalizadas se promedian.

El resultado final es un aumento efectivo en el número de bits resueltos de la señal. En otras palabras, un ADC de 1 bit con sobremuestreo puede hacer el mismo trabajo que un ADC de 8 bits con muestreo único, aunque a una velocidad más lenta.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de conversión de analógico a digital