ADCs Integradores (Monopendiente): Principios, Ventajas y Alternativas de Doble Pendiente

Mientras los ADCs flash destacan en velocidad, su gran cuenta de componentes puede ser prohibitiva para muchos diseños. Una estrategia común para reducir complejidad es reemplazar la rampa basada en DAC de un ADC flash con un integrador analógico y un contador digital preciso, produciendo lo que se conoce como ADC monopendiente o integrador.

En esta arquitectura, un integrador operacional genera una forma de onda diente de sierra continua. La entrada analógica se compara contra esta rampa por un comparador de alta velocidad. El instante en que la salida del comparador conmuta indica que el voltaje del integrador ha igualado la entrada, y el tiempo transcurrido es capturado por un contador impulsado por un reloj de oscilador de cristal.

El esquema siguiente ilustra el diagrama de bloques central:

El diagrama simplifica el transistor de descarga basado en IGFET; en la práctica un circuito de latch ligado al reloj asegura que el capacitor se descargue completamente cuando el comparador va a alto.

Durante una conversión, la salida del comparador está en bajo mientras la entrada supera la salida del integrador. El integrador entonces carga el capacitor linealmente, y el contador incrementa a la frecuencia fija del reloj. Cuando el voltaje del capacitor iguala la entrada, el comparador cambia a alto, atrapando el valor del contador en un registro de desplazamiento y disparando el IGFET para descargar el capacitor a cero.

Una vez que el voltaje del integrador vuelve a cero, el comparador conmuta a bajo de nuevo, limpiando el contador y permitiendo que comience la siguiente conversión. En efecto, el ADC monopendiente se comporta como un ADC de rampa digital, pero con una referencia diente de sierra suave en lugar de una escalonada.

A pesar de eliminar el DAC, la arquitectura monopendiente sufre de deriva de calibración. Como la precisión de conversión depende de la coincidencia exacta entre la pendiente del integrador (fijada por –V_ref, R y C) y la frecuencia del contador, cualquier deriva en cualquiera de los parámetros degrada el rendimiento. A diferencia del ADC de rampa digital, donde el reloj solo afecta el tiempo de actualización, la interdependencia de integración y conteo hace al ADC monopendiente vulnerable a envejecimiento y variaciones de temperatura.

Sin embargo, la cuenta reducida de componentes y el layout simplificado pueden ser atractivos para aplicaciones de bajo coste y baja potencia.

Este circuito ADC se comporta muy parecido al ADC de rampa digital, excepto que el voltaje de referencia del comparador es una forma de onda diente de sierra suave en lugar de una "escalera".

Convertidor de Doble Pendiente

El ADC de doble pendiente resuelve el problema de deriva de calibración empleando dos fases de integración. En la primera fase, el integrador carga con la entrada desconocida durante un intervalo de tiempo fijo medido por el contador. En la segunda fase, el integrador descarga con un voltaje de referencia conocido a tasa constante; se cuenta el tiempo requerido para volver al voltaje inicial.

La razón de los dos intervalos de tiempo produce directamente el valor digital, y como tanto la integración como el conteo ocurren durante el mismo ciclo, cualquier cambio en la frecuencia del reloj se cancela. Un reloj más rápido acorta la fase de tiempo fijo pero también acelera el conteo de descarga, dejando el resultado final inalterado.

Además, el promediado inherente en la fase de integración hace a los convertidores de doble pendiente altamente inmunes a ruido transitorio. Al sumar la entrada sobre la ventana de integración, picos y caídas se suavizan, por eso los ADCs de doble pendiente son comunes en instrumentos de medición de precisión como multímetros y medidores de energía.

En resumen, mientras el ADC monopendiente ofrece un diseño más simple, la arquitectura de doble pendiente proporciona precisión superior e inmunidad al ruido a costa de un tiempo de conversión más largo.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de Trabajo de Conversión Analógico-Digital