Come utilizzare un riferimento di tensione per assicurare la conversione dati accurata e stabile

Nella fretta di collegare in modo più rapido ed efficiente il mondo analogico e quello digitale per sfruttare Internet delle cose (IoT), è facile - ma poco saggio - trascurare il ruolo cruciale che svolge il riferimento di tensione. Utilizzato dai convertitori analogico/digitale (ADC) e digitale/analogico (DAC) come standard principale in base al quale "valutare" i valori di ingresso e uscita analogici, il riferimento di tensione contribuisce ad assicurare una conversione accurata di dati e segnali, ma solo se viene scelto e applicato correttamente.

Questo articolo illustrerà brevemente la struttura e le caratteristiche di un riferimento di tensione e descriverà come sceglierlo. A titolo di esempio, verrà presentato un riferimento di tensione della serie ADR43x di Analog Devices per descrivere le varie caratteristiche, i miglioramenti e le funzioni di cui i progettisti possono avvalersi per sfruttare al meglio i moderni riferimenti di tensione. Lungo il percorso verrà mostrato come applicare il dispositivo ADR43x in modo che rimanga entro limiti accettabili per consentire ad ADC, DAC e ai sistemi in genere di esplicare tutto il loro potenziale.

Il ruolo critico dei riferimenti di tensione

Nella sua forma base, il riferimento di tensione è un dispositivo a tre terminali con connessioni per rail di alimentazione, terra (comune) e tensione di uscita di precisione (Figura 1). Un riferimento che non è appropriato per l'attività o che viene applicato in modo non corretto non sarà preciso e comprometterà la validità e la credibilità dell'uscita del convertitore.

Figura 1: Nella sua realizzazione base, un riferimento di tensione è un dispositivo a tre terminali con connessioni di tensione di ingresso, riferimento di uscita e terra (comune). Qui si fa riferimento al dispositivo LT6656AIS6-2.5 della famiglia LT6656 di Analog Devices. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Una volta che un progettista ha selezionato un riferimento idoneo rispetto alla tensione di uscita nominale, alla precisione e alla tolleranza, oltre ad altri parametri, la sfida sta nell'usarlo in modo che le prestazioni specificate siano perfettamente conformi ai requisiti dell'applicazione e che quelle del dispositivo non vengano compromesse. Non si sottolineerà mai abbastanza l'importanza di questo punto. Come ricordato, il riferimento di tensione è lo standard principale in base al quale un ADC valuta la tensione di ingresso analogica mentre la digitalizza. Nel caso dei DAC, un riferimento di tensione stabile e affidabile permette al convertitore di produrre una tensione di uscita analogica che corrisponde al codice digitale di ingresso.

Scelta del riferimento

Per i riferimenti allo stato solido tre sono le tecnologie usate più comunemente: il diodo Zener integrato, l'approccio banda proibita utilizzando V_be di un transistor e la configurazione XFET^® di Analog Devices, che ha due FET di giunzione che lavorano in tandem (N. di brevetto U.S.A. 5.838.192).

Chi progetta un riferimento di tensione potrebbe disquisire (e a buona ragione) sulle sottigliezze e le caratteristiche di ogni approccio, ma la maggior parte di coloro che usano il riferimento di tensione sono interessati invece alle prestazioni, ai compromessi, all'applicazione e ai costi. Questo è il punto di vista adottato in questo articolo.

Mentre il riferimento del core interno di un riferimento di tensione potrebbe avere un valore "strano" dovuto alla fisica del dispositivo sottostante della tecnologia utilizzata, i riferimenti di tensione sono progettati con un circuito interno per assicurare che le loro uscite abbiano delle tensioni idonee sia per la risoluzione del convertitore che per le esigenze del sistema.

Molti riferimenti appartenenti alla stessa famiglia, ad esempio, sono identici in tutto tranne che per i valori di uscita di 2,048, 2,5, 3,0, 4,096 e 5,0 V. Le versioni a 2,048 e a 4,096 V sono comode, in quanto si mappano "in modo uniforme" sulla risoluzione del convertitore. Ad esempio, un convertitore a 12 bit che usa un riferimento di 4,096 V ha una scala nominale di 1 mV/conteggio di conversione.

La precisione del riferimento iniziale è specificata in percentuale o in millivolt e può variare molto in quanto alcune applicazioni sono più esigenti, da questo punto di vista. In linea di massima, maggiore è la precisione più è difficile raggiungerla e mantenerla; una tipica specifica di riferimento è un errore massimo di ±0,1% in qualsiasi condizione. Tuttavia, i progressi compiuti nella topologia sottostante e nella tecnologia di processo hanno portato dei miglioramenti in questo ambito. Ad esempio, il riferimento ADR434 a 4,096 V usa l'approccio XFET ed è specificato con una precisione iniziale di ±5 mV (suffisso A) o ±1,5 mV (suffisso B).

Vi sono però anche molte applicazioni per le quali la precisione assoluta è secondaria rispetto alla stabilità del riferimento e alla sua omogeneità a lungo termine. A volte perché i dati digitalizzati possono essere corretti in un secondo momento, oppure perché la precisione assoluta non è importante quanto i risultati comparativi e le loro variazioni, che dipendono entrambi dalla stabilità del riferimento. Pertanto, al momento della scelta del riferimento occorre valutare quanta precisione assoluta e quanta stabilità servono e come mantenere tale stabilità.

La stabilità non è un fattore di secondaria importanza. Deve servire per un periodo di tempo breve, come nel caso dell'acquisizione di dati durante un breve esperimento? Oppure per un'acquisizione dati a lungo termine di oltre un anno o più? Queste sono le domande che il progettista deve porsi prima di accingersi a un qualsiasi progetto.

Riferimenti esterni e interni

Sorge una domanda ancora più basilare: serve un riferimento esterno indipendente? Convertitori come l'ADC AD7605-4BSTZ di Analog Devices hanno un riferimento di tensione interno che fa risparmiare spazio su scheda e sulla distinta base (Figura 2). Inoltre, la scheda tecnica può fornire una specifica sulla precisione di lettura dell'ADC pienamente caratterizzata, dato che le prestazioni del riferimento diventano parte delle prestazioni complessive del CI del convertitore.

Figura 2: Molti ADC, come AD7605-4BSTZ a 16 bit, sono dotati di un riferimento di tensione interno. Oltre a risparmiare spazio e a ridurre la distinta base, questo semplifica l'analisi del bilancio di errore dato che nelle specifiche generali del convertitore si tiene conto delle prestazioni del riferimento. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tuttavia, un riferimento interno potrebbe non offrire le prestazioni richieste anche se il core del convertitore è idoneo, pertanto la maggior parte dei convertitori è dotata di una connessione per un riferimento esterno. Occorre tenere presente che convertitori altamente specifici per una determinata applicazione e sensibili ai costi, come quelli per un canale audio di fascia più bassa, possono avere un convertitore interno che soddisfa lo standard richiesto e quindi non avranno bisogno di un riferimento esterno. È tuttavia semplicistico presumere che qualsiasi riferimento esterno fornisca automaticamente risultati migliori di uno interno, poiché le prestazioni del riferimento interno possono essere commisurate alle specifiche del convertitore associato.

Esiste un altro motivo per prendere in considerazione l'uso di un riferimento di tensione esterno anche se quello interno è adeguato. Nei progetti con più di un singolo circuito integrato convertitore, i singoli riferimenti interni potrebbero essere diversi o potrebbero non tracciarsi in modo identico fra loro. I dati che producono avranno delle incongruenze dovute unicamente alle differenze dei riferimenti, il che renderebbe difficile correlare i dati e impossibile correggere errori irrisolvibili.

Per questo motivo, per un sistema ad alte prestazioni con più convertitori, in genere è preferibile utilizzare un unico riferimento esterno condiviso. Questo solleva però delle preoccupazioni sulla capacità del riferimento di "pilotare" i vari convertitori senza comprometterne le prestazioni di base, di cui ci occuperemo in seguito.

Mantenimento delle prestazioni del riferimento

Oltre alle specifiche di precisione e tolleranza iniziali, i riferimenti presentano problemi che vanno affrontati se si vuole garantire che le prestazioni rimangano entro limiti accettabili. Ne esistono di vari tipi, fra cui:

1. Problemi di layout, compreso il calo di tensione e il rumore
2. Pilotaggio dell'uscita (source/drain), buffering del carico e prestazioni di risposta ai transitori
3. Stabilità a breve termine e deriva correlata alla temperatura
4. Deriva a lungo termine dovuta all'invecchiamento, sollecitazioni fisiche e involucri

1. Problemi di layout, tra cui caduta di tensione e rumore: come con qualsiasi segnale analogico sensibile, anche in presenza di una tensione statica, può esserci una caduta di tensione di resistenza eccessiva alla corrente (IR) tra l'uscita di riferimento e il convertitore. Anche se la maggior parte dei carichi di riferimento sono bassi - dell'ordine di decine di milliampere (mA) - persino un carico modesto di 10 mA che passa per 100 milliohm (mΩ) provoca una caduta di tensione di 1 mV, il che può introdurre un errore significativo nel budget.

Il riferimento di tensione della serie ADR43x risolve questo problema includendo la resistenza del cablaggio all'interno dell'anello di forzatura di un amplificatore operazionale esterno in una configurazione di collegamento Kelvin (Figura 3). L'amplificatore rileva la tensione sul carico, quindi il controllo dell'anello dell'amplificatore operazionale forza l'uscita per compensare l'errore di cablaggio, producendo di conseguenza la tensione corretta sul carico.

Figura 3: I dispositivi della serie ADR43x possono essere configurati per connessioni Kelvin tramite un amplificatore operazionale esterno in modo che qualsiasi caduta IR tra l'uscita di riferimento e la connessione di ingresso del riferimento del convertitore faccia parte di un anello di retroazione che corregge la perdita. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Anche il rumore esterno può influire sulla tensione di riferimento vista sul convertitore, a causa del rumore del carico, del rumore di terra (comune) e dal rumore prelevato da rail di alimentazione non adeguatamente disaccoppiati. Inoltre, dei riferimenti occorre valutare anche il rumore interno a bassa frequenza (da 0,1 Hz a 10,0 Hz) e ad alta frequenza (da 10 Hz a 25 kHz). I riferimenti ad alte prestazioni, come quelli della famiglia ADR43x, presentano un rumore a bassa frequenza inferiore a 3,5 μV da picco a picco (pp) e rumore ad alta frequenza di circa 200 μV (picco) da 10 Hz a 10 kHz.

Quello raffigurato è lo spettro della densità di rumore per ADR431BRZ-REEL7 (Figura 4). Per carichi capacitivi diversi è relativamente piatta fino a circa 1 kHz, dopo di che inizia a salire; rimane piatta per un carico capacitivo pari a zero.

Figura 4: La densità di rumore di ADR431BRZ-REEL7 rispetto alla frequenza per diversi carichi capacitivi è relativamente piatta fino a circa 1 kHz, dopo di che inizia a salire. Rimane piatta per un carico capacitivo pari a zero e aumenta più rapidamente con l'aumentare del carico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La tattica più comune per ridurre il rumore consiste nell'aggiungere un semplice filtro resistore-condensatore (RC). Tuttavia, molti riferimenti hanno amplificatori di uscita che possono diventare instabili e oscillare con grandi carichi capacitivi. Quindi collegare all'uscita una capacità elettrica superiore di diversi microfarad (μF) non è un'opzione praticabile, a meno che il progetto del riferimento non lo preveda espressamente. Per i dispositivi ADR43x, se questo rumore ad alta frequenza supera ancora i requisiti la connessione di base del riferimento può essere abbinata a un semplice filtro RC (Figura 5).

Figura 5: La connessione di base dei riferimenti di tensione ADR43x richiede solo pochi componenti esterni passivi, con due condensatori sul lato di ingresso e uno di base da 0,1 μF sull'uscita. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tenere presente che ogni riferimento ADR43x fornisce un pin esterno per l'accesso al nodo di compensazione interna, consentendo l'aggiunta di una rete RC in serie esterna nel punto critico del circuito (Figura 6).

Figura 6: Sui contenitori dei dispositivi ADR43x è presente un pin (Pin 7) accessibile all'utente, che può essere utilizzato per aggiungere la compensazione richiesta all'amplificatore operazionale interno. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'aggiunta del circuito RC consente all'utente di "sovracompensare" l'amplificatore operazionale interno ed evitare l'instabilità. Gli utenti possono scegliere il valore del condensatore per raggiungere un livello di rumore accettabilmente basso rispetto alla frequenza (Figura 7).

Figura 7: I progettisti che utilizzano i riferimenti ADR43x possono selezionare i valori dei componenti RC per ottenere il livello desiderato di riduzione del rumore senza doversi preoccupare dell'instabilità dell'uscita, come mostrato da questo grafico della densità di rumore rispetto alla frequenza per varie combinazioni RC. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

2. Pilotaggio dell'uscita (source/drain), buffering del carico e prestazioni di risposta ai transitori: la maggior parte dei riferimenti sono bufferizzati internamente e possono avere source e drain fino a 5 o 10 mA. Se la corrente di carico richiesta è superiore alla capacità nominale di source/drain del riferimento, servirà un buffer esterno (solitamente a guadagno unitario). Un buffer potrebbe però non essere una soluzione opportuna, in quanto il potenziale effetto delle sue imperfezioni (imprecisione, deriva) potrebbe spingere il riferimento fuori dalle specifiche del sistema.

In molti casi, i valori nominali relativamente alti della corrente di source (+30 mA) e di drain (-20 mA) della serie ADR43x evitano la necessità di un buffer esterno di incremento della corrente.

Inoltre, il carico sul riferimento non è necessariamente costante ma può variare quando l'ADC (o il DAC) commuta internamente. Se l'ingresso di riferimento esterno sul convertitore è bufferizzato, non è un problema. Se non lo è, occorre esaminare le prestazioni di risposta ai transitori del riferimento. In alcuni casi, per il pilotaggio nonostante i carichi transitori è richiesto un buffer esterno tra il riferimento e il convertitore. Anche qui, nell'analisi degli errori di sistema occorre prendere in considerazione le prestazioni del buffer.

3. Stabilità a breve termine e deriva legata alla temperatura: l'uscita del riferimento avrà una deriva dovuta al tempo di assestamento richiesto dai circuiti attivi e di stabilizzazione dei gradienti termici sul chip. Questo tempo di assestamento all'accensione per la maggior parte dei riferimenti dipende in genere dalla capacità di carico, ma l'impatto del condensatore di carico è minimo nel caso di un ADR431 con un carico ridotto (Figura 8 e Figura 9).

Figura 8: Il tempo di assestamento all'accensione per ADR431 in assenza di carico è di circa 8 µs. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 9: Con l'aggiunta di un carico di 0,01 µF, il tempo di assestamento all'accensione per ADR431 rimane ancora di circa 8 µs. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le schede tecniche specificano la precisione di riferimento a una determinata temperatura, che di solito è diversa dal valore all'accensione. Il cambiamento dell'uscita dovuto alla variazione di temperatura può facilmente superare i requisiti di precisione del sistema, quindi serve un riferimento con una specifica di deriva sufficientemente bassa. La famiglia ADR43x è progettata appositamente per funzionare da -40 °C a +125 °C; per ADR434A (4,096 V, precisione iniziale ±5 mV), questo coefficiente è 10 parti per milione (ppm)/°C, mentre altri membri della serie hanno valori anche di soli 3 ppm/°C.

4. Deriva a lungo termine dovuta all'invecchiamento, alle sollecitazioni fisiche e al contenitore: la deriva contribuisce spesso in modo significativo all'imprecisione del riferimento. Si prenda ad esempio un'applicazione che richiede un riferimento di tensione con una precisione totale su un intervallo di temperatura di ±0,1%. Il progettista può scegliere un riferimento ad alte prestazioni con una precisione iniziale di ±0,05% e un coefficiente di temperatura molto basso di ±5 ppm/°C.

Tra 25 e 125 °C, la deriva dovuta al coefficiente di temperatura sarà di 5 ppm/°C × 100 °C o 500 ppm (0,05%), quindi l'errore totale (errore iniziale + errore di deriva) soddisferà il requisito di ±0,1%. Alcune applicazioni di fascia alta mettono il riferimento in un forno a temperatura controllata simile a quello utilizzato per i cristalli e gli orologi con impostazione della frequenza stabilizzata in temperatura, ma per la maggior parte delle situazioni questo non è auspicabile o pratico.

Con il migliorare della precisione di riferimento, per mantenerla diventa più importante la sua deriva di base a lungo termine (LTD). Al progettista, l'LTD pone una sfida particolare perché dipende non solo dalla completezza del progetto e dalla selezione dei componenti associati ma anche dalle procedure di produzione e dai modelli di utilizzo del prodotto. La causa principale dell'LTD sono le sollecitazioni sul contenitore che si verificano durante l'assemblaggio del circuito stampato. I circuiti integrati in contenitori in plastica cambieranno leggermente forma a seguito dell'esposizione alle alte temperature del processo di saldatura della scheda e questo cambiamento di dimensioni indotto dalle sollecitazioni sollecita a sua volta il die di riferimento della tensione.

Ne consegue che l'uscita del riferimento di tensione cambia, mentre queste sollecitazioni meccaniche associate all'assemblaggio diminuiscono e tornano alla normalità dopo ore, giorni e persino settimane. L'entità del cambiamento dipende dal layout, dal contenitore del dispositivo e da altri fattori ed è in genere dell'ordine di decine di ppm. Inoltre, il rapporto tra die e contenitore del riferimento si "stabilizzerà" con l'invecchiamento del dispositivo nel corso di un anno, quindi alcuni riferimenti specificano la deriva su un periodo di tempo molto più lungo.

La maggior parte delle schede tecniche dei riferimenti fornisce specifiche LTD come la deriva tipica dopo le prime 1000 ore di funzionamento; la scheda tecnica della serie ADR43x specifica per l'LTD 1000 ore a 40 ppm (tipico), ma fa altresì notare che la deriva nei successivi periodi di 1000 ore è molto inferiore rispetto a quella delle prime 1000 ore.

Una soluzione a questa deriva indotta dalle sollecitazioni è quella di far eseguire cicli termici alla scheda più volte nell'arco di alcune ore, accelerando in tal modo il rilascio delle sollecitazioni interne. Un'altra soluzione consiste nel prendere in considerazione l'uso di riferimenti di tensione in contenitori ceramici, in quanto sono normalmente più stabili e presentano livelli di flessione inferiori rispetto a un contenitore in plastica. Molti riferimenti non sono però disponibili in contenitori ceramici. Tuttavia questo potrebbe non essere un problema perché l'ultima generazione di riferimenti in plastica offre prestazioni LTD quasi equivalenti a quelle dei dispositivi ceramici.

Infine, i progettisti non possono ignorare l'effetto che i transitori sul rail di alimentazione hanno sul riferimento di tensione; dopo tutto, sotto molti punti di vista un riferimento è un "alimentatore" specializzato. Pertanto, la precisione dell'uscita non è influenzata solo dalle variazioni di carico. Un altro fattore per mantenere le prestazioni specificate è rappresentato da una linea di ingresso in corrente continua (c.c.) stabile e pulita. Fatta questa dovuta precisazione, un riferimento di tensione ben progettato regolerà in modo preciso l'ingresso della corrente. ADR431 specifica una regolazione della linea ΔV_OUT/ΔV_IN di 5 mV/ppm (tipica) e di 20 mV/ppm (massima) sull'intervallo della tensione di ingresso da 7 a 18 V (Figura 10).

Figura 10: I transitori nel rail di alimentazione del riferimento di tensione possono influire negativamente sulle sue prestazioni, ma una buona regolazione della linea interna dovrebbe risolvere il problema. Ad esempio, i dispositivi ADR43x non mostrano cambiamenti nell'uscita nonostante un transitorio della linea di 500 mV. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

I riferimenti di tensione, che siano interni a un ADC o DAC o un componente esterno discreto, sono elementi fondamentali di qualsiasi sistema che utilizza convertitori di dati. Il miglioramento della loro precisione di base, della deriva e di altri parametri si traduce in miglioramenti delle prestazioni a livello di sistema.

Come abbiamo dimostrato, i progettisti possono scegliere tra un'ampia gamma di caratteristiche e miglioramenti del riferimento di tensione, sia in termini di topologia che di processo. Oltre a funzionalità aggiuntive per garantire precisione e prestazioni costanti in diverse condizioni operative statiche e dinamiche, l'apparentemente semplice riferimento di tensione ha molto da offrire a un progettista in cerca di opzioni per soddisfare requisiti rigorosi di progettazione.

Riferimenti:

1. Analog Devices, AN-713, "L'effetto della deriva a lungo termine sui riferimenti di tensione"
2. Analog Devices, Engineer Zone, "Regolazione dell'ADR430"