Perché le scelte di potenza sono importanti nelle catene di segnali di precisione

Quando progettiamo i nostri circuiti analogici, ci viene spontaneo esaminare tutti i dettagli delle specifiche di ciascun componente. Ci meritiamo certamente una lode per l'entusiasmo, ma dal punto di vista della potenza il nostro progetto finale potrebbe avere delle carenze. Ecco perché e come evitare di commettere questo errore.

Se state lavorando a un circuito ad altissima precisione ottimizzato per un assestamento rapido con bassa latenza, il progetto sembra già tutto ben definito. Per tener sotto controllo la latenza, scegliete componenti che presentano un basso rumore e velocità più elevate. Nella Figura 1 è riportato il diagramma a blocchi appropriato per questo tipo di circuito. Contiene molti componenti che forniscono il segnale analogico attraverso la barriera di isolamento.

Figura 1: Una catena di segnali di misurazione di tensione/corrente adattabile con operatività a bassa latenza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In questo scenario, i dettagli dei componenti di precisione saltano subito all'occhio. ADG5421F di Analog Devices è un doppio interruttore unipolare a una via (SPST) di rilevamento e protezione guasti a ±60 V, 11 Ω di R_ON. Identifica quando la differenza tra due ingressi supera l'alimentazione e genera un messaggio di errore.

Lo stadio di guadagno è LTC6373 di Analog Devices, un amplificatore strumentale a guadagno programmabile a 36 V totalmente differenziale. LTC6373 applica un guadagno al segnale del sensore di ingresso ai livelli appropriati del convertitore analogico/digitale (ADC). Il filtro è un circuito discreto a resistore-condensatore (R-C) unipolare. Svolge una funzione anti-aliasing per attenuare i segnali di frequenza più elevata.

Il circuito di conversione analogico-digitale inizia con ADA4896-2 di Analog Devices, un doppio amplificatore di uscita rail-to-rail a bassa potenza. Funge da amplificatore driver di ADC. Vi è poi AD4630-24 di Analog Devices, un ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) a due canali, 24 bit, 2 Msps, che esegue una conversione ad alta precisione con latenza zero.

La porzione di riferimento di tensione all'ADC è composta da LTC6655LN di Analog Devices, un riferimento di tensione in serie con un'uscita fissa a 5 V, e ADA4523-1BCPZ di Analog Devices, un amplificatore a deriva zero che forma un buffer tra il riferimento di tensione e il pin di ingresso di riferimento di ADA4523.

E, per terminare, l'isolatore digitale ADuM14xE di Analog Devices isola il circuito e gli assicura un'ulteriore protezione.

Andare oltre le specifiche di precisione

ALTOLÀ. Immaginate ora di essere il designer analogico del vostro gruppo. Complimenti! Siete entrati a far parte di una classe di ingegneri d'élite, anche se l'esperienza di apprendimento non finisce mai. Tenendolo presente, confido che mi permetterete di fare alcune raccomandazioni che potreste non avere mai sentito prima. Per iniziare, mettete da parte i vostri tutorial analogici e pensate a un modo diverso di affrontare alcuni problemi fondamentali, a partire dal sistema di alimentazione, dalla corrente di quiescenza, dal rumore e dalla precisione.

Nei miei molti anni dedicati alla progettazione analogica, spesso questa tecnica mi è venuta in mente solo alla fine del ciclo di progettazione e, ahimé, la cosa mi è costata molti sforzi di riprogettazione e perfezionamento. Ora voi non dovete fare come me.

Inoltre, è chiaro che la tendenza del settore è quella di ridurre la dissipazione di potenza e le geometrie. Per nostra fortuna, non ci siamo spinti così in là da non poter fare un passo indietro e guardare i fondamenti del circuito: tensione di alimentazione, corrente di quiescenza e rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR).

Il cambiamento che suggerisco è quello di adattare la soluzione di alimentazione come una proposta di valore critica della progettazione della catena di segnali, al pari, se non di più, degli obiettivi di precisione. Ora, le fasi di progettazione e le considerazioni da fare sono queste:

1. Creare il diagramma a blocchi della catena di segnali.
2. Selezionare dallo schema i possibili componenti.
3. Definire:
   1. Tensione di alimentazione
   2. Corrente di alimentazione
   3. PSRR

Se non tenete conto delle specifiche di potenza fin dall'inizio e in linea con la proposta di progetto, la complessità di progettazione aumenta a dismisura. Ciò è dovuto all'aggiunta di complessi progetti di alimentazione di fondo, con un conseguente aumento del consumo di energia dovuto alla corrente di quiescenza dei componenti. Con quali risultati? Un progetto complessivamente insoddisfacente che potrebbe farvi tornare al tavolo da disegno.

Esaminiamo quindi i budget di tensione di alimentazione, corrente e PSRR.

Progettazione nell'ottica della potenza

Gli stadi di commutazione (o protezione) e di guadagno (o amplificatore strumentale programmabile) richiedono intervalli della tensione di alimentazione più ampi, ad esempio ±15 V, per fornire un ampio intervallo di segnali per il sensore di ingresso. I blocchi driver ADC, riferimento, driver di riferimento e isolamento richiedono intervalli di alimentazione medi, ad esempio ±5 V e +5,5 V, per soddisfare i requisiti del segnale. Infine, l'interfaccia digitale dell'ADC con il controller richiede tensioni inferiori, ad esempio +1,8 V, per mantenere basso il consumo energetico complessivo (Tabella 1).

Tabella 1: Requisiti di potenza del dispositivo. (Tabella per gentile concessione di Analog Devices, modificata da Bonnie Baker, per la potenza)

Secondo la Tabella 1, ci sono tre alimentazioni analogiche positive (15 V, 5,5 V e 5 V), tre alimentazioni digitali positive (5 V, 5 V e 1,8 V) e due alimentazioni analogiche negative (-15 V e -5 V). I numeri della Tabella 1 indicano i requisiti di alimentazione analogica e digitale. ADA4896-2 domina il quadro del sistema PSRR e la potenza quiescente generata è di 487 mW: una potenza minima con prestazioni ottimali.

Conclusione

Come mostrato, la giusta combinazione di interruttori, amplificatori e ADC a 24 bit, come AD4630-24 di Analog Devices, può aiutare a creare un sistema ad altissima precisione con l'ottimizzazione delle caratteristiche di assestamento rapido e bassa latenza. Tuttavia, per ottenere le migliori prestazioni complessive, è necessario tenere in debita considerazione la potenza. ADG5421F, LTC6373, ADA4896-2, AD4630-24, LTC6655LN, ADA4523 e ADuM14xE si combinano per creare una catena di segnali di misurazione della tensione/corrente regolabile che soddisfa i requisiti applicativi per le misurazioni a bassa latenza, riducendo al contempo al minimo il consumo energetico e costituendo una soluzione di strumentazione ideale.