CONVERTITORI A/D AD INTEGRAZIONE

Analisi approfondita dei convertitori ad integrazione

Auto zero

Nella analisi precedente abbiamo fatto l'assunzione di avere un convertitore ideale. Nella pratica i convertitori hanno un offset che cambia in funzione della temperatura e del tempo. Per minimizzare l'effetto dell'offset, i convertitori a doppia rampa impiegano una tecnica di auto zero. In questa fase, l'offset del comparatore, del buffer del integratore e' valutato dal circuito ed e' \ immagazzinato in un condensatore esterno. I valore immagazzinato nel condensatore di autozero viene preso in considerazione per la determinazione del valore finale di conversione. Generalmente la fase di autozero viene fatta all'inizio di ogni conversione con ulteriore allungamento dei tempi.

Reiezione al rumore di linea

Uno delle caratteristiche positive dei convertitori ad integrazione a doppia rampa ( DS-ADC) e' la reiezione ai segnali di linea con frequenza di 50/60 Hz generalmente presenti e non voluti. Si dimostra che, se T e' il tempo di integrazione, tutte le frequenza pari a N*(1/T) sono teoricamente attenuate. Cosi se per esempio T=100 ms, tutte le frequenze multiple di [(1/100ms) =10 Hz] sono attenuate. Una riduzione di questa caratteristica e' dovuta alla limitata escursione della tensione di uscita dell'integratore (non si vuole che l'uscita di questo saturi) e al naturale vacillare (in inglese "wobble') del segnale a 50/60 Hz. Questo fenomeno si manifesta come una deviazione di alcuni Hz dal suo valore nominale da parte del segnale di linea. La risultante attenuazione ai rumori di linea tipicamente per un DS-ADC e' dell'ordine dei 40 -60 dB

Errori nei DS ADC

L'elevata accuratezza richiesta nei DS ADC comporta il sorgere di alcuni errori. Gli amplificatori operazionali utilizzati devono avere un alto CMRR ( Common Mode Rejection Ratio), un alta reiezione al rumore di alimentazione ( PSRR- Power Supply Rejection Ratio) e infinito guadagno ( cosi il buffer può pilotare adeguatamente il suo carico resistivo e l'integratore il suo carico capacitivo). La corrente massima di integrazione, che sia quando VIN = VIN_MAX, e' tipicamente dell'ordine dei 20-100 uA. Questo valore nasce dal compromesso tra il requisito di bassa potenza e il superamento dell'effetto dovuto al leakage di corrente presente nel circuito stampato. Sono stati utilizzati amplificatori operazionali con stadio finale in classe B per limitare il consumo in corrente. Comunque l'inevitabile distorsione di crossover una volta analizzata e' risultata più grande degli altri errori. I comparatori devono avere la caratteristica di rispondere in un tempo pari ad una frazione del ciclo di clock al piccolo segnale. Il segnale dipende dalla pendenza durante la fase di de-integrazione. Questa pendenza vale I/C=VREF/( Rint * Cint). Se si richiede una elevata risoluzione tale pendenza diventa dell'ordine dei mV/us. Le isteresi presenti e non volute devono essere minimizzate poiché queste causano i fenomeni di "rollover". Il rollover e' definito come la differenza tra un più vicina lettura positiva a fondo scale e una piu vicina lettura negativa. Questo parametro e' definito usualmente in tutti i datasheet dei DS ADC nelle specificazioni elettriche ed e' testato semplicemente applicando una tensione di fondo scala positivo, poi applicando una tensione di fondo scale negativo e poi sommando i risultati. Una del più usate tecniche di riduzione dell'errore e' ottenuto corto circuitando i terminali di ingresso e facendo una misura. Se l'ADC utilizza un contatore UP/DWN come accumulatore,allora l'errore di misura può essere facilmente sottratto dalla conversione del segnale di ingresso VIN. Questa tecnica non e' spesso accettabile perché duplica il tempo di conversione se la calibrazione e' fatta prima dei ogni conversione. Comunque con essa si possono correggere molti errori come l'offset dovuti al ritardo dei comparatori, ai fenomeni di charge injection)

Componenti esterni

L'utilizzo dei DS ADC comporta l'impiego di un resistore che serve per convertire la tensione di ingresso in corrente e di due capacitori: un di integrazione e uno per il circuito di autozero. Entrambi i condensatori devono avere ottime qualità. Per esempio il parametro DA ( dieletric absorption) deve essere ottimo. In figura 4 e' riportato un modello del condensatore di integrazione. Come si vede questo e costituito da un condensatore principale C in parallelo con un gruppo serie R'C'. Questo gruppo RC serve per modellizzare i fenomeni di relaxtion del dielettrico e da al capacitore un effetto memoria:

Figura 4: modello del capacitore d'integrazione