Ao projetar com um conversor analógico-digital (ADC), é fácil acreditar erroneamente que reduzir o sinal de entrada para atender a faixa de escala completa do ADC causará uma diminuição significativa na relação sinal-ruído (SNR )
Os projetistas de sistemas que precisam lidar com grandes oscilações de tensão estão particularmente preocupados com isso. Além disso, em comparação com ADCs alimentados por tensões mais altas, ADCs alimentados por tensões baixas (5 V ou menos) são mais diversos.
Uma fonte de tensão mais alta geralmente leva a um maior consumo de energia e a um layout de placa de circuito mais complicado (por exemplo, mais capacitores de desacoplamento são necessários).
Muitos sinais gerados por sensores ou sistemas são sinais bipolares de alta tensão (como o sinal amplamente utilizado de ± 10 V). No entanto, existem muitas maneiras simples de passar esse sinal pelo ADC; várias soluções integradas de ADC de alta tensão também podem ser usadas: ele pode lidar com esse grande sinal de entrada em escala real sem sacrificar o SNR. Essas soluções requerem uma tensão de alimentação muito alta para atender aos requisitos da faixa de entrada, e seu consumo de energia também é bastante grande (Figura 1). Esses ADCs de alta tensão também restringem a seleção de soluções de condicionamento de sinal (amplificador operacional). Se o sinal precisar ser multiplexado com uma combinação de entradas de alta e baixa tensão, o custo do sistema aumentará significativamente (Figura 2).
Você também pode usar o amplificador de entrada para dimensionar o sinal para corresponder à faixa de entrada de escala total do ADC de baixa tensão. Este circuito de condicionamento de sinal pode ser conectado a uma entrada multiplexada de forma que todos os sinais possam estar alinhados com a faixa do ADC (Figura 3).
Ao usar um amplificador para escalar a tensão do sinal, o ruído é referenciado à entrada do amplificador. Neste momento, existem duas fontes principais de ruído: o ruído de referência de entrada do próprio amplificador e o ruído de referência de entrada reduzido do ADC. Essas duas fontes de ruído são combinadas em um termo quadrático. Além disso, o ruído do amplificador também é filtrado pela largura de banda de entrada do ADC e o filtro anti-aliasing entre o amplificador e a entrada do ADC, consulte a Figura 4.
Figura 4: O amplificador de zoom introduz ruído, mas o ruído é filtrado pelo circuito RC e pela rede de entrada do ADC.
A fórmula de cálculo do SNR do sistema (terminal de entrada do amplificador) é:
Onde: VnADC é o ruído RMS de entrada do ADC; VnOPA é o ruído de referência de entrada do amplificador (X vezes a referência de entrada) = frequência de pólo único -3dB.
Dada a faixa completa do ADC, ruído de referência de entrada do ADC e fator de escala do amplificador, há duas variáveis que afetarão o objetivo da redução da perda de SNR: a frequência de corte do filtro e o ruído de referência de entrada do amplificador.
Se a fonte do sinal tiver componentes de baixa frequência, um filtro pode ser projetado para que o amplificador possa tolerar um ruído de entrada maior (o ruído de entrada mais alto geralmente está relacionado ao menor consumo de energia e custo). Se o ADC limitar a largura de banda do sistema, o amplificador precisará ter ruído de referência de entrada baixo o suficiente para controlar a perda de SNR dentro de uma faixa aceitável.
Por exemplo, dado um sinal de entrada de ± 10 V e um ADC de escala completa 5VP-P com um SNR de 92dB, o fator de escala (a razão da entrada para a faixa de escala completa) é 4. O ruído de referência de entrada do ADC em a folha de dados é 44.4 nV RMS. Assumindo que a frequência de corte do filtro é 10kHz e o ruído de referência de entrada do amplificador é 10nV / (Hz) 1/2, a perda SNR é: SNR (perda) = 0.035dB.
Se não houver filtro e a largura de banda do ADC for assumida como 10 MHz, para atingir a mesma perda de SNR, o ruído de referência de entrada necessário torna-se 0.3nV / (Hz) 1/2. Este requisito é muito estrito.
Para um ADC com a mesma largura de banda de 10 MHz, se SNR (perda) = 0.5 dB for permitido, o requisito de ruído do amplificador é 4nV / (Hz) 1/2, o que é relativamente fácil de implementar.
Portanto, se a largura de banda do sistema e a perda de SNR permitida forem fornecidas, adicionar um amplificador proporcional para converter o sinal de alta tensão em um ADC de baixa tensão na faixa de escala completa será uma solução completamente viável. Ao alimentar vários sinais com diferentes amplitudes de oscilação para um ADC de baixa tensão multiplexado, esta solução pode atingir um sistema de baixo custo.
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