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Quando si progetta con un convertitore analogico-digitale (ADC), è facile credere erroneamente che la riduzione del segnale di ingresso per soddisfare l'intervallo di fondo scala dell'ADC provocherà una significativa diminuzione del rapporto segnale-rumore (SNR ).
I progettisti di sistemi che devono affrontare ampie oscillazioni di tensione sono particolarmente preoccupati per questo. Inoltre, rispetto agli ADC alimentati da tensioni più elevate, gli ADC alimentati da basse tensioni (5V o inferiori) sono più diversificati.
Un'alimentazione di tensione più elevata di solito comporta un maggiore consumo di energia e un layout più complicato del circuito (ad esempio, sono necessari più condensatori di disaccoppiamento).
Molti segnali generati da sensori o sistemi sono segnali bipolari ad alta tensione (come il segnale ±10V ampiamente utilizzato). Tuttavia, ci sono molti modi semplici per far passare questo segnale attraverso l'ADC; è inoltre possibile utilizzare varie soluzioni ADC integrate ad alta tensione: è in grado di gestire questo ampio segnale di ingresso a fondo scala senza sacrificare l'SNR. Queste soluzioni richiedono una tensione di alimentazione molto elevata per soddisfare i requisiti del range di ingresso e anche il loro consumo energetico è piuttosto elevato (Figura 1). Questi ADC ad alta tensione restringono anche la selezione di soluzioni di condizionamento del segnale (amplificatore operazionale). Se il segnale deve essere multiplexato con una combinazione di ingressi ad alta e bassa tensione, il costo del sistema aumenterà in modo significativo (Figura 2).
È inoltre possibile utilizzare l'amplificatore di ingresso per ridimensionare il segnale in modo che corrisponda all'intervallo di ingresso a fondo scala dell'ADC a bassa tensione. Questo circuito di condizionamento del segnale può essere collegato a un ingresso multiplexato in modo che tutti i segnali possano essere in linea con la gamma dell'ADC (Figura 3).
Quando si utilizza un amplificatore per il ridimensionamento della tensione del segnale, il rumore è riferito all'ingresso dell'amplificatore. In questo momento, ci sono due principali sorgenti di rumore: il rumore di riferimento in ingresso dell'amplificatore stesso e il rumore di riferimento in ingresso ridotto dell'ADC. Queste due sorgenti di rumore sono combinate in un termine quadratico. Inoltre, il rumore dell'amplificatore viene filtrato anche dalla larghezza di banda di ingresso dell'ADC e dal filtro anti-aliasing tra l'amplificatore e l'ingresso ADC, vedere la Figura 4.
Figura 4: L'amplificatore zoom introduce rumore, ma il rumore viene filtrato dal circuito RC e dalla rete di ingresso dell'ADC.
La formula di calcolo del sistema SNR (terminale di ingresso dell'amplificatore) è:
Dove: VnADC è il rumore RMS in ingresso dell'ADC; VnOPA è il rumore di riferimento in ingresso dell'amplificatore (X volte il riferimento in ingresso) = frequenza unipolare -3dB.
Data la gamma a fondo scala dell'ADC, del rumore di riferimento in ingresso dell'ADC e del fattore di scala dell'amplificatore, ci sono due variabili che influenzeranno l'obiettivo della riduzione della perdita SNR: la frequenza di taglio del filtro e il rumore di riferimento in ingresso dell'amplificatore.
Se la sorgente del segnale ha componenti a bassa frequenza, è possibile progettare un filtro in modo che l'amplificatore possa tollerare un rumore di ingresso maggiore (un rumore di ingresso più elevato è solitamente correlato a un consumo energetico e a un costo inferiori). Se l'ADC limita la larghezza di banda del sistema, l'amplificatore deve avere un rumore di riferimento in ingresso sufficientemente basso per controllare la perdita SNR entro un intervallo accettabile.
Ad esempio, dato un segnale di ingresso ±10V e un ADC a fondo scala 5VP-P con un SNR di 92dB, il fattore di scala (il rapporto tra l'ingresso e l'intervallo a fondo scala) è 4. Il rumore di riferimento in ingresso dell'ADC in la scheda tecnica è 44.4 nV RMS. Supponendo che la frequenza di taglio del filtro sia 10kHz e il rumore di riferimento in ingresso dell'amplificatore sia 10nV/ (Hz) 1/2, la perdita SNR è: SNR(loss)=0.035dB.
Se non è presente alcun filtro e si presume che la larghezza di banda dell'ADC sia 10 MHz, per ottenere la stessa perdita SNR, il rumore di riferimento in ingresso richiesto diventa 0.3 nV/(Hz) 1/2. Questo requisito è molto rigoroso.
Per un ADC con la stessa larghezza di banda di 10 MHz, se è consentito SNR (perdita) = 0.5 dB, il requisito di rumore dell'amplificatore è 4 nV/(Hz) 1/2, che è relativamente facile da implementare.
Pertanto, se vengono fornite la larghezza di banda del sistema e la perdita SNR ammissibile, l'aggiunta di un amplificatore proporzionale per convertire il segnale ad alta tensione in un ADC a bassa tensione nell'intervallo di fondo scala sarà una soluzione completamente fattibile. Quando si alimentano più segnali con diverse ampiezze di oscillazione a un ADC multiplex a bassa tensione, questa soluzione può ottenere un sistema conveniente.
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