ADC integrato o standalone? Una scelta definitiva

Qual è la differenza tra un ADC integrato e un ADC standalone e qual è la miglior scelta per la mia applicazione?  Domanda fondamentale a cui cercheremo di dare una serie di risposte

Il presente articolo spiega in che modo le funzioni analogiche, integrate e standalone, differiscono nella progettazione e nei test e cosa ciò significhi in termini di specifiche, variazioni nel dispositivo e robustezza. Poiché la funzione analogica è una categoria molto ampia e il convertitore analogico-digitale (ADC) è al centro di qualsiasi progetto mixed signal, ci concentreremo sugli ADC per fare questa valutazione.
Gli odierni e complessi sistemi distribuiti acquisiscono e analizzano più dati analogici offrendo al contempo funzionalità di monitoraggio e diagnostica. Poiché questi sistemi diventano sempre più complessi, l'esigenza critica di misurare con precisione i segnali analogici continua ad essere in crescita. Per soddisfare al meglio questi requisiti di precisione, i progettisti spesso devono scegliere tra un convertitore analogico-digitale (ADC) integrato in un microcontroller (MCU) o un ADC standalone.
Quindi, vogliamo vedere qual è la differenza tra un ADC integrato e un ADC standalone, e qual è il migliore per la tua applicazione?

Innanzitutto, esploriamo i compromessi da affrontare in termini di prestazioni proposti dagli ADC integrati e da quelli di tipo standalone, poi potremo determinare la scelta giusta per la tua applicazione.

 

ADC integrati: Performance Trade-offs

 

Process Technology

Diamo un'occhiata all'ADC, dal punto di vista dell'ingegnere che si occupa della progettazione di un ADC integrato con circuiti integrati (IC) a semiconduttore. Poiché l'ADC è una periferica dell'MCU, un progettista di dispositivi integrati tenderà ad utilizzare un processo compatibile con l'MCU, come un processo a 28 nanometri a piccola geometria, che offre una buona densità digitale e transistor ad alta velocità per l'MCU. Sebbene il processo a geometria ridotta possa anche ridurre le dimensioni dell'ADC, ci sono compromessi significativi da valutare utilizzando questo approccio:

• Il costo relativo dell'ADC aumenterà a causa del costo sostanzialmente più elevato del processo.
• La dimensione dei componenti disponibili nel processo aumenterà il rumore intrinseco dell'ADC, in particolare il rumore termico, o rumore kT/C.
• Su un processo a geometria più piccola i condensatori più grandi utilizzati nei progetti ADC per ridurre il rumore termico rappresenteranno un vincolo di progettazione significativo (è geometricamente più difficile implementare i componenti necessari per ottenere delle prestazioni analogiche su geometrie più piccole).
• I condensatori per geometria più piccola introdurranno perdite e non linearità nel progetto.
• L'abbinamento di problemi che non sono così sotto controllo come nei processi a geometria più grande, come 90 nanometri o 180 nanometri, porterà ad una mancanza di controllo anche nel processo di fabbricazione, cui conseguiranno variazioni nelle prestazioni parametriche dell'ADC.

Un'altra delle sfide da affrontare con il processo a geometria ridotta è costituito dal rumore 1/f. Il rumore 1/f a bassa frequenza domina, e diminuisce da DC di circa un fattore di 1/SQRT (frequenza). A frequenze più elevate, il rumore bianco inizia a dominare sul rumore 1/f in un punto chiamato frequenza d'angolo, come mostrato nella Figura 1.
Se un progettista desidera migliorare le prestazioni utilizzando tecniche di compensazione digitale come la media o il sovracampionamento, deve assicurarsi che si tratti solo di valori di campionamento che contengono rumore bianco e non rumore 1/f.

Il problema per i processi a geometria più piccola rispetto a quelli a geometria più grande è che la frequenza d'angolo si sposta verso alto, in modo anche significativamente più alto. Questo è esattamente il motivo per cui le tecniche di filtraggio digitale, come la media o il sovracampionamento, non migliorano le prestazioni del sistema nei casi di sistemi con frequenze d'angolo 1/f elevate. Infatti, in alcuni esempi, le tecniche di filtraggio digitale possono ridurre le prestazioni del sistema. In breve, e in ultima analisi, i limiti del processo determineranno le prestazioni ottenibili dell'ADC.

 

IC Layout

Se l'MCU è collocato sull'IC, accanto all'ADC, le prestazioni analogiche dell'ADC saranno influenzate nei seguenti modi:

• L'MCU a commutazione rapida introdurrà rumore di commutazione e ground bounce nel circuito, soprattutto perché le dimensioni sono ridotte alla sola area di un circuito integrato, rendendo così i problemi esponenzialmente più difficili da affrontare.
• È possibile utilizzare la sincronizzazione del clock o tecniche di gestione per ridurre al minimo questi effetti, ma l'interazione delle periferiche e degli eventi asincroni avrà comunque un impatto sulle prestazioni dell'ADC.

 

Temperature

La terza insidia è uno dei peggiori nemici delle prestazioni analogiche: la temperatura. L'MCU seduto accanto all'ADC agirà come una fonte di temperatura variabile, passando dalla potenza attiva ad alta velocità (caldo) allo standby, alla sospensione o all'ibernazione (non così caldo). Questo cambiamento di temperatura fa sì che accadano brutte cose ai circuiti elettronici (specialmente ai circuiti analogici). Per ottenere prestazioni prevedibili in un ambiente a temperatura variabile nel tempo, è necessario aggiungere circuiti di compensazione della temperatura, aumentando però le dimensioni e il costo del sistema, un lusso che gli ADC integrati trovano difficile permettersi.

 

Test Cost

Gli MCU sono dispositivi digitali e, come tali, vengono testati su piattaforme di test digitali, utilizzando vettori di test digitali. La soluzione di test digitale è ottimizzata per effettuare il test dei parametri anch’essi digitali nel minor tempo possibile per ottenere il massimo volume di unità nel minor tempo possibile. Se queste piattaforme di test digitali dispongono anche di capacità di test analogici, spesso si tratta di una capacità di test analogici limitata e con basse prestazioni. Ciò rende difficile il test dei livelli di prestazioni analogiche a causa della mancanza di precisione e del rumore nella piattaforma stessa di test. Ecco perché le specifiche delle periferiche analogiche sugli MCU sono in genere "garantite dalla progettazione" o "garantite dalla caratterizzazione". Alcuni altri vincoli su questi tester sono:

• Spesso sono solo in grado di testare la funzione analogica, o ciò che sta facendo l'analogico, e spesso non hanno la capacità di testare accuratamente le prestazioni analogiche rispetto alle temperature di esercizio.
• Le limitazioni del tester limitano successivamente le specifiche delle prestazioni dell'ADC (non è possibile testare un dispositivo specificato come prestazioni dell'ADC a 12 bit da 1 MSPS se il tester ha solo una capacità di 8 bit da 100 kSPS).
• Non è pratico né consigliabile aggiungere funzionalità di test analogico di precisione ad una piattaforma di test digitale. Richiederebbe infatti un aumento di un ordine di grandezza del costo del test che, inevitabilmente, avrebbe un corrispondente aumento del costo complessivo del dispositivo.

 

ADC Standalone: Performance Trade-offs

 

Process Technology

Per l'ADC standalone, poiché l'ADC è il componente principale e l'MCU è una periferica dell'ADC, un progettista di circuiti integrati può invece scegliere di utilizzare un processo compatibile con l'ADC, come un processo a 180 nanometri, che offre componenti più grandi e ben abbinati. Tuttavia, questo processo ha un compromesso fondamentale alla base da valutare, cioè che limiterà le prestazioni del sistema.

Utilizzando un processo di geometria più ampio, il progettista non disporrà di un processo ottimizzato per l'elaborazione digitale o le comunicazioni seriali e dovrà invece fare affidamento su tecniche di progettazione e layout analogiche per garantire prestazioni digitali. Questa mancanza di densità digitale ridotta e ottimizzazione della velocità aumenterà il costo del dispositivo e le prestazioni digitali saranno limitate dai limiti stessi del processo.

 

IC Layout

Quando si tratta di gestire il rumore, un ADC standalone presenta due vantaggi rispetto all'approccio ADC integrato:

• Non ci sono altre periferiche attive sul dispositivo che influiranno sulle prestazioni analogiche.
• Il rumore di commutazione può essere gestito dato che le funzioni analogiche critiche potrebbero essere eseguite mentre il clock è silenzioso.

 

Temperature

Anche in questo caso, il peggior nemico delle prestazioni analogiche è la temperatura, ma in questo caso gli ADC standalone offrono vantaggi rispetto agli ADC integrati perché:

• Non c'è una sorgente di temperatura variabile nel tempo (come per l'MCU) accanto all'ADC.
• Poiché questo processo è compatibile con l'analogico, è possibile aggiungere facilmente circuiti analogici di compensazione della temperatura per ridurre al minimo l'impatto delle variazioni della stessa.

Test Cost

Gli ADC sono dispositivi analogici e, in quanto tali, vengono testati su piattaforme di test analogiche, utilizzando apparecchiature analogiche di precisione e, tuttavia, ciò comporta fattori che aumentano notevolmente il costo del test. A differenza delle piattaforme di test digitali, che hanno una variazione strettamente controllata tra i tester, le piattaforme di test analogiche tendono ad avere molte variazioni tra schede di carico, generatori di segnali analogici e sistemi di misurazione analogici. Ciò tende ad aumentare il costo del test a causa della necessità di calibrazione. Inoltre, per garantire le prestazioni analogiche rispetto alla temperatura, le tecniche di compensazione per i circuiti analogici spesso richiedono l'applicazione di una regolazione della temperatura al test finale per garantire una bassa deriva della temperatura stessa. 

Ora che abbiamo parlato dei compromessi del mixed signal e dell’analogico, in che modo questi influenzano l'accuratezza e la precisione?

 

Accuratezza e Precisione

Accuratezza e precisione sono due termini spesso usati in modo intercambiabile, ma hanno significati molto diversi. L'accuratezza è la capacità di una misurazione di corrispondere al valore effettivo ed è necessaria quando si cerca di misurare un valore specifico. La precisione è la capacità di una misura di essere riprodotta in modo coerente o, in altre parole, la ripetibilità di una misura. Maggiore è la precisione in una misurazione, maggiore sarà la capacità di distinguere differenze minori.

Prendiamo ad esempio una bilancia. Se 1.000 once troy d'oro vengono poste su una bilancia e vengono misurate tre volte, indicando 1.001, 1.000 e 1.000, allora si tratta di alta precisione (0,0005 once di deviazione standard) ed elevata accuratezza (errore dello 0,03% dopo la media). Se una scala diversa ottiene letture di 1,018, 1,017 e 1,018 once, si considera ancora che questa abbia un'elevata precisione (0,0005 once deviazione standard), ma la accuratezza è inferiore (errore 1,8 percento).

Quindi, cosa è più importante, l’accuratezza o la precisione? Beh, dipende dall'applicazione, ma ci sono molti casi in cui sono necessarie sia accuratezza che precisione.

 

Accuratezza

Per determinare se hai bisogno di accuratezza, è importante prima capire come viene utilizzato il sensore nella tua applicazione. Consideriamo un esempio di misurazione della temperatura utilizzando il termistore di tipo Negative Temperature Coefficient (NTC). La prima cosa che risalta nel grafico della resistenza in funzione della temperatura dell'NTC è la non linearità del dispositivo, come mostrato in figura 2.

 

 

 

Se un progettista deve solo misurare l'NTC a temperature più basse di quella ambiente, può utilizzare un ADC a risoluzione inferiore. Se si devono effettuare misure nell'intero intervallo di temperature, si devono prendere in considerazione le condizioni peggiori a temperature ambiente più elevate e utilizzare quindi un ADC a risoluzione molto più elevata.

Per equipararlo all'accuratezza del sistema, si deve definire l'intervallo di temperatura e calcolare quanta accuratezza nella temperatura è necessaria in quell'intervallo. L'intervallo di temperatura verrebbe convertito in un intervallo di tensione di input analogica per l'ADC e l'accuratezza sarebbe in quel caso la più piccola deviazione misurata rispetto all'ingresso analogico che l'applicazione potrebbe tollerare.

 

Precisione

Ora prendiamo in considerazione la precisione. Idealmente, la precisione deve essere migliore dell'accuratezza. Se venisse utilizzata una lettura della temperatura nel circuito di retroazione di un sistema, il circuito di retroazione dovrebbe essere molto stabile. Se la precisione fosse peggiore dell'accuratezza, il ciclo di feedback potrebbe infatti diventare instabile.

 

Misure ADC di Accuratezza e Precisione

Le specifiche importanti dell'ADC che influiscono sulla precisione sono:  non linearità integrale, non linearità differenziale, offset, la deriva offset, guadagno deriva di guadagno. Per determinare l'accuratezza, è necessario valutare i contributi di queste fonti di errore. Allo stesso modo, la precisione è definita dal termine Effective Number of Bits (ENOB). Questo ti dice la deviazione che leggerai in una serie di letture ADC dalla media effettiva. In altre parole, il 68,3 percento (o una deviazione standard dalla media) delle letture ADC effettuate rientrerà nell'intervallo definito da ENOB. 
A questo punto, per illustrare meglio, torniamo per un attimo all’esempio dell’NTC

Immaginiamo che l'uscita dell'NTC sia calibrata per essere lineare sull'intero intervallo di temperatura per fornire 0V a -40°C e 2,5V a +85°C, e che si voglia misurare con una accuratezza pari a 1°C. Una accuratezza di 1°C su un intervallo di 125 °C corrisponde allo 0,8% di accuratezza su quell'intervallo. Supponendo di avere un ADC a 12-bit con errore totale LSB pari a 1 ed un intervallo di ingresso di 2,5 V, ci si può aspettare che la accuratezza della misurazione dall'ADC sia 1/4096 o 0,024% o 2,5 V/4096 bit o 610 µV/bit, che è 33 volte la accuratezza necessaria. Pertanto, in teoria, un ADC a 12 bit dovrebbe avere una accuratezza sufficiente per soddisfare questi requisiti.

Ora diamo un'occhiata più da vicino ad un esempio di ADC integrato a 12 bit e 400 kSPS all'interno di un MCU appena rilasciato.

Nella sua scheda tecnica, il Total Unadjusted Error (TUE) è specificato come ±1,8% da -40 °C a +85 °C. Un ADC a 6 bit con errore totale LSB pari a 1 fornisce una precisione dell'1,6%, quindi cosa è successo agli altri 6 bit sull'ADC a 12 bit? Non solo, ma l'errore può anche essere positivo o negativo, quindi può esserci una variazione del 3,6% o 90 mV nelle letture dall'ADC. In questo caso, il grande errore di guadagno sulla temperatura contribuisce pesantemente alla ridotta accuratezza. Questo grande errore di accuratezza è un sottoprodotto delle limitazioni intrinseche alla tecnologia di processo. In effetti, si deve prestare molta attenzione quando si leggono i datasheet per gli ADC integrati. In alcuni casi, la scheda tecnica per l'ADC integrato specifica solo le prestazioni dell'ADC utilizzato con un riferimento di tensione esterno a causa del rumore, della deriva e delle scarse prestazioni del riferimento di tensione integrato, che vanifica lo scopo di utilizzare componenti analogici integrati. Pertanto, la precisione dell'ADC integrato non è sufficiente in questo caso a soddisfare il nostro requisito iniziale, che era dello 0,8%.

Quindi, cosa possiamo dire della precisione dell'ADC integrato? Guardando le specifiche di precisione, l'ENOB è 11,1 bit, il che si traduce in una risoluzione di circa 1,1 mV sul segnale di ingresso analogico a 2,5V. La precisione è circa 80 volte migliore della sua accuratezza. Il risultato è che l'ADC integrato ha un errore di 90,7 mV e una precisione di circa 1,1 mV rms.  L’accuratezza dell'ADC integrato può essere migliorata utilizzando un riferimento esterno ma, a causa di come viene specificato l'ADC, non è noto quanto il riferimento esterno migliorerà le prestazioni in termini di accuratezza.

Di seguito, esaminiamo un ADC standalone, come l’MCP33141-10 di Microchip Technology.

Osservando la accuratezza di questo ADC a 12 bit, 1 MSPS, si deve calcolare il TUE e fare un confronto con l'ADC integrato. Il TUE nell'intervallo di temperatura da -40 °C a +125 °C equivale a ±0,06%. Questa è una accuratezza 30 volte migliore rispetto all'ADC integrato e copre un intervallo di temperatura più esteso. In termini di precisione, l'ADC standalone ha un ENOB di 11,8 bit, quindi in questo esempio la precisione dell'ADC autonomo è circa 4 volte migliore della sua accuratezza. Il risultato è che l'ADC standalone ha un errore di 2,9 mV e una precisione di circa 0,7 mV rms.

 

 

In questo confronto, la precisione di un ADC integrato e di uno standalone sono molto vicine. Tuttavia, anche se l'ADC integrato in effetti era preciso, non avrebbe mai potuto raggiungere il requisito di accuratezza dell'1%. Solo l'ADC standalone può soddisfare il requisito di accuratezza di 1 °C o 0,8% nell’intervallo di temperature di esercizio per un sensore di temperatura NTC.

 

Considerazioni Sistemiche per Accuratezza e Precisione

Il problema nel guardare solo alla precisione dell'ADC è che così non si prende in considerazione le variabili nel sistema o nei sistemi in cui viene utilizzato l'ADC. Se l'ADC è accurato e preciso, l'output dell'ADC sarà coerente su tutti i dispositivi e tutte le condizioni, un risultato migliore rispetto all'essere coerenti solo per un determinato dispositivo o una data condizione.

Pertanto, se non sono necessarie accuratezza o congruenza da sistema a sistema o in tutte le condizioni necessarie per il funzionamento di un sistema, i vantaggi derivanti dall'utilizzo di un ADC integrato sono minori complessità, dimensioni e prezzo. La complessità sarà inferiore con un ADC integrato poiché non sarà necessario sviluppare software per l'interfacciamento con un ADC esterno, né sarà necessario tenere conto del posizionamento e del routing dei segnali analogici e digitali da e verso l'ADC.    L'integrazione dell'ADC con l'MCU significa anche che l'ingombro complessivo della scheda sarà inferiore. Inoltre, il prezzo di un MCU con un ADC integrato è generalmente inferiore al prezzo combinato di un MCU e di un ADC standalone.

Tuttavia, se sono necessarie precisione, accuratezza e coerenza da sistema a sistema o in tutte le condizioni di cui un sistema ha bisogno per funzionare, si dovrà prestare molta attenzione nella scelta dell'ADC. Non essere il tu progettista che cade nella trappola di credere che la variazione del dispositivo sarà piccola e che le tecniche di compensazione digitale possono essere utilizzate per compensare l'inaccuratezza o le prestazioni analogiche incoerenti. Tieni presente che le tecniche di compensazione digitale potrebbero potenzialmente ridurre l'accuratezza del sistema ma aumentandone la complessità a causa delle limitazioni intrinseche del processo.

Inoltre, assicurati che l'ADC e il riferimento di tensione specifichino non solo l’accuratezza, ma anche l’accuratezza in riferimento alla temperatura. Se l'ADC non specifica l’accuratezza sulla temperatura, allora è alto il rischio che le variazioni di processo, produzione, test e temperatura vengano visualizzate come errori nel sistema. Ancora peggio, queste variazioni non saranno deterministiche. Un dispositivo potrebbe avere una deriva significativa del guadagno positivo mentre un altro dispositivo potrebbe avere una deriva significativa del guadagno negativo.

Queste ampie variazioni possono portare all'instabilità del sistema. Quando si decide tra un ADC integrato e un ADC standalone, è semplicemente una scelta tra costo, accuratezza e coerenza delle prestazioni. Una volta definita l'accuratezza o la coerenza delle prestazioni necessarie, è possibile procedere ed effettuare facilmente la selezione.