ADC flash (también conocido como ADC de conversión directa ) es un tipo de convertidor analógico a digital que usa una escalera de voltaje lineal con un comparador en cada "peldaño" de la escalera para comparar el voltaje de entrada con los voltajes de referencia sucesivos. A menudo, estas escaleras de referencia están construidas con muchas resistencias ; sin embargo, las implementaciones modernas muestran que la división de tensión capacitiva también es posible. La salida de estos comparadores generalmente se alimenta a un codificador digital, que convierte las entradas en un valor binario (las salidas recopiladas de los comparadores pueden considerarse como un valor único ).
Beneficios y desventajas [ editar ]
Los convertidores de flash son extremadamente rápidos en comparación con muchos otros tipos de ADC, que generalmente reducen la respuesta "correcta" en una serie de etapas. Comparado con estos, un convertidor flash también es bastante simple y, aparte de los comparadores analógicos, solo requiere lógica para la conversión final a binario .
Para una mejor precisión, a menudo se inserta un circuito de seguimiento y retención en frente de la entrada ADC. Esto es necesario para muchos tipos de ADC (como ADC de aproximación sucesiva ), pero para los ADC flash no hay una necesidad real de esto, porque los comparadores son los dispositivos de muestreo.
Un convertidor de flash requiere una gran cantidad de comparadores en comparación con otros ADC, especialmente a medida que aumenta la precisión. Un convertidor de flash requiereComparadores para una conversión de n bits. El tamaño, el consumo de energía y el costo de todos esos comparadores hacen que los convertidores de flash generalmente no sean prácticos para precisiones mucho mayores que 8 bits (255 comparadores). En lugar de estos comparadores, la mayoría de los otros ADC sustituyen la lógica más compleja y / o los circuitos analógicos que se pueden escalar más fácilmente para una mayor precisión .
Implementación [ editar ]
Los ADC de Flash se han implementado en muchas tecnologías, que van desde tecnologías bipolaresbasadas en silicio (BJT) y FET de metal y óxido complementarias ( CMOS ) hasta tecnologías III-Vpoco utilizadas . A menudo, este tipo de ADC se utiliza como primera verificación de circuito analógico de tamaño mediano.
Las implementaciones más tempranas consistieron en una escalera de referencia de resistencias bien adaptadas conectadas a un voltaje de referencia. Cada toma en la escalera de resistencia se usa para un comparador, posiblemente precedida por una etapa de amplificación , y por lo tanto genera un 0 o 1 lógico dependiendo de si la tensión medida está por encima o por debajo de la tensión de referencia de la toma de resistencia . La razón para agregar un amplificador es doble: amplifica la diferencia de voltaje y, por lo tanto, suprime el desplazamiento del comparador, y el ruido de retroceso del comparador hacia la escala de referencia también se suprime enérgicamente. Normalmente se producen diseños de 4 bits a 6 bits y, a veces, de 7 bits.
Se han demostrado diseños con escaleras de referencia capacitivas de ahorro de energía. Además de registrar el (los) comparador (es), estos sistemas también muestrean el valor de referencia en la etapa de entrada. Como el muestreo se realiza a una velocidad muy alta, la fuga de los condensadores es despreciable.
Recientemente, la calibración de compensación se ha introducido en los diseños flash ADC. En lugar de circuitos analógicos de alta precisión (que aumentan el tamaño de los componentes para suprimir la variación) se miden y ajustan los comparadores con errores de desplazamiento relativamente grandes. Se aplica una señal de prueba y el desplazamiento de cada comparador se calibra por debajo del valor LSB del ADC.
Otra mejora de muchos ADC flash es la inclusión de la corrección digital de errores. Cuando el ADC se usa en entornos hostiles o se construye a partir de procesos de circuitos integrados muy pequeños, existe un mayor riesgo de que un solo comparador cambie aleatoriamente el estado, dando como resultado un código incorrecto. La corrección de errores de burbuja es un mecanismo de corrección digital que evita que un comparador que, por ejemplo, haya saltado alto, informe de lógica alta si está rodeado de comparadores que están informando de lógica baja.
ADC plegable [ editar ]
El número de comparadores puede reducirse un poco agregando un circuito de plegado en la parte frontal, lo que se denomina ADC de plegado . En lugar de usar los comparadores en un ADC flash solo una vez, durante una señal de entrada de rampa, el ADC plegable reutiliza los comparadores varias veces. Si se utiliza un circuito de plegado de m- veces en un ADC de n bits, el número real de comparador se puede reducir de a (Siempre hay uno necesario para detectar el rango de cruce). Los circuitos plegables típicos son el multiplicador de Gilbert y los circuitos análogos cableados o OR .
Aplicación [ editar ]
La muy alta frecuencia de muestreo de este tipo de ADC permite aplicaciones de alta frecuencia (generalmente en un rango de pocos GHz) como detección de radar , receptores de radio de banda ancha , equipos de prueba electrónicos y enlaces de comunicación óptica . Más a menudo, el ADC flash está integrado en un IC grande que contiene muchas funciones de decodificación digital.
Los ADC flash también se utilizan en la memoria flash NAND , donde se almacenan hasta 3 bits por celda a nivel de 8 voltajes en puertas flotantes.
Un diodo de retorno es un diodo conectado a través de un inductor que se usa para eliminar el retorno, que es el aumento repentino de voltaje que se ve a través de una carga inductiva cuando la corriente de suministro se reduce o interrumpe repentinamente. Se utiliza en circuitos en los que las cargas inductivas son controladas por interruptores , y en la conmutación de las fuentes de alimentación y los inversores .
Este diodo es conocido por muchos otros nombres, como diodo de retroceso, diodo amortiguador , diodo de conmutación, diodo de marcha libre, diodo de supresión, diodo de pinza o diodo de captura.
Cómo funciona [ editar ]
La figura 1 (arriba a la derecha) muestra un inductor conectado a una batería, una fuente de voltaje constante. La resistencia representa la pequeña resistencia residual de los devanados de alambre del inductor. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje de la batería se aplica al inductor, lo que hace que la corriente del terminal positivo de la batería fluya hacia abajo a través del inductor y la resistencia. [3] [4] El aumento de la corriente provoca un EMF (voltaje) inverso en el inductor debido a la ley de inducción de Faraday que se opone al cambio de corriente. Dado que el voltaje a través del inductor está limitado al voltaje de la batería de 24 voltios, la tasa de aumento de la corriente se limita a un valor inicial deDe modo que la corriente a través del inductor aumenta lentamente a medida que la energía de la batería se almacena en el campo magnético del inductor. A medida que aumenta la corriente, cae más voltaje a través de la resistencia y menos a través del inductor, hasta que la corriente alcanza un valor constante de con toda la tensión de la batería a través de la resistencia y ninguna a través de la inductancia.
Cuando se abre el interruptor (fig. 2 arriba a la derecha), la corriente cae rápidamente. El inductor resiste la caída de la corriente al desarrollar un voltaje de polaridad inducido muy grande en la dirección opuesta a la batería, positivo en el extremo inferior del inductor y negativo en el extremo superior. [3] [1] [4] Este pulso de voltaje, a veces denominado "retroceso" inductivo, que puede ser mucho mayor que el voltaje de la batería, aparece en los contactos del interruptor. Hace que los electrones salten el espacio de aire entre los contactos, causando un arco eléctrico momentáneopara desarrollar a través de los contactos cuando se abre el interruptor. El arco continúa hasta que la energía almacenada en el campo magnético del inductor se disipa como calor en el arco. El arco puede dañar los contactos del interruptor, causando picaduras y quemaduras, destruyéndolos eventualmente. Si se utiliza un transistor para cambiar la corriente, por ejemplo, al cambiar las fuentes de alimentación , la alta tensión inversa puede destruir el transistor.
Para evitar el impulso de voltaje inductivo en el apagado, se conecta un diodo a través del inductor como se muestra en la figura 3. [3] [1] [4] El diodo no conduce corriente mientras el interruptor está cerrado porque está polarizado en sentido inverso por La tensión de la batería, por lo que no interfiere con el funcionamiento normal del circuito. Sin embargo, cuando se abre el interruptor, la tensión inducida a través del inductor de polarización directa opuesta polarizaEl diodo, y conduce la corriente, limita la tensión a través del inductor y evita así que se forme un arco en el interruptor. El inductor y el diodo forman momentáneamente un circuito o circuito alimentado por la energía almacenada en el inductor. Este circuito suministra una corriente al inductor para reemplazar la corriente de la batería, por lo que la corriente del inductor no cae bruscamente y no desarrolla un alto voltaje. El voltaje a través del inductor está limitado al voltaje directo del diodo, alrededor de 0.7 - 1.5V. Esta corriente de "marcha libre" o "retroceso" a través del diodo y el inductor disminuye lentamente a cero a medida que la energía magnética en el inductor se disipa como calor en la resistencia en serie de los devanados. Esto puede llevar unos pocos milisegundos en un inductor pequeño.
Estas imágenes muestran el pico de voltaje y su eliminación mediante el uso de un diodo de retorno ( 1N4007 ). El inductor en este caso es un solenoide conectado a una fuente de alimentación de 24 VCC. Cada forma de onda se tomó usando un osciloscopio digital configurado para dispararse cuando el voltaje a través del inductor descendió bajo cero. En la Figura 1, el voltaje medido a través del interruptor rebota / aumenta hasta alrededor de -300 V. En la Figura 2, se agregó un diodo de retorno en antiparalelocon el solenoide. En lugar de aumentar a -300 V, el diodo de retorno de retorno solo permite la creación de aproximadamente -1.4 V de potencial (-1.4 V es una combinación de la polarización directa del diodo 1N4007 (1.1 V) y el pie de cableado que separa el diodo y el solenoide [ dudoso ]). La forma de onda en la Figura 2 es mucho menos hinchable que la forma de onda en la Figura 1. En ambos casos, el tiempo total de descarga del solenoide es de unos pocos milisegundos.
Diseño [ editar ]
En una selección de diodo de retorno ideal, se buscaría un diodo que tenga una capacidad de corriente directa pico muy grande (para manejar los transitorios de voltaje sin quemar el diodo), una baja caída de voltaje directo y un voltaje de ruptura inverso adecuado para la fuente de alimentación del inductor. Dependiendo de la aplicación y el equipo involucrado, algunas sobrecargas de voltaje pueden ser 10 veces más altas que la tensión de la fuente de energía, por lo que es fundamental no subestimar la energía contenida dentro de un inductor energizado. [ cita requerida ]
Cuando se usa con un relé de bobina de CC , un diodo de retorno de corriente puede ocasionar el abandono de los contactos cuando se desconecta la alimentación, debido a la continua circulación de la corriente en la bobina del relé y el diodo. Cuando la apertura rápida de los contactos es importante, se puede colocar una resistencia de bajo valor en serie con el diodo para ayudar a disipar la energía de la bobina más rápido, a expensas de un mayor voltaje en el interruptor.
Los diodos Schottky son los preferidos en las aplicaciones de diodos de retorno para los convertidores de potencia de conmutación, porque tienen la caída directa más baja (~ 0.2 V en lugar de> 0.7 V para corrientes bajas) y son capaces de responder rápidamente a la polarización inversa (cuando el inductor se está recuperando). energizado). Por lo tanto, disipan menos energía mientras transfieren energía desde el inductor a un capacitor.
Cuando se utiliza el diodo de retorno para simplemente disipar la energía inductiva, como ocurre con un solenoide o un motor, en su lugar se utilizan diodos de uso general baratos 1N540x y 1N400x . [ no en la cita dada ]
Inducción en la apertura de un contacto [ editar ]
De acuerdo con la ley de inducción de Faraday , si la corriente a través de una inductancia cambia, esta inductancia induce un voltaje, por lo que la corriente seguirá fluyendo siempre que haya energía en el campo magnético. Si la corriente solo puede fluir a través del aire, el voltaje es tan alto que el aire conduce. Es por eso que en los circuitos de conmutación mecánica, la disipación casi instantánea que se produce sin un diodo de retorno de retorno a menudo se observa como un arco a través de los contactos mecánicos de apertura. La energía se disipa en este arco principalmente como calor intenso que causa una erosión prematura indeseable de los contactos. Otra forma de disipar la energía es a través de la radiación electromagnética.
De manera similar, para una conmutación de estado sólido no mecánica (es decir, un transistor), las grandes caídas de voltaje a través de un conmutador de estado sólido no activado pueden destruir el componente en cuestión (ya sea instantáneamente o mediante un desgaste acelerado).
También se pierde algo de energía del sistema en su conjunto y del arco como un amplio espectro de radiación electromagnética, en forma de ondas de radio y luz. Estas ondas de radio pueden causar clics y pops no deseados en los receptores de radio cercanos.
Para minimizar la radiación similar a una antena de esta energía electromagnética de los cables conectados al inductor, el diodo de retorno debe estar lo más físicamente cerca posible del inductor. Este enfoque también minimiza aquellas partes del circuito que están sujetas a un alto voltaje no deseado, una buena práctica de ingeniería.
Derivación [ editar ]
El voltaje en un inductor es, por la ley de inducción electromagnética y la definición de inductancia :
Si no hay un diodo de retorno de retorno, sino solo algo con una gran resistencia (como el aire entre dos contactos de metal), digamos, R 2 , lo aproximaremos como:
Si abrimos el interruptor e ignoramos V CC y R 1 , obtenemos:
o
Observamos que la corriente disminuirá más rápido si la resistencia es alta, como con el aire.
Ahora, si abrimos el interruptor con el diodo en su lugar, solo debemos considerar L 1 , R 1 y D 1 . Para I > 0 , podemos asumir:
asi que:
cual es:
cuya solucion es:
Podemos calcular el tiempo que necesita apagar determinando para qué t es I ( t ) = 0 .
Aplicaciones [ editar ]
Los diodos de retorno de retorno se usan comúnmente cuando los dispositivos semiconductores desconectan las cargas inductivas: en los controladores de relé , en los controladores de motor de puente H , etc. Una fuente de alimentación de modo conmutado también explota este efecto, pero la energía no se disipa en calor y, en cambio, se utiliza para bombear un paquete de carga adicional en un condensador, con el fin de suministrar energía a una carga.
Cuando la carga inductiva es un relé, el diodo de retorno de retroceso puede retrasar notablemente la liberación del relé al mantener la corriente de la bobina más larga. Una resistencia en serie con el diodo hará que la corriente de circulación disminuya más rápidamente ante el inconveniente de un aumento de la tensión inversa. Un diodo Zener en serie pero con polaridad inversa con respecto al diodo de retorno de retorno tiene las mismas propiedades, aunque con un aumento de voltaje inverso fijo. En este caso, deben comprobarse los voltajes del transistor y la potencia del diodo Zener o la resistencia.
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