Convertidor analogo-digital Sigma-Delta
Las técnicas de modulación Sigma-Delta han sido usadas muy satisfactoriamente en las aplicaciones que requieren conversión análogo digital, en las últimas dos décadas. Aunque los conceptos de Sigma-Delta existen desde la mitad del siglo, solo con los recientes avances en tecnologías VLSI ha sido posible darle un manejo adecuado al flujo de bits generado por el ADC de 1 bit.
La operación básica de un convertidor Sigma-Delta es intercambiar tasa de muestreo por resolución. Las señales son muestreadas a una tasa mucho mayor que la de Nyquist, pero con un solo bit de resolución en amplitud.
Un típico modulador Sigma-Delta es mostrado en la figura:
La señal análoga de entrada y el flujo de bits (bitstream), cuya densidad de un bit es una representación de la magnitud de la señal análoga, son sumadas. Luego son integradas y entran a un comparador el cual tiene como salida 0 o 1 dependiendo sí la salida del integrador es mayor o menor que el voltaje de referencia del comparador.
La forma más simple de entender la operación es suponer una pequeña variación de una condición, en estado estable y ver que pasa. Por ejemplo, suponer una entrada análoga positiva y el promedio del "bitstream" alto comparado con la entrada análoga, entonces la salida del sumador será negativa. Esto en el tiempo dará como resultado una salida del integrador la cual hará que el comparador de un cero como resultado. Es claro que el promedio del "bitstream" debe seguir de cerca de la señal análoga de entrada.
El comparador es simplemente un amplificador con muy alta ganancia el cual tendrá salidas de 1 o 0 dependiendo de la diferencia entre la entrada y su voltaje de referencia.
Esta configuración forma un lazo de retroalimentación negativa fuerte y de alta ganancia el cual da al ADC Sigma- Delta excelente linealidad y un error muy pequeño. Esto además minimiza los efectos del deterioro de los componentes con el tiempo, haciendo del convertidor Sigma-Delta muy estable comparado con sus primos de lazo abierto.
En la modulación Sigma –Delta la integral de la señal de entrada es codificada en lugar de la propia señal, la modulación puede ser entendida como un modulador Delta convencional precedido de una malla de integración. En la modulación Delta la señal análoga es aproximada con series de segmentos, cada segmento de la señal aproximada es comparado con la señal original para determinar si crece o decrece en amplitud; el valor de los siguientes bits está determinado por esta comparación, y solo los cambios de información son transmitidos, es decir, si no existe cambio en la comparación se seguirá transmitiendo el mismo valor (0 o 1).
El modulador Sigma – Delta descrito hasta ahora es esencialmente un ADC con solo un bit de resolución. La resolución puede ser aumentada promediando la salida del modulador, lo cual se puede lograr a través de un filtro pasabajos, seguido de un decimador el cual convierte la señal de un bit (bitstream) en una señal PCM multibit a la tasa de Nyquist.
Ventajas y Desventajas:
El precio que tiene que pagarse por la alta resolución de la tecnología Sigma – Delta siempre ha sido velocidad; el hardware tiene que operar a una tasa de sobremuestreo, mucho más alta que el ancho de banda de la señal, demandando circuitos digitales complejos. Debido a esta limitación estos convertidores han sido tradicionalmente relegados a aplicaciones de muy alta resolución y baja frecuencia, y más recientemente a audio y velocidades medias (100 KHz – 1MHz )
La mayoría de la circuiteria de los convertidores Sigma – Delta es digital. Esto implica que el rendimiento no se deteriora significativamente con el tiempo y la temperatura, además la incorporación del convertidor en un solo chip con circuiteria adicional como un DAC, microcontrolador, o DSP es posible, y su costo es bajo y decreciente.
No se requiere un circuito externo de "sample and hold" dada la alta tasa de muestreo en la entrada y la baja precisión del ADC. El requerimiento de filtros para evitar sobrelapamiento es mínimo, en la mayoría de los caso un simple filtro RC con un solo polo es suficiente. En contraste los filtros requeridos para aplicaciones de media y alta resolución usando otras tecnologías son muy sofisticados, difíciles de diseñar, grandes y costosos.
El nivel de ruido de fondo que determina el SNR es independiente del nivel de la señal. Debido a la existencia de un filtro digital después de la etapa de conversión AD, el ruido inyectado durante este proceso de conversión puede ser controlado muy efectivamente.
El convertidor al contrario de otros tipos; se comporta como un pasabajos para la señal y un pasaltos para el ruido.
Javier Villegas