INTRODUCCIÓN

Implementación Electrónica de una Arquitectura Original de un Modulador Sigma-Delta con un Cuantizador PWM embebido

Introducción El propósito de este proyecto es el estudio y posterior implementación de un Modulador Sigma-Delta con un cuantizador PWM embebido, con idea de una posible utilización en el diseño de un Convertidor Analógico/Digital. El modulador se diseñará utilizando una arquitectura original, derivada de la Modulación Sigma-Delta, a la que llamaremos Modulación Sigma-Delta de Tiempo Continuo con Modulación por Ancho de Pulso incorporada, debido a que utilizaremos un cuantizador PWM embebido en el bucle característico de los moduladores Sigma-Delta en lugar del habitual cuantizador multibit. En la fase de implementación se pretende construir el prototipo con componentes discretos de forma que se cumplan unas especificaciones semejantes a las que tienen otros convertidores existentes; esto es, proporcionar una conversión con 11 bits efectivos y un ancho de banda de la señal a convertir de, aproximadamente, 300 Hz. Hasta el momento, para la conversión de datos se ha utilizado de manera muy extendida la Modulación Sigma-Delta [1]. La señal a convertir es muestreada y digitalizada usando un cuantizador insertado en un bucle de realimentación. A pesar de que la resolución del cuantizador no tiene que ser demasiado elevada, el modulador completo puede alcanzar una alta resolución utilizando técnicas de sobremuestreo (oversampling) y de modulación de ruido (noise-shaping). Otros algoritmos de modulación, como la Modulación por Ancho de Pulsos (PW Modulation), han sido ampliamente utilizados para Convertidores de Potencia [2] y Amplificadores Clase D [3],[4]. En un modulador PW ideal, una señal DC es convertida en un tren de pulsos de anchura variable con el mismo valor medio. En ondas sinusoidales u otro tipo de ondas variables en el tiempo, también pueden modular la anchura de pulso de la señal portadora. Si la frecuencia de la portadora es mucho mayor que la frecuencia máxima de la señal de entrada, ésta se puede reconstruir mediante un filtro paso-bajo obteniendo una Relación Señal-(Ruido+Distorsión), SNDR, elevada. En nuestro diseño, vamos a utilizar un Modulador Sigma-Delta con Modulación por Ancho de Pulso incorporada (PW-SD Modulation). La diferencia fundamental entre ésta modulación y la tradicional PWM es que, en la clásica, la frecuencia de la onda rectangular es constante y la información está contenida en la longitud del ciclo de trabajo (tiempo que está a nivel alto); mientras que en la que nosotros vamos a utilizar, la frecuencia depende de la señal de entrada y la información se encuentra también contenida en dicha frecuencia (y no sólo en el ciclo de trabajo). No obstante, ambos moduladores presentan prestaciones similares cuando la frecuencia de la portadora en la modulación PW es igual a la frecuencia máxima en la modulación PW-SD. La Modulación Sigma-Delta es fundamentalmente una modulación digital, debido a la existencia del cuantizador, mientras que la Modulación PW-SD es analógica. Esto se debe a que, en ésta última, se sustituye el cuantizador por un comparador con histéresis. Con esta arquitectura, se reduce el ruido asociado a la cuantización y se mejora la SNDR.

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Los métodos de sobremuestreo pueden proporcionar una resolución elevada incluso aunque se utilicen componentes analógicos relativamente imprecisos [1]. Incrementar la frecuencia de muestreo puede, al menos en teoría, incrementar casi indefinidamente la resolución en aplicaciones de baja frecuencia. De cualquier forma, los transistores de alta frecuencia conllevan mayor densidad de ruido a baja frecuencia que los de baja frecuencia, por lo que este ruido será el que limite las prestaciones del convertidor. Es por esto que a pesar de que están disponibles tecnologías de muy alta frecuencia, sigue siendo un incentivo la búsqueda de reducir el sobremuestreo y, con ello, atenuar el ruido del circuito a baja frecuencia y extender el rango de la señal. Una diferencia importante entre los convertidores tradicionales y los de sobremuestreo se encuentra en su comportamiento. En los convertidores tradicionales, existe una correspondencia uno-a-uno entre los valores de las muestras de entrada y salida, y, a partir de ahí, se puede describir su precisión comparando dichas muestras. Por el contrario, no existe una relación similar en los convertidores de sobremuestreo, y a cada muestra de un valor de entrada le corresponde un tren de muestras de salida. De esta forma, para describir el comportamiento de los convertidores de sobremuestreo resulta interesante medir su ruido rms en diferentes condiciones, la distorsión introducida en señales sinusoidales, y su respuesta en frecuencia; y es muy importante en su diseño, el cálculo del ruido de modulación y su densidad espectral. El hecho de utilizar en el diseño de un Convertidor Analógico/Digital un Modulador PW-SD junto con la aplicación de técnicas de sobremuestreo, permitirá proporcionar altas prestaciones que satisfagan las especificaciones iniciales.

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