Respecto de las calibraciones de SLab

Este es un breve artículo sobre cuánto se puede confiar en las calibraciones de los DAC en el sistema SLab.

Observando el comando CurveVV de trazado de curvas entrada salida de tensión del módulo DC, se observa que se puede usar la configuración básica que usa DAC1 y ADC1:

 

O también se puede usar una configuración alternativa que usa DAC1, ADC1 y ADC2:

Si la operación DAC1 se ha calibrado adecuadamente, uno puede preguntarse por qué es necesario tomar medidas en Vi usando ADC2.

Bien, la verdad es que no siempre se puede confiar en las calibraciones de los DAC porque pueden depender de la carga aplicada a sus nodos. Los circuitos de los drivers de los DAC, se basan en amplificadores operacionales seguidores o amplificadores no inversores:

  

Los operacionales están limitados en las corrientes que pueden entregar. Ello no afecta a los ADC porque no toman corriente en los nodos que miden, pero si afecta a los DAC que ven la carga asociada a los nodos en los que fuerzan una tensión.

La siguiente figura muestra un circuito de prueba para las capacidades de carga de salida de los DAC. DAC 1 está conectado a ADC1 y a una resistencia R con conexión a tierra.

La siguiente figura muestra las lecturas de ADC en función de los valores de DAC establecidos, para diferentes valores de la resistencia R. Puede se puede ver, el valor programado en el DAC proporciona la tensión adecuada al nodo para resistencias de 10k o más. Para cargas más bajas hay una degradación que aumenta a voltajes más altos. Para una carga de 100 ohmios, el voltaje solo alcanza aproximadamente 1.5 voltios con cierta degradación antes de llegar a este punto.

¿Era de esperar este comportamiento? Bien, la hoja de datos del opamp MCP6002 muestra las siguientes corrientes máximas de cortocircuito:

A 3.3V y 25ºC, la corriente de cortocircuito es de aproximadamente 15 mA. Para una carga de 100 ohmios, por tanto, la tensión máxima será de 1.5 V. Este es el resultado que se muestra en las curvas obtenidas.
Para una resistencia de 1k, el límite de voltaje debe ser de 15 V, pero vemos cierta degradación antes de alcanzar el límite de 3.3V. ¿Porqué es así?

El límite en este caso es el margen de tensión a las alimentaciones. El MCP6002 es un opamp full rail. Ello significa que deben poder alcanzar ambos raíles de alimentación en el voltage de salida. En la práctica, sin embargo, ningún opamp puede ser realmente full rail. Es siempre necesario disponer de alguna diferencia de voltaje entre la salida y las alimentaciones para mantener la corriente de salida. Esta diferencia mínima de voltaje a las alimentaciones se define como voltage headroom. La siguiente figura, tomada de la hoja de datos de opamp, muestra este parámetro para nuestro opamp.

En nuestro caso, para alcanzar 3.3V usando una resistencia de 1k, necesitamos proporcionar 3.3mA. De la curva anterior, podemos ver que necesitamos un margen de aproximadamente 100 mV para mantener esta corriente. Por tanto, no podemos alcanzar los 3.2V y eso es lo que estamos viendo en nuestras mediciones.

El mismo experimento se puede realizar para cargas conectadas a Vdd.

Como es posible imaginar, la degradación será, en este caso, en los voltajes bajos, cuando el opamp necesita drenar más corriente.

Para una corriente de cortocircuito especificada de 15 mA, la caída máxima de voltaje a Vcc será de 1.5 V con una carga de 100 Ohm. Como Vdd es 3.3 V, se obtiene un voltaje mínimo de 1.8 V respecto a la refencia. Más o menos lo que estamos midiendo.
El margen de voltaje también explica por qué no podemos alcanzar el límite de 0V con una carga de 1k.

Eso es todo de momento. Cuando se fuerzan voltajes utilizando SLab o cualquier otro instrumento como una fuente de alimentación o un generador de funciones, siempre hay límites para la carga se puede sorpotar.
Si no se está seguro de que no habrá problemas de carga, es una buena idea medir el valor de voltaje REAL en el nodo en lugar de confiar en el voltaje seleccionado en el instrumento.

En el caso particular del comando CurveVV, el uso de ADC 2 en el nodo forzado por DAC 1 garantiza que las curvas finales obtenidas relacionan la entrada de voltaje REAL con la tensión de salida en el circuito.