Principes de base analogiques – 1re partie : convertisseurs analogique-numérique à registre d'approximations successives

Note de l'éditeur : Les convertisseurs analogique-numérique (CAN) connectent le monde analogique au monde numérique et sont donc un élément fondamental de tout système électronique qui se connecte au monde réel. Ils sont également un facteur déterminant quant aux performances d'un système. Cette série explore les principes fondamentaux des CAN, leurs différents types et leur application. Cette première partie aborde les CAN à registre d'approximations successives (SAR). Dans la deuxième partie, nous nous intéresserons aux convertisseurs Delta-Sigma (ΔƩ).

Le monde dans lequel nous vivons reste analogique, et il faut donc une conversion pour faire passer les informations détectées dans le domaine numérique. Cette lourde tâche est principalement réservée au convertisseur analogique-numérique (CAN). Au fil des années, trois topologies de CAN se sont imposées : registre d'approximations successives (SAR), Sigma-Delta (S-D) et CAN pipeline. Ces trois topologies de CAN sont profondément différentes afin de fonctionner à des plages de fréquences différentes pour prendre en charge toutes les applications, des capteurs basse fréquence aux lidars ou communications satellites à plus haute fréquence, et bien plus encore.

Le CAN SAR a été le premier convertisseur à se généraliser. Au fil du temps, cette topologie de convertisseur est apparue dans une variété d'applications, notamment le contrôle de processus, les applications médicales et les premiers systèmes audio numériques. Ces applications tirent parti des plages de conversion de sortie du CAN SAR de 8 bits à 20 bits. Toutefois, la renommée du CAN SAR provient de sa capacité à capturer un instantané du signal d'entrée analogique et à utiliser plusieurs instantanés du signal pour fournir un aperçu au fil du temps.

Cet article décrit brièvement la chaîne de signaux qui entoure le CAN SAR. Il approfondit ensuite la topologie du CAN avec une analyse de l'étage d'entrée fondamental qui est responsable de l'action instantanée du CAN. L'article présente ensuite des exemples de solutions CAN SAR (l'AD7625BCPZ et l'AD4020BCPZ-RL7 d'Analog Devices) en se concentrant sur les mécaniques de conversion analogique-numérique internes de l'ADC4020BCPZ-RL7. Les spécifications clés d'un système d'acquisition de données approprié sont également fournies.

La chaîne de signaux analogiques du CAN SAR

Le CAN SAR apparaît dans des systèmes tels que les équipements de tests automatiques, l'automatisation des machines, les équipements médicaux et l'acquisition de données de précision. Dans toutes les applications CAN SAR, il y a un signal analogique qui exige une représentation numérique avec une résolution modeste de 8 à 20 bits et un échantillonnage de CC à 15 méga-échantillons par seconde (Méch./s) (au moment de la rédaction de cet article).

Le CAN SAR peut parfaitement fonctionner sans chaîne de signaux de circuit d'entrée analogique (AFE). Cependant, si le travail du concepteur consiste également à présenter un signal au circuit d'entrée du CAN SAR, il est probable qu'une certaine mise en forme des signaux soit nécessaire (Figure 1).

Figure 1 : Cet exemple de chaîne de signaux CAN SAR inclut un détecteur de rayons X, un circuit d'entrée analogique, un circuit d'attaque d'amplificateur, un convertisseur AD7625BCPZ de 6 Méch./s d'Analog Devices et un récepteur numérique pour les résultats de conversion (FPGA). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la figure, une source de rayons X envoie un signal au détecteur de rayons X à travers les bagages. Le rôle du dispositif à rayons X est de construire une image complète des bagages en peu de temps afin de réduire la frustration du voyageur.

Le circuit d'entrée prend le signal du détecteur et effectue des fonctions de mise en forme, comme le gain analogique et le décalage du niveau. Le signal est ensuite présenté au CAN SAR, ici l'AD7625BCPZ d'Analog Devices.

L'amplificateur qui précède le CAN SAR fournit la stabilité appropriée, généralement grâce à un filtre passe-bas de premier ordre entre l'amplificateur et le CAN SAR. Le CAN SAR est capable d'échantillonner jusqu'à 6 Méch./s, soit un échantillon toutes les 167 nanosecondes (ns), pour permettre de multiple instantanés en peu de temps.

Cœur de l'étage d'entrée du CAN SAR simplifié

Le CAN SAR a bénéficié de nombreuses améliorations au fil du temps, mais dans tous les cas, l'activité principale pendant la période de conversion est la redistribution de charge (l'une des implémentations les plus courantes du CAN à approximations successives). De plus, le CAN SAR présente l'avantage d'avoir une latence nulle, contrairement aux convertisseurs pipelines et S-D.

Au niveau le plus simple, il est facile de voir où se produit l'instantané du signal. Le cœur de l'entrée du CAN SAR contient un commutateur d'acquisition de signal d'entrée (S₁), un ensemble de condensateurs, un commutateur de conversion (S_C) et une tension de référence interne (½ V_REF) (Figure 2).

Figure 2 : Amplificateur opérationnel avec filtre de stabilisation de sortie commandant un CAN SAR. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le fonctionnement du cœur du CAN SAR est le suivant :

1. S₁ s'ouvre, S_C se ferme : cela déconnecte l'étage d'entrée de la source du signal analogique.
2. La charge au niveau de C est réétalonnée par ½ V_REF. Ce réétalonnage remet le CAN SAR à zéro.
3. Puis S₁ se ferme et S_C s'ouvre : le dispositif est alors connecté au signal analogique d'entrée.
4. Le CAN SAR acquiert le signal d'entrée, V_S, pendant un temps d'acquisition prédéterminé. Ce temps d'acquisition tient compte du bruit de commutation S₁ et S_C et de l'exposition soudaine de l'amplificateur à la charge du condensateur et au bruit de commutation.
5. Ensuite, S₁ s'ouvre : il s'agit de l'instance exacte où l'instantané du signal se produit.
6. Le CAN SAR convertit le signal à V_C en représentation numérique. Le temps nécessaire à cette opération s'appelle le « temps de conversion ».

Détails du cœur de l'étage d'entrée du CAN SAR

Le cœur de conversion s'occupe de la redistribution de charge du signal capturé à V_C. L'orchestration de la redistribution de charge du convertisseur se produit dans le cœur, avec déclenchement par l'horloge. À partir de ce processus, chaque code de sortie numérique cadencé arrive à la sortie DOUT du CAN SAR (Figure 3).

Figure 3 : Un rideau CAN SAR 4 bits possède un ensemble complet de condensateurs pondérés numériquement : 16C, 8C, 4C, 2C et deux C. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Pour commencer la conversion, l'algorithme du CAN SAR détermine le bit le plus significatif (MSB). Le CAN SAR commence à tester l'amplitude du signal par rapport à ½ V_REF en commutant la partie inférieure du condensateur 16C entre les entrées du comparateur V- et V_REF. La comparaison suivante dans la ligne de conversion du CAN SAR consiste à tester 8C (non illustré) par rapport à ½ V_REF, avant de tester 4C, etc.

Détails de la conversion de la sortie du CAN SAR

La décision MSB est immédiatement transmise via la broche DOUT, et le commutateur MSB reste bloqué pendant la prise de décision MSB 1. Le CAN SAR utilise cet algorithme jusqu'à la sélection finale du bit le moins significatif (LSB) (Figure 4).

Figure 4 : Le CAN SAR 4 bits cadence l'algorithme de conversion via des décisions binaires et transmet ces décisions par l'intermédiaire de la broche DOUT (voir la Figure 3). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la Figure 4, les décisions binaires cadencées du CAN SAR sont prises du bit le plus significatif au bit le moins significatif. Toutes les données de conversion continuent à être immédiatement cadencées via DOUT en haut à droite de la Figure 3. Un temps de cycle complet nécessite généralement un temps suffisant pour l'acquisition du signal et un cycle d'horloge pour chaque bit.

Défis de conversion du CAN SAR

Le concepteur doit être conscient des délais de stabilisation du signal requis pour garantir la capture de la valeur analogique correcte de la conversion (Figure 5).

Figure 5 : Schéma de la temporisation de conversion d'un CNA SAR 12 bits. Chaque conversion complète requiert 16 horloges. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

À la Figure 5, le signal d'entrée (V_C) n'a pas atteint sa tension finale souhaitée avant l'ouverture du commutateur d'entrée du convertisseur. Dans ce cas, le concepteur du circuit a mal calculé le temps de stabilisation du signal d'entrée de l'amplificateur.

Le CAN SAR 20 bits, 1,8 Méch./s AD4020BCPZ-RL7 réduit la complexité d'acquisition du signal en offrant une phase d'acquisition étendue, tout en maintenant le débit. Il présente un faible rapport signal/bruit (SNR) de 100,5 dB.

Fonction de transfert du CAN SAR

Le nombre de codes possibles pour les CAN est égal à 2^N, où N est le nombre de bits. Par exemple, un convertisseur 4 bits dispose de 2⁴ ou 16 codes distincts (Figure 6).

Figure 6 : La fonction de transfert (graphique du code de sortie numérique par rapport à la tension d'entrée analogique d'un CAN SAR 4 bits idéal) doit être une ligne droite. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Fournir un aperçu

Le débit du CAN SAR inclut le temps d'acquisition et le temps de conversion pour atteindre des taux de 1,8 Méch./s à une résolution de 20 bits avec l'AD4020BCPZ-RL7 d'Analog Devices. Grâce à la vitesse de l'AD4020BCPZ-RL7, il est possible d'acquérir plusieurs instantanés et de créer une solution de rendu d'image numérique pour l'automatisation des machines et les équipements médicaux.

Conclusion

Utilisé dans les applications s'étendant du contrôle de processus au secteur médical et au domaine grand public, le CAN SAR continue de démontrer sa valeur grâce à sa capacité de capture instantanée du signal et à l'amélioration constante de sa résolution et de sa vitesse. Le CAN SAR offre à l'heure actuelle des résolutions de 8 bits à 20 bits, avec des débits jusqu'à 15 Méch./s. Par exemple, l'AD4020BCPZ-RL d'Analog Devices offre un faible bruit, une haute vitesse et une précision de 20 bits, 1,8 Méch./s. Cependant, l'architecture du convertisseur CAN SAR n'est pas encore finalisée. Il faut s'attendre à d'autres évolutions.