Principes de base analogiques - 3e partie : présentation et utilisation des CAN pipelines

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. La 1re partie traite des CAN SAR et la 2e partie des convertisseurs delta-sigma (ΔƩ) ; ici, la 3e partie explore les caractéristiques, les fonctionnalités et l'utilisation des CAN pipelines. La 4e partie montre comment les CAN delta-sigma peuvent générer des résultats de bruit ultrafaible. La 5e partie explore les problèmes de commande d'entrée complexes pour les CAN SAR.

Certaines des applications desservies par les CAN sont les stations de base d'infrastructures cellulaires multiporteuses ultra-haute vitesse, les télécommunications, les observations de prédistorsions numériques et les récepteurs de backhaul — toutes ces applications exigeant des CAN qui échantillonnent dans la région du giga-échantillon par seconde. La 1re partie et la 2e partie de cette série sur les principes de base analogiques traitent respectivement des CAN à registre d'approximations successives (SAR) et delta-sigma (ΔƩ) et de la manière de les appliquer dans les applications appropriées. Cependant, aucune de ces deux technologies n'est à la hauteur du défi que représente la production de résultats en giga-échantillons par seconde (Géch./s).

Par exemple, le CAN SAR utilise un algorithme de « snapshot » et sa vitesse est donc limitée à 10 méga-échantillons par seconde (Méch./s) en raison de son approche en série. Dans le cas de l'algorithme de suréchantillonnage du CAN ΔƩ haute résolution, un temps supplémentaire est requis pour acquérir et moyenner plusieurs échantillons qui créent des débits de données de sortie de 24 bits jusqu'à 5 mégahertz (MHz). Les fréquences Géch./s sont profondément en dehors de la plage de fréquences d'échantillonnage des CAN SAR et ΔƩ. 

La solution à ce défi de CAN ultra-haute vitesse est un CAN pipeline qui traite plusieurs échantillons tout en envoyant des données à sa sortie à des vitesses Géch./s.

Cet article compare brièvement les CAN ΔƩ, SAR et pipelines, étudie les problèmes liés à l'obtention de sorties de convertisseur haute vitesse et montre pourquoi les CAN pipelines constituent une excellente alternative pour ces applications haute vitesse. Il présente ensuite deux CAN pipelines de Texas Instruments — l'un mettant l'accent sur la précision, l'autre sur la vitesse élevée — et montre comment les utiliser.

Qu'est-ce qu'un CAN pipeline ?

Un CAN pipeline se compose de plusieurs étages consécutifs. Le premier étage à structure différentielle évalue la valeur du bit le plus significatif (MSB), puis met en forme le signal et le transmet à l'étage suivant pour une conversion MSB-1. Chaque étage exécute son opération en même temps que les autres étages (Figure 1).

Figure 1 : La topologie pipeline comporte plusieurs étages pour implémenter la conversion d'un bit du convertisseur multibit, puis met en forme le signal et le transmet à l'étage suivant. (Source de l'image : Texas Instruments)

Dans la Figure 1, les étages sont similaires dans leur fonction et ne résolvent qu'un ou deux bits. Chaque étage est doté d'un échantillonneur-bloqueur, d'un CAN Flash basse résolution et d'une fonction de mise en forme des signaux. Le premier étage reçoit l'échantillon et produit immédiatement une décision MSB. La valeur numérique MSB va au premier verrou (Latch 1). Si la décision MSB est un, l'étage soustrait la valeur de la charge MSB de l'échantillon. Ensuite, le convertisseur pipeline applique un multiple de gain de 2x à la charge restante. Lorsqu'un étage termine ses opérations, il transmet la différence analogique aux étages suivants. La beauté de la conception avec le multiple de gain 2x est que les étages 1 à n sont fondamentalement les mêmes circuits.

Le nombre d'étages correspond souvent au nombre de bits CAN. La sortie de conversion finale combine les résultats numériques de chaque étage dans le verrou de sortie. Ce processus de conversion entraîne une latence des données de plusieurs cycles d'horloge.

Comparaison de l'échantillonnage de CAN ΔΣ, SAR et pipeline

Le convertisseur ΔΣ utilise un algorithme de suréchantillonnage pour mettre en œuvre des filtres numériques à réponse impulsionnelle finie (RIF) ou à réponse impulsionnelle infinie (RII). Ces filtres créent un retard ou une latence de sortie du signal lors de l'acquisition de plusieurs échantillons, ce qui se traduit par une résolution extrêmement élevée comme compromis positif. Par conséquent, le temps d'acquisition est plus long qu'avec un convertisseur SAR ou pipeline, qui tous deux n'échantillonnent le signal qu'une seule fois pour chaque conversion (Figure 2).

Figure 2 : Le CAN ΔƩ à la résolution la plus élevée et la plus lente traite les signaux à plus basse fréquence. Le CAN SAR à vitesse modérée et à résolution moyenne facilite les applications générales. Le CAN pipeline haute vitesse et à résolution plus basse s'intègre dans des solutions haute vitesse de pointe. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le CAN SAR restitue un instantané (snapshot) du signal d'entrée avec un point d'acquisition défini dans le temps. Tout en utilisant des techniques de redistribution de charge, le SAR effectue rapidement une conversion à latence nulle. Le convertisseur pipeline utilise des technologies de sous-échantillonnage pour réaliser des conversions haute vitesse en engageant des techniques de redistribution de charge et en retardant l'apparition des résultats sur la sortie. Cet algorithme de conversion crée une latence des données.

La latence par rapport à la vitesse de conversion diffère entre les convertisseurs SAR, pipeline et ΔƩ (Figure 3).

Figure 3 : L'algorithme de moyennage et de suréchantillonnage ΔƩ crée un retard dans l'apparition du mot de données de sortie final. Comme la sortie du CAN SAR apparaît avant l'acquisition de l'échantillon suivant, la latence du CAN SAR est nulle. Le retard du résultat des données du convertisseur pipeline crée une latence non nulle. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la Figure 3, le convertisseur ΔƩ moyenne plusieurs échantillons pour chaque résultat de conversion. Le filtre de moyennage du ΔƩ est généralement un filtre numérique RIF ou RII. Ce moyennage multi-échantillon augmente le temps de conversion global. Cependant, des résolutions élevées sont possibles, créant une dépendance entre le temps de cycle et la précision.

Le temps de conversion du convertisseur SAR inclut le temps d'acquisition du signal d'entrée et le temps de conversion. Le temps d'acquisition permet au signal d'entrée de se stabiliser avant que le moment réel de l'acquisition du signal n'arrive. Le temps de cycle est une combinaison de la redistribution de charge interne et des signaux de sortie de données série consécutifs, en commençant par la valeur MSB.

Avec un CAN pipeline, l'utilisateur initie une acquisition d'échantillon avec le front montant (ou descendant) de l'horloge d'entrée externe. La charge acquise pour cet échantillon passe à un deuxième étage, tandis que le convertisseur capture l'équivalent de charge d'un autre signal d'entrée, et le deuxième étage détermine la valeur MSB. Sur l'horloge externe suivante, le deuxième signal acquis est transmis au deuxième étage, tandis que le premier signal passe au troisième étage. Au cours de ce cycle d'horloge, la détermination MSB-1 du premier signal acquis et MSB du deuxième signal acquis intervient. Ce processus se poursuit avec chaque signal acquis. Lorsqu'un signal d'entrée a une représentation de sortie numérique complète, l'étage de sortie du convertisseur présente une représentation parallèle du signal d'entrée.

Le résultat de cette architecture est que les CAN pipelines sont populaires pour des fréquences d'échantillonnage s'étendant de quelques Méch./s à plus de 1 Géch./s. Les résolutions vont de 8 bits avec des fréquences d'échantillonnage plus rapides jusqu'à 16 bits avec des fréquences inférieures. Ces résolutions et ces fréquences d'échantillonnage couvrent un large éventail d'applications, notamment l'imagerie à circuit à couplage de charges (CCD), l'imagerie médicale par ultrasons, les récepteurs numériques, les stations de base, la prédistorsion numérique et la vidéo numérique. Certaines de ces applications mettent l'accent sur la précision ainsi que sur la rapidité.

CAN pipelines précis

Un bon exemple de CAN pipeline de précision est l'ADC16DX370 de Texas Instruments, un CAN pipeline 16 bits, 370 Méch./s à deux canaux, suivi d'une interface JESD204B de 7,4 gigabits par seconde (Gb/s) en aval. Avec un signal d'entrée de 150 MHz, le rapport signal/bruit (SNR), la plage dynamique sans parasites (SFDR) et la densité spectrale de bruit (NSD) de l'ADC16DX370 sont respectivement de 69,6 décibels à pleine échelle (dBFS), 88 dBFS et -152,3 dBFS/Hertz.

Chaque CAN est doté d'un tampon d'entrée et d'un circuit de correction de déséquilibre, ainsi que des tensions de référence nécessaires avec des circuits d'attaque internes. Le tampon d'entrée intégré élimine la charge du condensateur d'échantillonnage commuté interne et le bruit de retour de la charge. Ce tampon permet de réduire les exigences en matière d'amplificateur de commande, de filtre antirepliement et d'adaptation d'impédance (Figure 4).

Figure 4 : L'ADC16DX370 de 370 Méch./s hautes performances est un CAN pipeline double avec une référence interne. Il convertit les signaux analogiques en mots numériques de 16 bits. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'ADC16DX370 dérive l'horloge d'échantillonnage de l'entrée CLKIN avec un récepteur à faible bruit et un diviseur d'horloge. Un diviseur d'horloge d'entrée distribue un signal d'horloge haute fréquence dans tout le système, et le divise localement au niveau du dispositif CAN pour éviter le couplage des signaux à des fréquences intermédiaires (FI) communes dans d'autres parties du système. La latence de base du CAN est de 12,5 cycles d'horloge (Figure 5).

Figure 5 : Le schéma de synchronisation montre que la latence de base du CAN est de 12,5 cycles d'horloge. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'échantillonnage se produit sur le front montant du signal différentiel (CLKIN+) − (CLKIN–). Comme valeur fondamentale minimum, le code de sortie numérique est disponible après 12,5 cycles d'horloge de latence des données. Les facteurs de division de la fréquence d'entrée CLKIN sont 1, 2, 4 ou 8.

L'ADC16DX370 est doté de broches d'entrée d'horloge différentielle. La terminaison interne à CC de chaque broche est une résistance de 50 ohms (Ω) pour une terminaison différentielle interne totale de 100 Ω. Les broches d'entrée de l'horloge nécessitent un couplage CA externe.

La conception du circuit imprimé du CAN pipeline double est essentielle pour obtenir des performances optimales. Au moins six couches sont requises pour router correctement tous les signaux à l'entrée et à la sortie du dispositif. Les couches de routage des signaux ont besoin de plans de masse solides adjacents pour contrôler les chemins de retour des signaux afin de minimiser les zones de boucle, et le routage des microrubans et des lignes à bandes doit être effectué avec soin pour contrôler les impédances. L'utilisation de plans d'alimentation et de plans de masse solides adjacents permet de contrôler les chemins de retour d'alimentation. De plus, la réduction de l'espacement entre les plans d'alimentation et de masse augmente le découplage distribué et améliore les performances.

Les applications cibles de l'ADC16DX370 sont les récepteurs à échantillonnage FI élevé, les récepteurs de stations de base multiporteuses, et les récepteurs multimodes et multibandes qui complètent la résolution plus élevée et la vitesse de conversion de 370 Méch/.s. Ce CAN pipeline 16 bits offre les performances requises en termes de rapport signal/bruit (69,6 dBFS) pour discerner les petits signaux du bruit de fond dans un sous-système de récepteur hétérodyne RF, par exemple.

Pour aider les concepteurs à évaluer l'ADC16DX370, le CAN est pris en charge par la carte d'évaluation ADC16DX370EVM avec le logiciel High-Speed Data Converter (HSDC) Pro associé. La carte d'évaluation est fournie avec un câble mini-USB pour la connexion à un PC. TI propose également la carte de conception de référence TSW16DX370EVM qui peut être utilisée pour évaluer une solution de sous-système FI de récepteur avec une largeur de bande utilisable de plus de 100 MHz.

CAN pipelines haute vitesse

Lorsqu'une haute vitesse et une large gamme dynamique sont des priorités, les concepteurs peuvent se tourner vers l'ADS54J20 de Texas Instruments , un CAN 12 bits, 1 Géch/.s à deux canaux. La conception de ce CAN offre un rapport signal/bruit élevé de 67,8 dBFS avec un bruit de fond de -157 dBFS/Hz. Ce CAN est idéal pour les applications visant à obtenir la gamme dynamique la plus élevée sur une large bande passante instantanée (Figure 6).

Figure 6 : Le CAN pipeline double ADS54J20 fournit une correction d'entrelacement pour atteindre un bruit de fond de -157 dBFS/Hz et des options de filtrage de décimation numérique. (Source de l'image : Texas Instruments)

Dans la Figure 6, les algorithmes d'entrelacement et de superposition de l'ADS54J20 sont utilisés pour obtenir un spectre propre avec une plage SFDR élevée. Le dispositif est également doté de diverses options de filtres de décimation programmables pour les systèmes qui ont besoin de valeurs SNR et SFDR plus élevées sur une large plage de fréquences.

Le filtre de décimation passe-bande comporte un mélangeur numérique et trois filtres RIF concaténés pour créer une latence d'environ 134 cycles d'horloge de sortie, ainsi que des portes logiques et un délai de propagation du tampon de sortie égal à 4 nanosecondes (ns) (Figure 7).

Figure 7 : Le schéma de synchronisation de la latence CAN est de 134 cycles d'horloge plus les portes logiques et le délai de propagation du tampon de sortie (t_PD). (Source de l'image : Texas Instruments)

Le bloc numérique, le moteur d'entrelacement et le filtre de décimation (Figure 6), combinés à la fréquence d'horloge de 1 gigahertz (GHz) à échantillonnage rapide, contribuent à la latence du convertisseur.

Les applications cibles de l'ADS54J20 incluent les réseaux d'antennes et de radars, la technologie sans fil large bande, le système de terminaison de modem câble (CMTS) et les récepteurs DOCSIS 3.1.

L'ADS54J20 est également soutenu par une carte d'évaluation, ici l'ADS54J20EVM (Figure 8).

Figure 8 : Le CAN haute vitesse ADS54J20 est pris en charge par la carte d'évaluation ADS54J20EVM, qui est fournie avec un câble mini-USB et un câble d'alimentation. (Source de l'image : Texas Instruments).

L'ADS54J20EVM est également utilisé avec le logiciel HSDC Pro et il est fourni avec un câble mini-USB pour la connexion à un PC, ainsi qu'avec un câble d'alimentation électrique.

Conclusion

Bien que les CAN SAR et ΔƩ aient leur place, la solution au défi des CAN ultra-haute vitesse est un CAN pipeline qui traite de multiples échantillons tout en envoyant des données à sa sortie à des vitesses s'étendant de centaines de kilo-échantillons par seconde à des giga-échantillons par seconde. Cependant, tous les CAN pipelines ne mettent pas l'accent uniquement sur la vitesse. Comme illustré, une plus grande précision peut également être obtenue.

Quelle que soit leur cible, les CAN pipelines constituent une excellente option pour les stations de base cellulaires haute vitesse, les stations de base d'infrastructures cellulaires multiporteuses ultra-haute vitesse, les télécommunications, les observations de prédistorsions numériques, les récepteurs de backhaul et de nombreuses autres applications exigeant une conversion haute vitesse.