Principes de base analogiques — 5e partie : faire face aux problèmes complexes de commande d'entrée pour le CAN SAR

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 1ère partie de cette série sur les principes de base analogiques est consacrée aux CAN SAR. La 2e partie traite des convertisseurs delta-sigma. La 3e partie explore les CAN pipelines. La 4e partie montre comment les CAN delta-sigma peuvent générer des résultats de bruit ultrafaible. Ici, la 5e partie explore les problèmes de commande d'entrée complexes pour les CAN SAR.

De nombreuses applications d'acquisition de données, de contrôle industriel et d'instrumentation nécessitent un convertisseur analogique-numérique (CAN) ultra-haute vitesse alors qu'un convertisseur à registre d'approximations successives (SAR) est parfaitement adapté. Cependant, il est essentiel de s'assurer que les circuits externes autour du convertisseur SAR sont également à la hauteur pour garantir le succès de la conversion. Les connexions critiques qui requièrent une attention particulière pour le convertisseur SAR sont ses entrées de signaux analogiques. Si elles sont laissées sans surveillance, ces broches d'entrée peuvent produire des problèmes de stabilité et des « retours » de charge capacitive qui peuvent entraîner des conversions imprécises et un allongement du temps d'acquisition du signal.

La solution pour un contrôle de signal d'entrée précis pour les applications de convertisseurs SAR réside dans la commande des amplificateurs opérationnels. Ces dispositifs, soutenus par les valeurs appropriées de condensateur et de résistance de sortie, constituent la base d'une solution haute précision robuste pour les systèmes de convertisseurs SAR 16 bits et 20 bits haute résolution.

Cet article traite brièvement des problèmes liés à la réalisation de conversions de CAN SAR stables et précises. Il présente ensuite un amplificateur opérationnel approprié pour la commande d'un CAN SAR et montre comment mettre en œuvre les circuits de commande d'entrée nécessaires. Les solutions d'Analog Devices sont utilisées à titre d'exemple.

Circuit d'entrée de CAN SAR

Les circuits d'attaque de CAN SAR sont dotés d'amplificateurs opérationnels (A₁ et A₂) qui séparent le CAN de ses sources de signaux (Figure 1). Dans ce circuit, Rext maintient l'amplificateur stable en « isolant » l'étage de sortie de l'amplificateur de la charge capacitive CAN (C_IN+ et C_IN-) et de Cext. Cext et C_REF fournissent une source d'entrée presque parfaite au CAN qui absorbe l'injection de charge de commutation des bornes d'entrée IN+, IN- et REF. Les bornes d'entrée (IN+, IN-) suivent la tension du signal d'entrée (V_SIG+, V_SIG-) pendant le temps d'acquisition du convertisseur, ce qui permet de charger les condensateurs d'échantillonnage d'entrée du CAN, C_IN+ et C_IN-.

Figure 1 : Dans ce circuit, Rext « isole » Cext de l'étage de sortie de l'amplificateur opérationnel. Cext et C_REF fournissent des réservoirs de charge pour le CAN SAR différentiel pendant la période d'échantillonnage. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Si l'on regarde l'intérieur du CAN en utilisant les CAN SAR AD7915 (16 bits) et AD4021 (20 bits) d'Analog Devices comme exemples, on peut voir qu'un convertisseur numérique-analogique (CNA) à redistribution de charge est utilisé. Le CNA capacitif présente deux réseaux identiques de condensateurs à pondération binaire. Ces réseaux se connectent aux entrées non inverseuses et inverseuses des comparateurs (Figure 2).

Figure 2 : Schéma simplifié d'un CAN SAR, basé sur l'AD7915 et l'AD4021, où N est égal au nombre de bits du convertisseur. (Source de l'image : document original d'Analog Devices modifié par DigiKey Electronics)

Pendant la phase d'acquisition, les entrées (IN+ et IN-) commutent vers le réseau capacitif. De plus, SW+ et SW- se ferment, reliant les condensateurs LSB (bit le moins significatif) à la terre (GND). Dans cet état, les réseaux de condensateurs deviennent les condensateurs d'échantillonnage, faisant l'acquisition des signaux analogiques IN+ et IN-. Une fois la phase d'acquisition terminée, l'entrée CNV de la logique de commande (côté droit) passe à l'état haut pour initier la phase de conversion.

La phase de conversion commence avec l'ouverture de SW+ et SW- et la commutation des deux réseaux de condensateurs à GND. Dans cette configuration, la tension différentielle IN+ et IN- capturée entraîne un déséquilibre du comparateur. Le CNA à redistribution de charge commute méthodiquement chaque élément du réseau de condensateurs du bit le plus significatif (MSB) au bit le moins significatif, entre GND et REF. L'entrée du comparateur varie en fonction des échelons de tension à pondération binaire (VREF/2^N-1, VREF/2^N-2 … VREF/4, VREF/2). La logique de commande fait basculer les commutateurs de MSB à LSB, ramenant le comparateur à un état équilibré. Une fois ce processus terminé, le CAN retourne à la phase d'acquisition, et la logique de commande génère le code de sortie du CAN.

Injection de la charge d'entrée, stabilité du circuit et commande du CAN AD7915

Une partie critique du processus de conversion est l'acquisition d'une tension de signal d'entrée précise. Le processus de conversion des données CAN se déroule sans problème lorsque l'amplificateur de commande charge avec précision les condensateurs d'entrée, C_IN+ et C_IN-, tout en maintenant la stabilité jusqu'à la fin du temps d'acquisition CAN. Le problème pour les concepteurs est que la borne d'entrée du CAN introduit une capacité (C_IN+, C_IN-) ainsi qu'un bruit de commutation ou une injection de charge de « retour » (kickback) que l'amplificateur de commande doit gérer.

Un diagramme de Bode du circuit d'amplificateur permet d'estimer rapidement la stabilité du circuit. L'outil de diagramme de Bode permet d'estimer l'amplitude des fonctions de transfert de gain en boucle ouverte et en boucle fermée système d'un amplificateur (Figure 3).

Figure 3 : La fonction de transfert en boucle ouverte et fermée de l'amplificateur dans la Figure 1, sans Rext et Cext comme charges d'amplificateur et le CAN SAR suivant. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'axe y quantifie le gain en boucle ouverte (A_OL) de l'amplificateur et le gain en boucle fermée (A_CL) du circuit d'amplificateur, où la courbe A_OL de l'amplificateur commence à 130 décibels (dB) et le gain en boucle fermée, A_CL, est égal à 0 dB. Les unités sur l'axe x quantifient logarithmiquement la fréquence de gain en boucle ouverte et fermée de 100 Hertz (Hz) à 1 gigahertz (GHz).

Dans la Figure 3, le gain en boucle ouverte CC de l'amplificateur à environ 220 Hz (f_O) progresse vers le bas à partir de 130 dB à un taux de -20 dB/décade. À mesure que la fréquence augmente, ce taux d'atténuation continue au-delà de 0 dB à environ 180 mégahertz (MHz). Comme cette courbe représente un système unipolaire, la fréquence de transition, f_U, est égale au produit gain-bande passante (GBWP) de l'amplificateur à gain unité stable. Ce diagramme représente un système stable car le taux de fermeture A_OL et A_CL est de 20 dB/décade.

L'ajout de Rext et Cext et du CAN SAR modifie le circuit de l'amplificateur en créant un pôle et un zéro système (Figure 4). Le système comprend un CAN PulSAR différentiel AD7915 de 16 bits, 1 méga-échantillon par seconde (Méch./s) et un amplificateur ADA4807-1 de 180 MHz à entrée/sortie rail-à-rail, tous les deux d'Analog Devices. La combinaison de l'amplificateur et du CAN nécessite Rext en raison de la charge capacitive d'entrée CAN de 30 picofarads (pF) (typ.). Le circuit exige également que Cext agisse comme un réservoir de charge afin de fournir suffisamment de charge à l'entrée du CAN pour correspondre exactement à la tension d'entrée.

Figure 4 : Réponse du diagramme de Bode des deux amplificateurs opérationnels ADA4807 commandant le CAN SAR AD7915 avec deux paires Rext/Cext séparées. Les fréquences de bruit f_P1 et f_Z1 modifient le gain en boucle ouverte de l'amplificateur, créant une réponse système stable. Les fréquences de bruit f_P2 et f_Z2 modifient le gain en boucle ouverte de l'amplificateur, créant une réponse marginalement stable. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le circuit de la Figure 4 peut potentiellement osciller en raison de la charge capacitive du CAN et de l'injection de charge de commutation du CAN lors de l'acquisition initiale. Le pôle et le zéro supplémentaires créés par les composants de sortie de l'amplificateur Rext/Cext garantissent un système stable, de sorte que l'intersection des courbes de gain en boucle ouverte et fermée est supérieure à 20 dB/décade, ce qui donne une marge de phase inférieure à 45°. Cette configuration, avec f_P2 et f_Z2, crée un circuit instable.

Pour éviter l'instabilité, lors de l'évaluation de la courbe de gain en boucle ouverte de l'amplificateur avec Rext et Cext dans le circuit, les concepteurs doivent inclure l'effet de la résistance de sortie en boucle ouverte de l'amplificateur, R_O. La combinaison de R_O égalant 50 ohms (W), de Rext et de Cext modifie la courbe de réponse en boucle ouverte en introduisant un pôle (f_P, Équation 1) et un zéro (f_Z, Équation 2). Les valeurs R_O, Rext et Cext déterminent la fréquence de bruit de f_P. Les valeurs de Rext et de Cext déterminent la fréquence de bruit zéro, f_Z.

Équation 1

Équation 2

Les calculs f_P et f_Z sont :

            f_P1 = 842 kHz

            f_Z1 = 2,95 MHz

                       avec :   R_O = 50 W

                                    Rext = 20 W

                                    Cext = 2,7 nanofarads (nF)

            f_P2 = 22,7 MHz

            f_Z2 = 79,5 MHz

                        avec :    R_O = 50 W

                                    Rext = 20 W

                                    Cext = 0,1 nF

Les valeurs ci-dessus pour f_P1 et f_Z1 fournissent un système stable pour l'AD7915 et l'ADA4807-1.

Commander le CAN SAR Easy Drive AD4021

Une alternative à l'AD7915 est le convertisseur SAR Easy Drive 20 bits, 1 Méch./s AD4021. La gamme de dispositifs AD4021 réduit considérablement le retour et le courant d'entrée à 0,5 microampère (μA)/Méch./s. L'Easy Drive se caractérise par une consommation d'énergie réduite et une moindre complexité de la chaîne de signaux.

L'entrée analogique de l'AD4021 est dotée d'un circuit qui réduit le retour de charge non linéaire de l'entrée SAR du condensateur commuté typique. La réduction du retour et une phase d'acquisition plus longue permettent d'utiliser des amplificateurs de commande à puissance et largeur de bande inférieures (Figure 5).

Figure 5 : Le circuit d'entrée et le temps d'acquisition de l'AD4021 réduisent le courant de commutation de retour et assouplissent les exigences strictes de l'amplificateur de commande. (Source de l'image : Analog Devices)

La combinaison de la réduction du retour et d'un temps d'acquisition plus long permet également d'obtenir une valeur de résistance Rext plus importante dans le filtre résistance-condensateur (RC) d'entrée et un condensateur Cext correspondant plus petit. Cette combinaison d'une charge d'amplificateur Cext plus faible améliore la stabilité et réduit la dissipation de puissance.

Le schéma de connexion recommandé pour l'AD4021 avec une seule alimentation de 5 volts (V) semble présenter un schéma de circuit similaire. Cependant, les exigences de l'amplificateur sont réduites et les valeurs Rext/Cext (R et C) sont plus petites (Figure 6).

Figure 6 : Schéma d'application typique des dispositifs AD4021 et ADA4807-1 avec une seule alimentation de 5 V, avec des exigences d'amplificateur plus souples et une valeur Rext plus élevée par rapport à la commande de l'AD7915 dont il a été question précédemment. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 6, l'AD4021 basé SAR utilise également un CNA d'échantillonnage à redistribution de charge. Le CAN est doté d'une horloge de conversion et d'une horloge série embarquées. Par conséquent, le processus de conversion ne requiert pas d'entrée d'horloge synchrone (SCK). Cette configuration d'horloge permet d'étendre le temps d'acquisition, ce qui améliore la précision en fournissant plus de temps au signal d'entrée pour se stabiliser à une valeur finale.

La principale considération pour l'amplificateur de commande, tant pour l'AD7915 que pour l'AD4021, est le bruit, car la combinaison amplificateur/Rext/Cext doit se stabiliser d'un échelon pleine échelle à un niveau 16 bits (0,0015 %, 15 ppm) pour l'AD7915, et à un niveau 20 bits (0,00001 %, 1 ppm) pour l'AD4021.

Pour préserver les performances de rapport signal/bruit (SNR) des dispositifs AD7915 et AD4021, le bruit de l'amplificateur de commande doit être inférieur à un tiers du bruit du CAN. Le bruit de l'AD4021 est de 60 microvolts rms (mVrms), ce qui exige que la combinaison amplificateur/Rext/Cext soit inférieure à 20 mVrms. Le bruit de l'AD4021 est de 31,5 mVrms, ce qui nécessite que la combinaison amplificateur/Rext/Cext soit inférieure à 10,5 mVrms.

L'outil Precision ADC Driver Tool d'Analog Devices aide les concepteurs à calculer rapidement les valeurs Rext et Cext correctes. Avec un circuit d'attaque et un CAN sélectionnés, cet outil modélise le temps de stabilisation du circuit, le bruit et le comportement de distorsion.

Conclusion

Le CAN SAR continue de dominer les applications de contrôle industriel, d'instrumentation et d'acquisition de données ultra-haute vitesse. Cependant, les circuits d'entrée externes de ces dispositifs — l'amplificateur de commande et le filtre d'entrée — exigent une attention particulière pour tenir compte des problèmes potentiels d'injection de charge de commutation et de stabilité de l'amplificateur.

La solution pour un contrôle précis du signal d'entrée pour la plupart des convertisseurs SAR, tels que les dispositifs AD7916 et AD4021, réside dans le circuit d'attaque de l'amplificateur opérationnel, ici l'ADA4807-1. Comme illustré, ces dispositifs, soutenus par des valeurs appropriées de condensateur et de résistance de sortie, constituent une base solide sur laquelle construire un système de convertisseur SAR 16 bits ou 20 bits robuste, haute précision et haute résolution.