Principes de base analogiques : fonctionnement des circuits échantillonneurs pour garantir la précision des CAN

La conversion d'un signal analogique du monde « réel » en signal numérique à traiter en amont est une fonction essentielle des systèmes électroniques, notamment pour l'enregistrement audio, l'Internet des objets (IoT), l'IoT industriel (IIoT) et désormais l'intelligence artificielle (IA) des objets (AIoT). Cependant, l'efficacité de ce processus nécessite un certain niveau de compréhension des étapes et des principes sous-jacents, souvent négligés.

Par exemple, comment un signal est-il « maintenu » puis « échantillonné » avant la conversion, étant donné que l'amplitude d'un signal analogique typique appliqué à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) varie en permanence et que le signal est différent au début et à la fin de la conversion ? Ce changement ou décalage d'amplitude peut entraîner une erreur grave, en particulier pour les CAN haute résolution dont le délai de conversion des signaux est plus long. Le défi pour les concepteurs consiste à comprendre et à éliminer cette source d'erreur.

Cet article présente la manière dont il est possible d'éviter un décalage d'amplitude en utilisant un circuit échantillonneur pour le CAN. L'échantillonneur réalise l'échantillonnage réel de l'entrée et fonctionne entre le filtre passe-bas antirepliement et le CAN. L'article aborde les caractéristiques et les critères de sélection des circuits intégrés échantillonneurs, et s'intéresse aux CAN avec échantillonneur intégré. Des dispositifs d'exemple dotés de caractéristiques variées pour différentes applications, proposés par Texas Instruments, Maxim Integrated et Analog Devices, sont utilisés à titre d'illustration.

Rôle des échantillonneurs dans les CAN

L'amplitude d'un signal non CC appliqué à l'entrée d'un CAN varie en permanence. Cependant, le processus de conversion analogique-numérique s'effectue durant un intervalle fini au cours duquel l'amplitude de l'entrée du CAN varie (Figure 1). C'est ce décalage d'amplitude qui entraîne une erreur potentiellement grave.

Figure 1 : Un CAN avec signal d'entrée variable est sujet aux erreurs d'amplitude (en haut) en raison des variations de l'amplitude du signal lors de la numérisation (en bas). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'échantillonnage du signal et le maintien d'une amplitude fixe durant la conversion sont essentiels pour éviter le décalage d'amplitude dans un CAN. Cela est possible en utilisant un circuit échantillonneur pour le CAN (Figure 2).

Figure 2 : La principale différence entre un échantillonneur-bloqueur (à gauche) et un échantillonneur-suiveur (à droite) est la durée de la période de suivi, qui est courte en mode bloqueur et longue en mode suiveur. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Ces deux types de circuits échantillonnent le signal d'entrée et maintiennent la tension échantillonnée à une valeur constante pendant la durée du processus de conversion. La sortie du circuit échantillonneur-suiveur (à droite) suit le signal d'entrée jusqu'à sa transmission en échantillon, puis maintient la valeur échantillonnée pendant la conversion du CAN. L'échantillonneur-bloqueur présente une ouverture d'échantillon plus courte et sa sortie consiste en une série de niveaux échantillonnés (à gauche). La principale différence entre les échantillonneurs de types bloqueur et suiveur est la durée de l'intervalle de suivi : très court pour le mode bloqueur et considérablement plus long pour le mode suiveur. Les deux circuits dépendent d'une commutation rapide pour isoler le condensateur de stockage connecté à l'entrée du signal. Pour simplifier les choses, cet article utilise le terme échantillonneur à la fois pour désigner l'échantillonneur-bloqueur et l'échantillonneur-suiveur.

L'étage de l'échantillonneur réalise l'échantillonnage réel de l'entrée et fonctionne entre le filtre passe-bas antirepliement et le CAN. Le filtre passe-bas effectue la limitation de la bande antirepliement et doit précéder l'échantillonneur pour limiter la bande du signal avant l'échantillonnage afin d'éviter le repliement (Figure 3).

Figure 3 : Sur le trajet du signal du numériseur, l'échantillonneur se trouve entre le filtre passe-bas antirepliement et le CAN. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Il est à noter que les signaux avant l'échantillonneur sont tous analogiques. La sortie de l'échantillonneur est une forme d'onde échantillonnée transmise au CAN.

Dispositif échantillonneur typique

Le schéma fonctionnel du circuit intégré échantillonneur LF398MX/NOPB de Texas Instruments montre la configuration de base du circuit (Figure 4). L'échantillonneur est implémenté à l'aide d'un commutateur rapide et d'un condensateur haut de gamme. Dans le cas du LF398MX/NOPB, le condensateur est externe au circuit intégré. Lorsque le commutateur est fermé, le condensateur est chargé au niveau de tension du signal d'entrée. Lorsque le commutateur est ouvert, le condensateur conserve cette tension jusqu'à sa numérisation par le CAN. Cet échantillonneur utilise une technologie bi-FET, qui combine des FET à des transistors bipolaires, pour prendre en charge une acquisition rapide (moins de 6 microsecondes [µs] avec un taux d'erreur d'amplitude de 0,01 %) avec une haute précision CC (typiquement 0,002 %) et une baisse de tension extrêmement faible (typiquement moins de 83 microvolts [µV] par seconde). Des amplificateurs internes séparent le commutateur et le condensateur de maintien.

Le temps d'acquisition de l'échantillonneur dépend de la valeur du condensateur de maintien, qui peut aller de 0,001 à 0,1 microfarad (µF). Le condensateur de maintien externe doit présenter une faible absorption diélectrique et une faible fuite. Les condensateurs en polystyrène, en polypropylène et en téflon sont recommandés.

Figure 4 : Le schéma fonctionnel de l'échantillonneur LF398MX/NOPB de Texas Instruments montre ses composants clés, à savoir un commutateur rapide et un condensateur de maintien externe. (Source de l'image : Texas Instruments)

Caractéristiques d'un échantillonneur

Les échantillonneurs présentent plusieurs termes spécifiques pour décrire leur fonctionnement (Figure 5).

Figure 5 : Les définitions des caractéristiques dynamiques courantes d'un échantillonneur incluent le temps d'acquisition, le temps de stabilisation, le temps d'ouverture et la baisse d'amplitude. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le temps d'acquisition désigne le temps entre le passage en mode d'échantillonnage et le début du suivi du signal d'entrée par l'échantillonneur. Il dépend de la valeur du condensateur de maintien et de la résistance série du commutateur et du trajet de signal. Lorsque le mode de maintien est réactivé, il peut s'écouler un certain laps de temps entre l'arrêt du suivi de l'entrée et le début du maintien d'une valeur par le dispositif. Il s'agit du temps d'ouverture. Le temps d'ouverture dépend des temps de propagation des circuits d'attaque et du commutateur. L'incertitude ou la gigue à l'ouverture désignent la variation du temps d'ouverture en raison des variations d'horloge et du bruit.

L'activation du mode de maintien implique un délai jusqu'à la stabilisation du dispositif dans une bande d'erreur proche de la valeur de maintien : il s'agit du temps de stabilisation (ou temps de stabilisation du maintien). Une partie du temps de stabilisation peut inclure un transfert indésirable de charge entre le circuit d'attaque de commutation et le condensateur de maintien. Il s'agit du pas de maintien ou de l'erreur de palier. Le pas de maintien s'élève en général à quelques millivolts (mV) et son effet peut être limité en maintenant la plage des signaux à une échelle aussi élevée que possible.

La période d'échantillonnage minimale de l'échantillonneur correspond à la somme du temps d'acquisition, du temps d'ouverture et du temps de stabilisation. La fréquence d'échantillonnage maximum possible correspond à l'inverse de la somme du temps d'acquisition, du temps d'ouverture et du temps de stabilisation.

En mode de maintien, la valeur de maintien de l'échantillonneur peut diminuer en raison d'une fuite au niveau du condensateur de maintien. Cet incrément de tension est appelé baisse. Cette baisse est généralement spécifiée en mV par seconde.

Configurations d'échantillonneur

Les circuits intégrés échantillonneurs sont disponibles dans plusieurs configurations adaptées aux besoins des applications. Imaginons une application nécessitant des entrées différentielles comme l'interfaçage avec un transducteur de sortie différentielle (accéléromètre, extensomètre ou moniteur de courant optique). Le DS1843D+TRL de Maxim Integrated est un bon exemple de circuit intégré échantillonneur pour ces applications (Figure 6).

Figure 6 : Comme illustré dans ce circuit typique, le DS1843+TRL de Maxim Integrated est un échantillonneur différentiel qui utilise deux condensateurs de maintien pour implémenter un échantillonnage différentiel. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le DS1843+TRL illustré figure dans une application de transmission de ligne optique typique pour mesurer l'indicateur de longueur de signal reçu (RSSI) en mode rafale. Le DS1842/MAX4007 de Maxim Integrated est un moniteur de courant qui reflète le courant à partir d'une photodiode à avalanche fixée à l'entrée de référence. Le courant de sortie passe à travers la résistance, R_IN, pour être converti en tension. Cette tension est mesurée de manière différentielle par le DS1843, qui inclut des commutateurs d'échantillonnage entièrement différentiels et des condensateurs, C_S, ainsi qu'un tampon de sortie différentielle. Cet échantillonneur utilise deux condensateurs de 5 picofarads (pF), l'un connecté à l'entrée différentielle positive et l'autre à l'entrée différentielle négative. La faible capacité garantit un temps d'acquisition rapide. Ce dispositif présente un temps d'échantillonnage (acquisition) rapide de moins de 300 nanosecondes (ns). Le temps de maintien de l'échantillonneur est supérieur à 100 µs.

Certains dispositifs peuvent contenir quatre ou huit circuits échantillonneurs dans un seul boîtier de circuit intégré. Un exemple est l'échantillonneur quadruple SMP04ESZ-REEL d'Analog Devices. Le SMP04ESZ-REEL est un dispositif CMOS intégrant quatre circuits échantillonneurs dans un boîtier commun, avec un temps d'acquisition de 7 µs et une baisse de seulement 2 mV/s (Figure 7).

La Figure 7 illustre également l'utilisation des échantillonneurs avec des convertisseurs numérique-analogique (CNA), ici pour empêcher les transitoires de sortie ou les parasites transitoires provoqués par les transitions de code dans le CNA.

Figure 7 : L'échantillonneur quadruple SMP04 d'Analog Devices contient quatre circuits échantillonneurs indépendants ainsi que les amplificateurs séparateurs correspondants. Le circuit illustré utilise le SMP04 pour multiplexer la sortie du CNA en quatre canaux. (Source de l'image : Analog Devices)

Sur la Figure, le SMP04 est utilisé pour multiplexer la sortie simple du CNA afin de la décomposer en quatre canaux multiplexés. Les circuits échantillonneurs peuvent être utilisés pour retarder la sortie du CNA de manière sélective jusqu'à la fin des parasites transitoires, pour avoir une sortie de CNA plus fluide.

Plusieurs circuits échantillonneurs peuvent être utilisés pour augmenter le débit d'un CAN en faisant se chevaucher des entrées multiplexées. Ici, plusieurs échantillonneurs sont communément connectés à la sortie du multiplexeur. Le CAN est connecté à un échantillonneur, qui maintient le niveau de l'entrée à convertir. Les autres échantillonneurs acquièrent les autres canaux du multiplexeur et se connectent à leur tour au CAN, tandis que le premier échantillonneur peut se connecter à un autre canal multiplexé. Cette technique à chevauchement permet d'éliminer le temps d'acquisition de l'échantillonneur dans le trajet de signal du CAN.

De nombreux CAN incluent des circuits échantillonneurs dans leur boîtier intégré. C'est le cas par exemple de l'ADC121S021CIMFX de Texas Instruments, un CAN à registre d'approximations successives (SAR) de 12 bits avec échantillonneur intégré qui fonctionne à des taux d'échantillonnage de 50 à 200 kilo-échantillons par seconde (Kéch./s). Il inclut un bus de sortie série haute vitesse qui permet de simplifier la configuration du câblage (Figure 8).

Figure 8 : L'ADC121S021 de Texas Instruments est un CAN SAR à un canal 12 bits avec circuit échantillonneur intégré. (Source de l'image : Texas Instruments)

Ce CAN est un modèle typique, au sens où il inclut un échantillonneur interne, ce qui permet de simplifier la configuration du circuit imprimé et de limiter le nombre de composants. Les circuits échantillonneurs externes sont utilisés pour les configurations spéciales comme les connexions d'entrées différentielles, les entrées multiplexées ou lorsque le CAN ne possède pas de circuit échantillonneur interne.

Conclusion

De l'enregistrement audio à l'analyse IIoT ou IA la plus avancée, la fonction électronique la plus basique de conversion d'un signal analogique en un signal numérique nécessite un examen attentif des circuits échantillonneurs. Ces derniers sont essentiels pour limiter les erreurs de décalage de tension pendant le processus de conversion analogique-numérique, car ils maintiennent la tension d'entrée au niveau du CAN à une valeur constante lors de la conversion. L'échantillonneur peut être interne au CAN ou externe, mais doit se trouver sur le trajet du signal entre le filtre passe-bas antirepliement et le CAN. Comme indiqué ici, il existe de nombreuses configurations (simple, différentielle ou avec plusieurs dispositifs par circuit intégré) pour répondre aux besoins des différentes applications de conception. Ces applications s'étendent pour inclure la suppression des transitoires de sorties ou des parasites transitoires provoqués par les transitions de code dans les CNA.

Lecture recommandée

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3. Pay Attention to the ADC Precision Voltage Reference for Accurate IoT Sensing