L'importance du choix d'alimentation dans les chaînes de signaux de précision

Lorsque nous concevons nos circuits analogiques, il semble que nous ayons le réflexe de nous plonger dans les détails des spécifications pour chaque composant du circuit. Cela vaut un « A » pour l'enthousiasme, mais la conception finale peut souffrir du point de vue de la puissance. Voici pourquoi et comment éviter cette erreur.

Si vous travaillez sur un circuit ultra-haute précision optimisé pour une stabilisation rapide avec une faible latence, vous avez probablement l'ordre de marche pour la conception de votre circuit. Vous sélectionnez des composants qui présentent un faible bruit et des vitesses élevées pour ce circuit haute précision afin de garder la latence sous contrôle. La Figure 1 présente un schéma fonctionnel approprié pour ce type de circuit. Il contient de nombreux composants qui transmettent le signal analogique à travers la barrière galvanique.

Figure 1 : Chaîne de signaux de mesure de tension/courant adaptable avec mesure à faible latence. (Source de l'image : Analog Devices)

D'après ce scénario, les détails des composants de précision apparaissent immédiatement. Le commutateur ADG5421F d'Analog Devices est un commutateur unipolaire unidirectionnel (SPST) double à résistance R_ON de 11 ohms (Ω), avec protection et détection des défaillances de ±60 volts (V). Ce dispositif identifie lorsque la différence entre deux entrées dépasse l'alimentation et génère un message d'erreur.

L'étage de gain est le LTC6373 d'Analog Devices, un amplificateur de mesure entièrement différentiel et à gain programmable de 36 V. Le LTC6373 amplifie le signal du capteur d'entrée aux niveaux appropriés ultérieurs du convertisseur analogique-numérique (CAN). Le filtre est un circuit discret unipolaire de type résistance-condensateur (R-C). Ce filtre assure une fonction d'antirepliement pour atténuer les signaux présentant une fréquence plus élevée.

Le circuit de conversion analogique-numérique commence avec l'ADA4896-2 d'Analog Devices, un amplificateur à sortie rail-à-rail, double, basse consommation. Il agit en tant qu'amplificateur de circuit d'attaque du CAN. Vient ensuite le CAN à registre d'approximations successives (SAR) à deux canaux, 24 bits, 2 méga-échantillons par seconde (Méch./s) AD4630-24 d'Analog Devices, qui effectue une conversion haute précision avec une latence nulle.

La partie référence de tension du CAN se compose du dispositif LTC6655LN d'Analog Devices, une référence de tension série avec une sortie fixe de 5 V, et de l'ADA4523-1BCPZ d'Analog Devices, un amplificateur à dérive nulle qui forme un tampon entre la référence de tension et la broche d'entrée de référence ADA4523.

Pour terminer la conception, l'isolateur numérique ADuM14xE d'Analog Devices isole et protège davantage les circuits.

Aller au-delà des spécifications de précision

STOP. Imaginez maintenant que vous êtes le concepteur analogique de votre groupe. Félicitations : vous avez rejoint l'élite des ingénieurs, même si cela restera un apprentissage permanent. Dans cette optique, permettez-moi de vous donner quelques recommandations que vous n'avez peut-être jamais entendues auparavant. Pour commencer, mettez de côté vos tutoriels analogiques et envisagez une manière différente d'aborder certains problèmes fondamentaux, à commencer par le système d'alimentation, le courant de repos, le bruit et la précision.

Au cours de mes nombreuses années de conception analogique, cette technique ne m'est souvent venue à l'esprit qu'à la fin du cycle de conception, et oui, je suis passée par des phases douloureuses de reconception et d'ajustement. Maintenant, ce n'est plus nécessaire.

De plus, il est clair que la tendance du secteur est à la réduction de la dissipation de puissance et des géométries. Heureusement pour nous, nous ne sommes pas très loin dans cette conception spécifique, ce qui nous permet de pouvoir prendre du recul pour examiner les principes fondamentaux du circuit : tension d'alimentation, courant de repos et taux de réjection de l'alimentation (PSRR).

Le changement que je suggère est d'adapter la solution d'alimentation comme une proposition de valeur critique pour la conception de la chaîne de signaux, égale (voire supérieure) aux objectifs de précision. Les étapes et les considérations de conception sont désormais les suivantes :

1. Créer le schéma fonctionnel de la chaîne de signaux.
2. Sélectionner les composants possibles dans le schéma.
3. Définir les éléments suivants :
   1. Tension d'alimentation
   2. Courant d'alimentation
   3. PSRR

Si vous ne tenez pas compte des spécifications d'alimentation dès le début et en fonction de votre proposition de conception, la complexité de la conception augmente à pas de géant. Cela est dû à l'ajout de conceptions d'alimentation de fond complexes, avec une augmentation consécutive de la consommation d'énergie due au courant de repos des composants. Le résultat ? Une conception globale non satisfaisante qui peut vous renvoyer à la planche à dessin.

Examinons donc les bilans de courant, de tension d'alimentation et de PSRR.

Concevoir en tenant compte de la puissance

Les étages de commutation (ou de protection) et de gain (ou d'amplificateur de mesure programmable) exigent des plages de tensions d'alimentation plus étendues, telles que ±15 V, afin de fournir une plage de signaux suffisante pour le capteur d'entrée. Le circuit d'attaque CAN, la référence, le circuit d'attaque de référence et les blocs d'isolement nécessitent des plages d'alimentation moyennes, telles que ±5 V et +5,5 V, pour répondre aux exigences des signaux. Enfin, l'interface numérique du CAN vers le contrôleur requiert des tensions plus faibles, comme +1,8 V, ce qui permet de maintenir une basse consommation globale (Tableau 1).

Tableau 1 : Puissance requise pour les dispositifs respectifs. (Source du tableau : Analog Devices, modifié par Bonnie Baker [pour la puissance])

Selon le Tableau 1, il y a trois alimentations analogiques positives (15 V, 5,5 V et 5 V), trois alimentations numériques positives (5 V, 5 V et 1,8 V) et deux alimentations analogiques négatives (-15 V et -5 V). Les chiffres du Tableau 1 indiquent les exigences en termes d'alimentation analogique et numérique. L'ADA4896-2 domine l'image du système PSRR, et la consommation au repos générée est de 487 milliwatts (mW) : une puissance minimale pour des performances optimales.

Conclusion

Comme illustré, la bonne combinaison de commutateurs, d'amplificateurs et d'un CAN 24 bits, comme l'AD4630-24 d'Analog Devices, peut vous aider à créer un système ultra-haute précision en optimisant les caractéristiques de stabilisation rapide et de faible latence. Cependant, pour garantir les meilleures performances globales, il faut bien tenir compte de la puissance. Les dispositifs ADG5421F, LTC6373, ADA4896-2, AD4630-24, LTC6655LN, ADA4523 et ADuM14xE se combinent pour créer une chaîne de signaux de mesure de tension/courant ajustable qui répond aux exigences des applications pour des mesures à faible latence, tout en réduisant la consommation d'énergie et en formant une solution d'instrumentation idéale.