Couverture ElectroniqueS n°127

Les spécifications de l'amplificateur chargé de piloter un CAN d'architecture sigma-delta définiront souvent les performances globales d'un système d'acquisition de données, notamment en termes de bruit, de distorsion et de consommation électrique. De ce fait, un choix judicieux de cet élément et du filtre anti-repliement de spectre associé est impératif. D ans la première partie de cet article, nous avons mentionné que l'amplificateur n'appréciait guère les impédances imaginaires, et/ou ne délivrait pas de forts courants ; c'est un élément ajouté par le condensateur et qui est nécessaire pour minimiser le problème des transitoires d'échantillonnage. La seule façon d'améliorer la situation consiste à réduire ce phénomène proprement dit. Cette méthode a été adoptée pour de récents convertisseurs commercialisés par Analog Devices sous les références AD7768 et AD4000. Les solutions adoptées pour chacun des convertisseurs varient selon les différentes architectures utilisées. Le convertisseur A/N SAR AD4000 peut fonctionner sous des tensions d'alimentation inférieures à la plage d'entrée analogique. Le principe retenu s'appelle le mode «High-Z» (haute impédance) et n'est disponible que pour les fréquences d'échantillonnage inférieures à 100kHz. Dans le cas du convertisseur AD7768, les tensions d'alimentation sont supérieures ou égales à la plage d'entrée analogique. Le principe adopté pour l'AD7768 est appelé « tampon de précharge » qui, contrairement au mode High-Z, fonctionne jusqu'à la fréquence d'échantillonnage maximale du CAN. Les deux approches tiennent toutes deux compte de la difficulté majeure d'attaquer les convertisseurs A/N en raison de la redistribution de la charge capacitive. Plus basse est la chute de tension observée par l'étage tampon d'entrée et le filtre passe-bas lorsque le commutateur interne est reconnecté au condensateur d'échantillonnage, plus le transitoire en tension est faible, minimisant le courant d'entrée du convertisseur A/N. En d'autres termes, plus il est facile d'attaquer le CAN, plus le temps de stabilisation est court. La chute de tension aux bornes de la résistance du filtre diminue tandis que les performances en courant alternatif augmentent. STUART SERVIS ET MIGUEL USACH MERINO (ANALOG DEVICES) Stuart Servis est ingénieur d'applications produits au sein du groupe Technologie de Précision d'Analog Devices. Il est titulaire d'un B.Sc. en physique appliquée et en électronique de l'université nationale d'Irlande de Galway. Miguel Usach Merino est ingénieur d'applications au sein du groupe Technologie de Précision d'Analog Devices. Il est titulaire d'un diplôme d'ingénieur en électronique de l'université de Valence (Espagne). L'effet sur le courant d'entrée par rapport au tampon de précharge et à l'activation/ désactivation du mode High-Z est représenté à la figure 1. Plus le courant d'entrée est fort, plus la bande passante de l'amplificateur doit être élevée (cela signifie un amplificateur plus rapide). Autrement dit, la bande passante du filtre passe-bas d'entrée doit elle aussi être plus élevée, ce qui influe également sur le niveau de bruit. Par exemple, pour un signal d'entrée de 1kHz échantillonné à 1 Méch./s, la mesure du rapport signal/ bruit et distorsion (sinad, signal to noise ratio and distorsion ) considère les harmoniques comme du bruit. Les valeurs obtenues à différentes fréquences de coupure du filtre sont illustrées sur la figure 2. Celle-ci montre qu'un faible courant d'entrée (mode High-Z activé) abaisse les exigences de fréquence de coupure au niveau du filtre, ainsi que la chute de tension ohmique de la résistance du filtre IR, avec pour effet d'augmenter les performances du convertisseur A/N par rapport à une configuration identique où le mode High-Z est désactivé. La figure 2 indique qu'en augmentant la fréquence de coupure du filtre d'entrée, l'amplificateur externe peut charger/ décharger le condensateur d'échantillonnage plus rapidement au détriment d'une hausse du bruit. Par exemple, lorsque le mode High-Z est activé, le bruit échantillonné à 500 kHz est moins élevé qu'à 1,3MHz. Par conséquent, le sinad est meilleur à une bande passante d'entrée de 500kHz. De plus, la capacité requise par le filtre passe-bas diminue, améliorant les performances de l'amplificateur. Des fonctions à valeur ajoutée L'ajout de ces fonctions conçues pour faci-liter les mécanismes d'attaque et soulager la tâche du concepteur, et dont bénéficient les derniers convertisseurs A/N d'Analog Devices, a d'importantes répercussions sur l'ensemble de la chaîne du signal. Le principal avantage apporté par l'intégration dans le silicium d'une partie du problème lié à l'attaque du CAN est que les concepteurs de convertisseurs A/N sont en mesure de réaliser une solution dont l'efficacité correspond aux exigences de signal dudit convertisseur, résolvant ainsi quelques problèmes liés à la bande passante d'entrée et à la stabilité de l'amplificateur. Suite à la réduction du courant en entrée du convertisseur A/N et, par conséquent, à la réduction du transitoire en tension, l'amplificateur doit gérer un pas de tension moins élevé, tout en conservant la même période d'échantillonnage complète qu'une entrée standard à capacités commutées. Le fait de stabiliser un pas de tension réduit (rampe de tension jusqu'à la valeur finale) au cours d'une période donnée équivaut à la stabilisation d'un pas de tension plus élevé sur une plus longue période. En clair, l'amplificateur n'a pas besoin d'une bande passante aussi large pour stabiliser la tension d'entrée à la même valeur finale. Une bande passante limitée va généralement de pair avec un amplificateur moins gourmand en énergie. Une autre façon d'aborder la question consiste à imaginer comment un amplificateur qui, en principe, ne dispose pas d'une bande passante suffisante pour stabiliser la tension d'entrée d'un CAN, peut à présent atteindre un niveau de stabilité satisfaisant lorsque les tampons de précharge sont activés. La note d'application ADI AN-1384 indique les performances susceptibles d'être obtenues en associant différents amplificateurs au convertisseur AD7768 dans chacun de ses trois modes de puissance. L'un des amplificateurs présentés dans ce document, l'ADA4500-2, peine à stabiliser l'entrée de l'AD7768 en mode de puissance médiane (THD > - 96 dB), lorsque les tampons de précharge ne sont pas utilisés. Cependant, lorsque ces derniers sont acti-vés, les performances s'améliorent considérablement pour atteindre une distorsion harmonique meilleure que - 110dB. Étant donné que l'ADA4500-2 est un amplificateur dont la bande passante est de 10 MHz, et que la bande passante nécessaire pour stabiliser l'AD7768 dans le mode donné est d'environ 12MHz, nous voyons qu'il est à présent possible de choisir cet amplificateur dont la bande passante est inférieure grâce à cette fonction d'aide au processus d'attaque. Ces caractéristiques ont pour effet de simplifier la conception du circuit tampon frontal, tout en offrant une plus grande liberté dans le choix des composants sans dépasser les limites thermiques ou de consommation du système. La réduction du courant appliqué à la broche d'entrée analogique du convertisseur A/N présente un autre avantage: le courant qui traverse la résistance série utilisée dans le circuit RC d'entrée est également moins élevé. Dans le cas des entrées de convertisseurs A/N traditionnels, un courant relativement fort implique que seules des résistances de faible valeur sont utilisables, sous peine de provoquer des chutes de tension importantes à leurs bornes. Une forte chute de tension peut entraîner des erreurs de gain ou de linéarité au niveau de la conversion analogique vers numérique. Toutefois, le recours à des résistances de faible valeur soulève également des défis. Pour obtenir la même bande passante que le circuit RC avec une résistance plus petite, il est nécessaire d'avoir un conden-sateur de valeur plus importante. Cependant, l'association d'un condensateur de grande valeur et d'une petite résistance risque de provoquer l'instabilité de l'amplificateur tampon. Figure1.-Effet sur le courant d'entrée selon différentes approches Tension d'entrée différentielle (V) L'effet sur le courant d'entrée avec les modes de précharge et High-Z, et ce pour les deux convertisseurs A/N AD7768 et AD4003. Le faible niveau de courant, qui caractérise l'utilisation des fonctions d'aide au processus d'attaque des convertisseurs, permet d'utiliser des résistances de valeur supérieure sans impact sur les performances et en favorisant la stabilité du système. Des performances améliorées Outre les avantages déjà énoncés à propos de la conception du circuit, il est évident que les performances ne sont pas en reste, et qu'il est encore possible de les améliorer en tirant parti de ces caractéristiques. L'attrait mentionné précédemment, à savoir la possibilité d'obtenir de meilleures performances avec des amplificateurs à bande passante réduite, sera également mis à profit pour étendre les performances de systèmes déjà optimisés. Par exemple, même avec un signal d'entrée correctement stabilisé, un certain décalage entre les entrées demeure possible au moment de la stabilisation finale. L'activation des tampons de précharge signifie que cette stabilisation finale est beaucoup moins importante, ce qui se traduit par des niveaux de distorsion harmonique jusqu'alors inaccessibles. La réduction du courant qui traverse la résistance série du circuit RC est également profitable. De plus, non seulement le courant d'entrée est considérablement réduit, mais il n'exerce pratiquement aucune influence sur la tension d'entrée. Il est possible d'améliorer la distorsion harmonique, dans la mesure où tout écart des résistances sur la paire d'entrée entraînera des différences de tension plus faibles au niveau de l'entrée du convertisseur A/N, tandis que les chutes de tension ne seront pas dépendantes du signal. Le courant d'entrée plus faible a également un effet sur la précision du décalage (offset) et du gain. En raison de la baisse du courant absolu, ainsi que de la réduction des variations de courant dépendantes du signal, il est moins probable que les variations de valeur des composants sur chaque voie ou sur chaque carte physique entraînent une variation significative des erreurs de décalage et de gain (pour la même raison, un courant infé-rieur abaissera la tension aux bornes des résistances série). Avec les tampons de précharge, il est possible d'obtenir de meilleures spécifications d'erreur de gain et de décalage absolus, ainsi que des performances homogènes entre les cartes ou les voies d'un système. Dans les systèmes où la fréquence d'échantillonnage du convertisseur A/N change pour s'adapter aux exigences d'acquisition de signal –dans les cartes d'acquisition de données, notamment – la baisse du courant est aussi bénéfique. Sans tampon de précharge, les chutes de tension au niveau des composants passifs en entrée varient en fonction de la fréquence d'échantillonnage du convertisseur A/N, étant donné que le condensateur d'entrée du convertisseur chargera et déchargera plus souvent aux fréquences d'échantillonnage supérieures. Ceci s'applique à la fois au chemin d'entrée analogique et au chemin d'entrée de référence. Cette variation de la tension est considérée par le convertisseur A/N comme des erreurs de gain et d'offset qui dépendent de la fréquence d'échantillonnage. Or, lorsque les tampons de précharge sont activés, le courant absolu – et par suite la chute de tension absolue– est initialement beaucoup plus bas, de sorte que la variation de tension par rapport aux variations de la fréquence d'échantillonnage du convertisseur A/N sera également beaucoup moins forte. Au bout du compte, il n'est pas aussi nécessaire de recalibrer les erreurs d'offset et de gain du système lorsque la fréquence d'échantillonnage est ajustée, et que les erreurs de décalage et de gain sont moins sensibles aux variations de la fréquence d'échantillonnage du convertisseur A/N. Des avantages en termes de coûts L'un des principaux avantages découlant de l'utilisation de ces fonctions d'aide au processus d'attaque concerne le coût total de possession (TCO). Sur le plan de la conception et des performances, une baisse potentielle des coûts de développement et d'exploitation est obtenue. Ainsi: - une conception simplifiée minimisera les efforts de conception et accélérera la réalisation du premier prototype; - une conception simplifiée augmentera les chances de concevoir un prototype avec succès dès la première tentative; - la fonction d'aide au processus d'attaque d'un convertisseur se traduit par l'utilisation d'une bande passante moins importante avec, à la clé, des amplificateurs moins onéreux; - les avantages de gain et d'offset minimisent l'étalonnage en usine; - l'amélioration des performances réduit l'étalonnage sur le terrain ou à la demande, ce qui minimise les périodes d'indisponibilité et/ou améliore le débit. Figure 2.-Rapport signal/bruit et distorsion par rapport à la bande passante d'entrée Avec le mode High-Z de l'AD4003 activé, un faible courant d'entrée abaisse les exigences de fréquence de coupure au niveau du filtre. Exemples concrets d'utilisation du CAN AD7768-1 Le tableau ci-dessous fournit certaines données mesurées qui figurent dans la note d'application AN-1384. Elles donneront tout loisir aux concepteurs de choisir l'amplificateur le mieux adapté pour attaquer le convertisseur AD7768-1. Ces exemples montrent que des améliorations significa-tives sont obtenues lorsque la fonction de précharge est activée sur certains amplificateurs. La rai-son de l'amélioration de la distor-sion harmonique (THD) est notam-ment due à une combinaison des effets mentionnés précédemment, qui découlent de la réduction de la charge que le convertisseur A/N applique au circuit de commande. Par exemple, une configuration effectuée avec l'amplificateur ADA4945-1 améliorera la distorsion harmonique de 4 dB lorsque les tampons de précharge sont activés. De même, le circuit ADA4807-2 enregistrera une augmentation de la distorsion harmonique de 18 dB. Ces exemples montrent que les amplificateurs capables de parvenir par eux-mêmes à des performances raisonnables atteignent des niveaux de performances exceptionnels lorsqu'ils sont associés aux fonctions facilitant le processus d'attaque dont sont dotés de nombreux convertisseurs A/N lancés par Analog Devices. Conclusion Concevoir un circuit chargé d'attaquer un convertisseur A/N sans étage tampon n'est pas une mince affaire. Outre une méthodologie appropriée, cette opération nécessite des concessions en raison du phénomène de transitoires d'échantillonnage ( kickback ) qui touche le convertisseur et des exigences en bande passante. Il n'est pas rare que les circuits requis définissent les performances globales du système sur le triple plan de la distorsion harmonique (THD), du rapport signal/bruit (SNR) et de la consommation d'énergie. Les derniers convertisseurs de précision réalisés par Analog Devices pour les architectures de conversion à approximations successives (SAR) et sigma-delta (S- )disposent d'une panoplie de fonctions chargées de minimiser le courant d'entrée du convertisseur. Cette approche minimise les transitoires d'échantillonnage, tout en réduisant et en simplifiant considérablement le recours à des circuits externes, et en atteignant des valeurs de spécifications jusqu'alors inaccessibles. Les technologies SAR et S- gagnent ainsi en facilité d'utilisation, ce qui réduit les délais de développement et améliore les spécifications des systèmes. n

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