Les convertisseurs analogique/numérique (ADC) haute résolution sont des denrées rares. Ils desservent des marchés très spécifiques qui exigent une gamme dynamique élevée et une excellente précision de mesure, afin de fournir des représentations précises de signaux du monde réel dans des environnements de bruit complexes. Jusqu'à tout récemment, ce marché était très largement dominé par les ADC delta-sigma. Or, ces appareils spécialisés doivent être suréchantillonnés, ce qui se traduit par des débits de sortie binaires extrêmement lents. Cet article présente un nouvel ADC à registre d'approximations successives (SAR) alliant haute résolution et taux d'échantillonnage élevé à une plage dynamique 24 bits exceptionnelle, très largement supérieure à la plage dynamique et à la précision de mesure des convertisseurs équivalents. Les applications qui suivent sont des exemples de bonne utilisation de cette plage dynamique.
Une application médicale telle un électro-encéphalographe peut exiger la collecte de signaux en présence de niveaux de bruit élevés ; l'activité électrique dans une cellule stimulée, ou potentiel d'action, peut varier entre 10 uV et 100 mV à des fréquences comprises entre 100 Hz et 2 kHz. Si les signaux sont masqués par le bruit, il convient de pondérer les échantillons pour résoudre le signal, ce qui exige un ADC avec une plage dynamique élevée.
La sismologie et l'exploration sismique sont d'autres exemples d'applications exigeantes présentant des exigences communes. La plage dynamique des signaux des sismomètres et des accéléromètres peut aller jusqu'à 140 dB et leurs fréquences jusqu'à 100 Hz. Le rapport signal-bruit des signaux sismiques reçus par les capteurs est très faible en raison de l'absorption et de l'atténuation par le sous-sol et les couches profondes pendant la propagation du signal. La mesure de ces signaux constitue de ce fait un vrai défi.
Un capteur de gaz doit être capable de détecter de très faibles concentrations de gaz, et de générer une alarme à des niveaux aussi bas que 0,5 ppm. Une haute précision et une plage dynamique étendue sont vitales pour cette application, afin de garantir la détection rapide des produits chimiques, tout en veillant à ce que les alarmes ne soient pas inutilement activées.
Des tendances plus générales influent également sur les exigences de conversion des données. L'évolution vers l'adoption d'appareils portables se traduit par des tâches de conversion des données de plus en plus complexes et par une migration vers des appareils alimentés par batterie. Les concepteurs doivent développer des solutions qui occupent moins d'espace et qui consomment moins d'énergie.
Pour les tâches de conversion des données, chacune des architectures ADC les plus courantes présente un certain nombre d'avantages et d'inconvénients spécifiques.
Architectures des convertisseurs de données
La conception d'un convertisseur analogique/numérique implique la plupart du temps un ensemble de compromis. Pour les convertisseurs, tout dépend de l'objectif principal recherché : haute résolution, haute vitesse ou faible consommation d'énergie. Remarque : la combinaison des trois n'est pas toujours possible !
Pour couvrir le spectre complet des exigences des applications, différentes architectures d'ADC ont fait leur apparition au fil des ans, mais trois d'entre elles seulement sont principalement utilisées aujourd'hui.
L'architecture de type registre d'approximations successives (SAR) a traditionnellement été l'architecture « par défaut » pour les applications de conversion analogique/numérique grand public présentant des signaux basse fréquence. Cette architecture assure la transition entre les architectures delta-sigma haute résolution, basse vitesse et l'architecture pipeline offrant une vitesse élevée mais des performances moindres. Leur coût est généralement inférieur à celui des ADC en pipeline et leur consommation d'énergie relativement faible. Le convertisseur SAR n'affiche aucune latence entre les conversions successives, ce qui en fait la solution idéale pour l'échantillonnage des signaux multiplexés ou non périodiques.
Les convertisseurs pipeline utilisent une architecture de pipeline séquentiel multi-étapes pour augmenter la vitesse d'échantillonnage. Ils dominent le marché à des taux d'échantillonnage très élevés pour l'acquisition de bandes passantes à signaux étendus ou de signaux présentant des fréquences d'entrée supérieures. Sur la base d'un échantillon, ils consomment par ailleurs moins d'énergie que les ADC SAR haute vitesse. Ils ne sont pas adaptés au traitement d'entrées multiplexées ou non périodiques dans la mesure où il est nécessaire de « vider le pipeline » chaque fois que la source change, ce qui augmente considérablement la latence. Le convertisseur delta-sigma a été le rival principal de l'ADC SAR pour les applications de résolution supérieure ; il repose sur un modulateur delta-sigma et sur un filtre numérique à décimation. Cette architecture est lente par rapport au SAR et elle n'est par ailleurs pas précise. Plus important encore, le spectre de bruit d'un ADC delta-sigma inclut les bruits de vibrations tandis que le plancher de bruit des ADC SAR présente une densité spectrale de puissance uniforme. Les ADC SAR sont par conséquent le choix de prédilection pour la détection de bruits ou de vibrations à des niveaux incroyablement bas.
Présentation du LTC2380-24
Malgré ses inconvénients, l'architecture delta-sigma relativement lente a longtemps été la seule option pour les applications haute résolution car les convertisseurs SAR n'ont généralement jamais été disponibles à des résolutions supérieures à 18 bits. Récemment, Power by Linear d'Analog Devices a présenté le LTC2380-24, un convertisseur SAR qui allie haute résolution (24 bits) et taux d'échantillonnage élevé (jusqu'à 2 Msps). C'est le produit phare de la famille LTC2380 de Power by Linear d'Analog Devices, comprenant notamment le LTC2378-20 1 Msps à 20 bits, le LTC2379-18 1,6 Msps à 18 bits et le LTC2380-16 2 Msps à 16 bits. Tous ces composants sont intégrés dans les modèles MSOP-16 et DFN 4 mm x 3 mm, et ils sont compatibles broche à broche.
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Grâce à sa précision de 24 bits, à son taux d'échantillonnage rapide de 2 Msps et sa linéarité inégalée de ± 0,5 ppm (typ), le LTC2380-24 est capable de résoudre des signaux d'entrée de niveau extrêmement bas dans des applications à plage dynamique élevée telles les ECG/EEG.
Le LTC2380-24 offre des fonctionnalités supplémentaires, notamment un filtre numérique intégré et une compression de gain numérique pour un fonctionnement à alimentation simple, ce qui simplifie considérablement les problèmes de conception les plus courants.
Les caractéristiques techniques détaillées du LTC2380-24 sont mentionnées sur la page produit correspondante. Dans cet article, nous nous intéresserons à certaines des caractéristiques spéciales du produit et à leurs bénéfices pour les applications cible, ainsi qu'à leur incidence sur quelques-unes des spécificités des applications.
Filtrage numérique et pondération
Bon nombre d'applications, telles l'exploration sismique, nécessitent la mesure exacte d'un signal basse fréquence extrêmement faible en présence de bruit de bande passante. Le suréchantillonnage du signal à un taux largement supérieur à celui de Nyquist, puis la pondération du résultat de plusieurs conversions, réduit l'effet de ce bruit non corrélé. Le suréchantillonnage augmente la plage dynamique effective de l'ADC en diffusant le bruit sur une bande passante plus large, ce qui réduit la densité spectrale du bruit dans la bande passante d'intérêt. Il réduit également la complexité du filtre anti-repliement frontal, ce qui se traduit par une baisse de la consommation d'énergie ainsi que du bruit et de la distorsion introduits.
Le LTC2380-24 intègre un filtre de pondération numérique capable d'assurer cette fonction sans aucun matériel supplémentaire, ce qui simplifie la conception et offre un certain nombre d'avantages uniques. Le taux d'échantillonnage élevé du LTC2380-24 en fait le choix de prédilection dans de nombreuses applications. L'avantage, pour l'utilisateur, réside dans la libération dans le processeur de précieuses ressources pouvant être utilisées dans l'exécution d'autres tâches, tandis que les données pondérées peuvent être transférées à des débits beaucoup plus lents (aussi bas que 2 Msps).
Le filtre de pondération numérique utilisé dans le LTC2380-24 est ce que l'on appelle un filtre SINC1. Il est capable de pondérer des blocs de conversions variant entre N = 1 et N = 65 536. Les résultats sont exceptionnels : la plage dynamique passe de 101 dB à 1,5 Msps, à de véritables performances 24 bits de 145 dB à 30,5 sps
Figure 1 : Amélioration de la plage dynamique avec un filtre de pondération numérique
Des fréquences d'entrée particulières peuvent être rejetées en sélectionnant N en fonction du taux d'échantillonnage et de la fréquence à rejeter. Ceci s'avère tout particulièrement utile pour rejeter les fréquences de lignes 50 Hz ou 60 Hz, qui posent problème à un grand nombre d'applications d'acquisition de données sensibles.
La sélection de N = 20 000 et d'un taux d'échantillonnage de 1 Msps entraîne le rejet des fréquences de 50 Hz, par exemple ; reportez-vous à la fiche technique du LTC2380-24 pour plus de précisions.
Compression de gain numérique
Figure 2 : Compression de gain numérique
Le LTC2380-24 -24 intègre une fonctionnalité de compression de gain numérique (DGC). Cette fonctionnalité permet de faire en sorte que la variation d'entrée à pleine échelle se situe entre 10 % et 90 % de la plage d'entrées analogiques +/-VREF. La broche REF/DGC est maintenue à un niveau bas pour que cette fonctionnalité puisse être activée. La broche DGC permet de faire en sorte que le circuit de conditionnement du signal à l'avant du LTC2380-24 soit alimenté à partir d'une source d'alimentation +5 V unique, puisque chaque entrée ADC oscille entre 0,5 V et 4,5 V lors de l'utilisation d'une référence 5 V avec le LTC2380-24, comme indiqué sur la Figure 2. Ceci permet de se dispenser d'un rail négatif sur le pilote ADC, ce qui réduit le coût du système et permet de réaliser des économies d'énergie supplémentaires. Cette fonctionnalité présente de nombreux avantages pour les applications alimentées par batterie et les applications portables.
Gestion de la puissance
Le LTC2380-24 se met hors tension au terme de la conversion, bien que le pointage des données converties continue d'être possible. En mode hors tension, la puissance totale consommée est de 2,5 uW (typ) seulement, ce qui convient parfaitement aux applications de faible puissance qui nécessitent uniquement des échantillons d'entrée périodiques. Le LTC2380-24 consomme seulement 28 mW à partir d'une source d'alimentation 2,5 V unique lors d'un échantillonnage à 2 Msps.
Détail de l'application : optimisation du pilote d'entrée
Compte tenu de la résolution élevée et des taux d'échantillonnage du LTC2380-24, il est essentiel de veiller à ce que le circuit conducteur de l'entrée analogique ADC ne limite pas les performances globales. Avec une taille LSB de 0,6μV seulement pour VREF=5 V, il n'est pas toujours facile de s'assurer que le pilote lui-même n'est pas le facteur limitatif !
Figure 3 : Filtrage des entrées du LTC2380-24
Il est conseillé de recourir à un amplificateur tampon pour assurer la faible impédance de sortie nécessaire à la stabilisation rapide du signal analogique lors de la phase d'échantillonnage et de maintien. La distorsion et le bruit de l'amplificateur tampon et de la source du signal doivent également pris en considération, dans la mesure où ils viennent s'ajouter au bruit et à la distorsion de l'ADC.
Pour réduire le bruit, les signaux d'entrée doivent être filtrés avant l'entrée de l'amplificateur tampon au moyen d'un filtre approprié. Le filtre passe-bas RC simple (LPF1) représenté sur la Figure 3 est suffisant pour la plupart des applications.
Un filtre passe-bas supplémentaire, LPF2, est nécessaire entre la sortie du pilote et l'entrée de l'ADC. Ce filtre joue un rôle important car le processus d'échantillonnage du LTC2380-24 crée un transitoire de charge lorsque le condensateur d'échantillonnage est commuté au début du processus d'échantillonnage et de maintien. La sortie de l'amplificateur est ainsi brièvement mise « hors circuit » pendant la circulation de la charge entre l'amplificateur et le condensateur d'échantillonnage. Le pilote doit être en mesure de récupérer de ce transitoire de charge avant la fin de la période d'échantillonnage. Si ce n'est pas le cas, la représentation du signal au niveau de la broche d'entrée de l'ADC n'est pas correcte. Le LPF2 découple le transitoire d'échantillonnage de l'ADC ; la capacitance fournit l'essentiel de la charge et les résistances amortissent et atténuent la charge injectée par le LTC2380-24.
Le LPF2 assure un filtrage passe-bas aussi bien en mode différentiel qu'en mode commun. La fréquence de coupure différentielle est déterminée par 1/2πR(2CD + CC), et la fréquence de coupure en mode commun par 1/2πRCC .
Il est essentiel que les condensateurs CC soient aussi similaires que possible. Dans la mesure où les résistances et les condensateurs sont susceptibles d'augmenter la distorsion, des composants de qualité tels que résistances à film métallique et condensateurs céramique à dérive nulle (NPO) ou mica argenté doivent être utilisés dans la fabrication.
Choix de l'ampli OP du pilote
Deux amplificateurs opérationnels (opamps) différents sont généralement utilisés avec le LTC2380-24 pour optimiser les performances CA.
Pour mettre en tampon une source entièrement différentielle, ou convertir une entrée unipolaire sous forme différentielle, le LT6203 est recommandé. Le LT6203 est un opamp double à faible puissance, stable à gain unitaire, avec une entrée et une sortie rail/rail. Il dispose d'un GBW de 100 MHz, d'une tension de très faible bruit de 1,9n V/√Hz et d'une distorsion harmonique inférieure à –80 dBc à 1 MHz. Le LT6203 consomme seulement 2,5 mA de courant d'alimentation par canal, et convient de ce fait plus particulièrement aux applications consommant peu d'énergie.
Le pilote ADC SAR LTC6362 est recommandé dans le cas d'un fonctionnement à alimentation simple avec une alimentation 5 V. Il intègre aussi une entrée et une sortie rail/rail, mais il est entièrement différentiel et se caractérise par une densité de bruit de 3,9 nV/√Hz, un GBW de 180 MHz et une distorsion de -116 dB à 1 kHz.
La figure 4 illustre l'utilisation du LTC6362 dans une application à alimentation simple conjointement au LTC6665, une référence de tension de précision à très faible dérive se caractérisant par un bruit de crête à crête de 0,25 ppm seulement et une précision maximum de 0,025 %. Notez que c'est la tension présente au niveau de la broche 2 du LTC6362 qui définit le niveau de la tension de mode commun. Lorsque la broche reste flottante, un diviseur de résistance interne développe une tension par défaut de 2,5 V avec une alimentation de 5 V.
Figure 4 : Circuit d'application à alimentation simple utilisant le LTC6362
Un derrick d'exploration sismique peut utiliser plus de 1 000 éléments de détection, appelés géophones. Chacun deux produit des signaux extrêmement faibles dans un environnement à fort bruit à des fréquences pouvant aller jusqu'à 100 kHz. Le taux d'échantillonnage élevé du LTC2380-24 permet un suréchantillonnage ainsi que l'utilisation du filtre de pondération numérique pour une plage dynamique maximale.
De même, les applications médicales telles qu'IRM, chromatographie gazeuse et appareils de radiographie numérique impliquent la mesure très précise de signaux extrêmement faibles et imposent des exigences strictes au niveau de la plage dynamique frontale d'acquisition des données, ce qui fait du LTC2380-24 un choix idéal.
Prise en charge de la conception
La carte de démonstration DC2289, représentée à la figure 5, facilite considérablement l'évaluation du LTC2380-24 -24.
La carte DC2289 représente l'agencement correct et la sélection de dispositifs recommandée pour une conception optimale en termes de performances. La carte comprend le LT6203 qui sert d'amplificateur tampon d'entrée pour une source de signal entièrement différentielle et un filtre passe-bas intégré.
Pour démontrer des paramètres de performance CC tels que bruit de crête à crête et linéarité CC, le DC2289 peut se connecter au contrôleur série USB DC590B ou à la carte de démonstration compatible Arduino DC2026C Linduino One Isolated. Il est également possible d'utiliser la carte de collecte de données DC890B PScope™ pour démontrer des mesures de performance CA telles que SNR, THD, SINAD et SFDR.
Figure 5 : Carte de démonstration DC2289A
LTC propose une grande diversité d'outils gratuits pour l'analyse et l'acquisition de données, notamment le système QuikEval pour la carte DC590, et le logiciel PScope pour la carte DC890. L'intégralité du code source de la DC2026, LTSketchbook.zip, est disponible en téléchargement sur le site de Power by Linear d'Analog Devices. Le pack inclut le code de démonstration et les bibliothèques applicables à tous les dispositifs couverts, notamment le LTC2380-24.
Conclusion
Le LTC2380-24 est un convertisseur analogique/numérique révolutionnaire offrant une combinaison haute résolution/haute vitesse unique.
Il disposed'un certain nombre de fonctionnalités qui permettent aux concepteurs de résoudre des problèmes et d'exécuter des tâches dans une grande diversité de domaines analogiques de précision, tels qu'acquisition de données, exploration sismique, applications médicales, commande des processus industriels et ATE.
Allié à la suite complète d'outils de développement de Power by Linear d'Analog Devices, le LTC2380-24 permettra aux concepteurs de démarrer rapidement leur prochain projet d'acquisition de données de précision.