Les performances et la fiabilité sont deux facteurs primordiaux pour les équipements et appareils scientifiques de laboratoire ou de terrain. Toutefois, les inefficacités liées à la nomenclature peuvent engendrer des surcoûts et nuire à la précision des mesures. Ces inefficacités sont souvent dues à l'approvisionnement de dispositifs de chaîne de signaux. L'accès à une solution de chaîne de signaux complète, avec une assistance compétente et expérimentée par un fournisseur fiable, permet d'obtenir un système et une conception efficaces, ainsi qu'une mise sur le marché rapide, deux objectifs qu'il est parfois difficile d'atteindre. Un modèle de référence « Circuits From The Lab » d'Analog Devices – un colorimètre double canal avec amplificateurs à transimpédance à gain programmable et fonction de détection synchrone numérique – est utilisé pour démontrer l'intérêt d'une solution de chaîne de signaux complète d'un fournisseur.
L'augmentation du nombre d'opportunités de production d'équipements et appareils scientifiques de laboratoire et de terrain sur les marchés en expansion s'accompagne d'une pression croissante sur la rapidité de mise sur le marché de ces solutions. La mise en place de cycles de conception rapides, tout en maintenant la précision et la fiabilité de l'appareil, dépend en grande partie de l'efficacité et de la qualité des composants essentiels de la chaîne des signaux. Des composants très intégrés de la chaîne des signaux, tels que les amplificateurs et les convertisseurs analogiques/numériques (ADC), contribuent à simplifier la nomenclature et à abaisser les coûts. De plus, la capacité à se procurer ces composants auprès d'un même fournisseur peut être source d'économies et permet souvent d'obtenir une assistance de meilleure qualité. Enfin, ces facteurs peuvent faciliter la tâche des concepteurs et aboutir à des modèles plus performants, en un temps beaucoup plus court.
Légende : Le Kit IoT Zedboard permet de générer un signal modulé et une interface pour les applications de spectroscopie, grâce à la carte d'évaluation du colorimètre double canal CN0363 d'Analog Devices.
Des conceptions de référence haute qualité fournissent des solutions de circuit adaptables pour de multiples applications
Analog Devices propose un large éventail de conceptions de référence, disponibles gratuitement sur son site web. Ces conceptions de référence sont exploitables telles quelles, comme des solutions de circuit, mais les explications détaillées fournies permettent à un concepteur de les adapter à sa propre application. Ces conceptions de référence embarquent de nombreux composants susceptibles d'être intégrés dans des appareils de mesure, de maintenance ou de test en laboratoire ou sur le terrain.
Par exemple, la note de circuit 0363 (CN0363), qui correspond à un colorimètre double canal avec amplificateurs à transimpédance à gain programmable et fonction détection synchrone numérique, intègre des ADC haut de gamme et des amplificateurs haute précision d'Analog Devices. Une vidéo présente cette note de circuit et fournit des informations sur le processus, qui complète cet article.
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Le code FPGA de la CN0363 est également disponible auprès d'Analog Devices.
Le circuit effectue des mesures de spectroscopie d'absorption à trois longueurs d'onde de lumière et optimise la précision du résultat grâce à une fonctionnalité qui isole les sources de bruit. Ces dispositifs sont fréquemment utilisés dans les solutions d'analyse chimique et de surveillance environnementale, pour déterminer les caractéristiques et les concentrations des échantillons de liquide.
Légende : Les principaux composants de la chaîne de signaux de la carte d'évaluation CN0363 – ADA4528-1, ADA4805 et AD7175-2 – sont utilisés respectivement comme des amplificateurs à transimpédance, des amplificateurs tampon à vitesse de balayage élevée et un convertisseur analogique-numérique haute précision.
Les principaux composants de la chaîne de signaux simplifient la nomenclature et améliorent les performances
Le colorimètre double canal comprend un émetteur qui envoie trois fréquences lumineuses modulées à travers un échantillon de liquide. Cette lumière est atténuée par les fréquences caractéristiques de l'échantillon, puis reçue par chacune de ses photodiodes. L'ADA4528-1 est utilisé comme amplificateur à transimpédance pour générer une tension à partir du courant de sortie des photodiodes réceptrices. Ce courant de sortie pouvant être très faible pour les liquides très absorbants, les fonctionnalités de l'amplificateur à zéro automatique ADA4528-1 éliminent l'erreur de décalage, suppriment le bruit 1/f et minimisent le bruit de large bande. Pour éviter les pics de bruit à la fréquence du zéro automatique, celle-ci est d'environ 200 kHz, soit bien au-delà de la bande passante des signaux de 3 dB de l'amplificateur.
Légende : Les deux réseaux de résistances de l'amplificateur à transimpédance permettent de configurer celui-ci afin d'optimiser la sortie pour les substances présentant des caractéristiques d'absorption très importantes ou très faibles.
Bien que l'ADA4528-1 puisse afficher une tension de saturation très faible, le décalage peut limiter l'opération rail à rail s'il est négatif. Pour ne pas nécessiter une alimentation négative et pour prévenir toute déformation de type « clipping » dans les amplificateurs à transimpédance, l'ADA4805-1 est utilisé pour fournir un tampon de tension de polarisation de 100 mV à l'anode de la photodiode. Bien adapté au découplage, l'amplificateur opérationnel (ou amp OP) ADA4805-1 est utilisé comme un tampon de tension hautement stable, capable de gérer des charges capacitives importantes. La tension de polarisation des photodiodes et la sortie du potentiomètre numérique AD5201 utilisé pour régler le courant des DEL sont mis en tampon par l'amp OP ADA4805-1.
Un séparateur de faisceau divise les sorties DEL rouge, vert et bleu (RVB) et les envoie au récepteur de l'échantillon et au récepteur de référence. Ces deux récepteurs sont équipés des mêmes circuits d'amplificateur à transimpédance à gain programmable, reliés en sortie à des canaux séparés de l'ADC Σ-Δ 24 bits à très faible bruit (AD7175-2). Afin d'échantillonner les deux canaux pendant le temps de stabilisation d'un cycle, l'ADC est configuré pour un débit de données de 250 kSPS avec un filtre sinc5+sinc1. Cette méthode produit un taux d'échantillonnage efficace, par canal, de 25 kSPS et une valeur de sortie toutes les 40 µs.
Légende : La sortie SPI de l'AD7175-2 produit 250 kSPS de données de référence et échantillonnées, qui sont utilisées pour générer les données IQ et une comparaison numérique détaillée de ces données.
Pour éviter tout crénelage, dans la bande passante de l'ADC, par des fréquences supérieures à 12,5 kHz, comme les harmoniques impaires de modulation d'onde carrée, une phase de démodulation synchrone est effectuée avec un FPGA. Néanmoins, s'il existe une source de bruit au niveau des fréquences de modulation, elle est ramenée aux fréquences fondamentales. Pour éviter ce phénomène, il faut maintenir la relation entre la modulation et la fréquence d'échantillonnage, formulée par l'équation suivante :
Avantages d'un amp OP rail à rail, zéro dérive et à bruit ultra-faible pour la chaîne des signaux
L'ADA4528-1 est conçu pour les applications où la limitation de l'erreur dans la chaîne des signaux est primordiale. Il peut s'agir d'applications médicales ou de détection, dans lesquelles les petites tensions sont échantillonnées et converties. L'amplificateur génère un bruit faible type de 5,6 nV/√Hz à f = 1 kHz et de 97 nV crête à crête à f = 0,1 à 10 Hz pour un AV de +100, et une dérive de décalage très faible de 0,015 μV/°C avec une tension de saturation maximale de 2,5 μV. Ces spécifications sont valables sur la plage de température étendue de −40 à +125 °C pour l'industrie et l'automobile.
Capable de générer une entrée et une sortie rail à rail avec une alimentation comprise entre 2,2 V et 5,5 V ou deux alimentations comprises entre +/- 1,1 V et+/- 2,75 V, l'ADA4528-1 affiche également un CMRR élevé de 135 dB minimum et un PSRR de 130 dB minimum. Ces caractéristiques sont particulièrement importantes si vous traitez des signaux très faibles près du sol. Un gain élevé de 130 dB et un gain unitaire de 4 MHz autorisent une bande passante élevée de 3 MHz à AV = +100 et une bande passante -3 dB en boucle fermée de 6,2 MHz.
L'ADA4528-1 est disponible dans les modules MSOP et LFCSP à 8 broches. Pour plus d'informations sur ce composant et les deux modules ADA4528-2, consultez la Note d'application AN-1114, « L'amplificateur zéro dérive à bruit minimal affiche une densité de bruit de tension de 5,6 nV/√Hz ».
L'amp OP rail à rail, à dérive de décalage thermique, puissance et bruit faibles, offre des vitesses de balayage supérieures
L'ADA4805-1 est plus performant en matière d'économie d'énergie, grâce à des caractéristiques tout spécialement conçues pour les systèmes de conversion de données haute résolution fonctionnant à faible puissance. Il est idéal pour les applications telles que les instruments alimentés par batterie, les terminaux de point de vente portables et les filtres actifs de micropuissance. L'ADA4805-1 embarque une fonction de broche de fermeture qui, en position fermée, abaisse le courant de repos, déjà faible de 495 μA, à 3 μA. Pour la rapidité des fonctions de conversion analogique-numérique, le temps de démarrage complet de l'amplificateur n'est que de 3 μs.
Malgré une puissance requise très faible, l'ADA4805-1 affiche une bande passante -3 dB très élevée de 105 MHz avec une vitesse de balayage de 160 V/μs et un temps de stabilisation à 0,1 % de 35 ns. La vitesse de balayage élevée et le temps de stabilisation rapide permettent d'utiliser l'ADA4805-1 comme un amplificateur tampon d'attaque à grande charge capacitive, avec d'excellentes caractéristiques de découplage.
De plus, il présente une tension de saturation d'entrée maximale de 125 μV et une dérive de décalage d'entrée type de 0,2 µV/°C pour une alimentation comprise entre 3 et 10 V à +/- 1,5 V, 3 V, 5 V ou +/- 5 V. Si l'entrée affiche une plage en mode commun de -Vs - 0,1 V à +Vs - 1 V, la sortie se caractérise par un faible bruit de 5,9 nV/√Hz à 100 kHz et de 0,6 pA/√Hz à 100 kHz, ainsi qu'une faible distorsion de HD2/HD3 de − 102 dBc/− 126 dBc à 100 kHz pour une sortie rail à rail complète.
Afin de minimiser le bruit sur la plage de température étendue de −40 à +125 °C pour l'industrie et l'automobile, l'amplificateur ADA4805-1 est conçu selon le processus XFCB (eXtra Fast Complementary Bipolar) exclusif d'Analog Devices, Inc., et est disponible dans les modules SOT-23 et SC70 très compacts à 6 broches. Une version à double amplificateur, ADA4805-2, est également disponible dans les modules MSOP à 8 broches et LFCSP à 10 broches.
Les ADC Σ-Δ à faible bruit et à stabilisation rapide offrent une souplesse remarquable pour les applications scientifiques de laboratoire ou de terrain
L'AD7175-2 embarque un ADC Σ-Δ à bruit très faible et à stabilisation rapide, avec des parties sans bruit de 17,2 à 250 kSPS, de 20 à 2,5 kSPS et de 24 à 20 SPS ainsi qu'une INL de +/-1 ppm de la plage complète. L'ADC peut être configuré comme un convertisseur différentiel à 2 canaux ou pseudo-différentiel à 4 canaux, avec un débit de sortie compris entre 5 et 250 kSPS. Les entrées du multiplexeur de canaux internes sont transmises par des tampons d'entrée analogique rail à rail, présentant une impédance élevée.
L'ADC admet plusieurs possibilités d'alimentation, sur les broches AVDD1 5 V ou AVDD1/AVSS +/- 2,5 V, ou sur les broches AVDD2 et IOVDD 2 à 5 V, avec un appel de courant type de 8,4 mA seulement. L'ADC affiche également une tension de référence sur puce de 2,5 V et une dérive faible de +/- 2 ppm/°C.
L'AD7175-2 intègre des blocs de conditionnement des signaux analogiques et numériques, qui permettent de configurer chaque canal d'entrée indépendamment. Par exemple, le rejet à 50 ou 60 Hz de 85 dB avec un temps de stabilisation de 50 ms pour un débit de données en sortie de 27,27 SPS est assuré par les filtres numériques qui conditionnent le signal d'entrée. D'autres fonctions de traitement numérique, comme l'étalonnage du décalage et du gain, sont également configurables indépendamment par canal. Les entrées numériques de commande des E/S GPIO et MUX I/O permettent de commander le multiplexeur d'entrées, mais l'AD7175-2 peut aussi basculer automatiquement entre les entrées, réduisant ainsi la complexité du circuit de commande.
Avec un inverseur de bascule de Schmitt à 3 ou 4 fils ou une interface numérique SCLK, l'ADC peut échanger des données SPI, QSPI, MICROWIRE et DSP. L'oscillateur d'horloge interne ou externe permet d'assurer la synchronisation, et l'ADC fournit une sortie de l'horloge interne à titre de référence. Ces caractéristiques, combinées à la plage de température étendue de −40 à +105 °C pour l'industrie, permettent d'utiliser l'AD7175-2 dans des applications de commande de processus, des instruments multicanaux à visée médicale ou scientifique, des outils de mesure de température/pression et des dispositifs de chromatographie. L'ADC est fourni dans un module TSSOP à 24 broches.
Légende : L'AD7175-2 embarque de nombreuses fonctionnalités de commande numérique et des fonctions automatisées qui réduisent le nombre de composants externes requis.
Conclusion
Avec la note de circuit CN0363, Analog Devices démontre l'intérêt d'un fournisseur de solutions de circuit, proposant une gamme de produits suffisamment diversifiée avec une solution de chaîne des signaux virtuellement complète pour des applications scientifiques de laboratoire, de terrain ou autres. Ces avantages contribuent à réduire la complexité et les coûts de la nomenclature, tout en accélérant la mise sur le marché et en simplifiant la tâche des ingénieurs chargés de la conception des systèmes.