ADC SAR haute précision pour des mesures précises et un suivi de signal rapide

La technologie moderne d'ADC SAR de Power by Linear d'Analog Devices offre de meilleures performances aux applications de précision, rivalisant avec les meilleurs ADC delta-sigma en termes de spécifications CC (non-linéarité intégrale (INL), non-linéarité différentielle (DNL), décalage, erreur de gain, et stabilité) tout en maintenant des taux élevés d'échantillonnage et un fonctionnement sans latence. Les ADC SAR d'échantillonnage rapide sont souvent utilisés pour échantillonner les faibles signaux de bande passante. Le suréchantillonnage traditionnel permet d'utiliser un filtre à décimation (filtre passe-bas + sous-échantillonnage) ce qui augmente la plage dynamique du système. Le suréchantillonnage assouplit également les contraintes imposées au filtre anti-repliement analogique. En l'absence de suréchantillonnage, le filtre anti-repliement analogique doit avoir une forte atténuation (bande de transition nette), augmentant ainsi sa complexité. Le suréchantillonnage permet également d'utiliser un simple filtre analogique d'ordre bas associé à un filtre numérique pour créer un filtre anti-repliement équivalent en mode mixte avec une atténuation très forte. Cependant, cela présente l'inconvénient de placer la charge de cette tâche de filtrage sur le processeur hôte et nécessite un processeur plus rapide pour acquérir les données de sortie de l'ADC à un taux plus rapide .

C'est pourquoi Power by Linear d'Analog Devices aborde le marché de précision différemment : associer la haute précision et la rapidité de leur architecture ADC SAR propriétaire aux filtres numériques intégrés. Les tout derniers produits sont LTC2508-32 et LTC2512-24. Le LTC2508-32 est un ADC SAR 32 bits 1 Msps avec un filtre numérique intégré à broches configurables optimisé pour les applications de précision à faible bande passante. Le LTC2512-24 est un ADC SAR 24 bits 1,6 Msps avec un filtre optimisé pour les applications de précision à haute bande passante. Le LTC2508-32 atteint une impressionnante plage dynamique de 145 dB au taux de sortie le plus bas de 61 sps, tandis que le LTC2512-24 atteint 117 dB à un taux de sortie de 50 ksps.

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Un élément essentiel des ADC delta-sigma réside dans le fait que la sortie du modulateur ne peut pas être utilisée directement. En effet, il s'agit d'un signal à faible résolution avec un bruit de quantification prononcé et un très faible SNR. Diverses techniques sont utilisées pour déterminer un bruit de quantification du modulateur delta-sigma, en le conduisant vers des fréquences plus élevées où le filtrage est plus facile, avec des signaux d'intérêt qui occupent des fréquences inférieures dans la bande passante du filtre. La sortie du modulateur est ensuite filtrée par un filtre passe-bas pour produire des résultats de conversion utilisables. Cependant, du fait de la nature même de son architecture, un modulateur delta-sigma reçoit des tonalités parasites dans son spectre de sortie. Quoi que l'on fasse, des tonalités parasites provenant du modulateur peuvent faire (et font) leur apparition dans la bande passante.

Rechercher un petit signal relève presque de l'impossible en présence de ces parasites. Les ADC à registre d'approximations successives (SAR) ne sont pas atteints par ce défaut et présentent un spectre de puissance de bruit blanc presque idéal. Les ADC SAR sont par conséquent le choix de prédilection pour la détection de bruits ou de vibrations à des niveaux d'énergie incroyablement bas. Cependant, de nombreux ADC SAR subissent encore des discontinuités dans la fonction de transfert CC pour les niveaux compris entre 16 et 18 bits, compromettant alors les performances CC.

Les LTC2508-32 et LTC2512-24 présentent d'excellentes caractéristiques de linéarité, sans code manquant. Cela permet aux applications de bénéficier de l'impressionnante plage dynamique de données de sortie filtrées.

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Avec une densité spectrale de bruit de seulement 22 nV_RMS/√Hz, le LTC2508-32 offre les meilleures performances de niveau de bruit le plus faible de toutes les solutions ADC concurrentes à une résolution de 24 bits ou 32 bits (figure 1). À l'inverse d'une sortie de modulateur delta-sigma, la sortie de ce convertisseur SAR de Power by Linear d'Analog Devices présente une densité spectrale uniforme, sans bruits parasites. Par conséquent, le filtre numérique peut être conçu arbitrairement pour répondre aux exigences de l'application finale et non plus pour filtrer les tonalités et le bruit du modulateur. Le filtre LTC2508-32 est une architecture “à propagation sinc”, représentant un équilibre soigneusement choisi entre le rejet de bande et le temps de stabilisation. Le filtre numérique LTC2512-24 présente une planéité de bande passante 0,001 db "sans compromis" pouvant s'étendre à fo/4 (demi-zone Nyquist). La zone de transition du filtre LTC2512-24 et l'atténuation de la bande sont moins agressives que de nombreuses filtres delta-sigma, et permettent une stabilisation plus rapide et de plus petits artefacts dans le domaine temporel. Là encore, l'absence de tonalités rend ce filtre pratique.

Le LTC2508-32 offre des filtres à décimation à 4 broches sélectionnables, dont les propriétés sont indiquées dans le tableau 1. Ces quatre filtres à décimation différents permettent aux concepteurs d'exploiter le bruit ou la bande passante en fonction de l'application choisie. Pour chaque configuration du LTC2508-32, le filtre numérique est un filtre passe-bas à réponse impulsionnelle finie (FIR) avec une phase de réponse linéaire. La sortie du filtre numérique est ensuite sous-échantillonné par le facteur de sous-échantillonnage (DF) correspondant. Par conséquent, ce taux de données de sortie (f_O) est égale à f_SMPL/DF. Dans chacune des options de filtre à décimation, la bande passante -3 dB est inversement proportionnelle à la valeur DF sélectionnée. Chaque configuration fournit un minimum d'atténuation de 80 dB pour des fréquences comprises entre f_O /2 et f_SMPL – f_O /2. Pour chaque quadruplement du facteur de sous-échantillonnage, la plage dynamique de l'ADC augmente d'environ 6 dB, se traduisant par une plage dynamique de 131 dB à DF = 256 jusqu'à 145 dB à DF = 16384. Ce qui équivaut à un nombre de bits effectifs (ENOB) de 24 bits. Notez qu'il est important que le résultat de l'ADC soit restreint par un procédé de bruit de qualité, par exemple le bruit thermique, et non son bruit de quantification. Cela signifie que l'ADC doit fournir un peu plus de bits que l'ENOB. Avec un mot de sortie de 32 bits, le LTC2508-32 fournit un nombre de bits suffisant pour représenter les données filtrées en utilisant un nombre entier d'octets.

Tableau 1 : Propriétés des filtres du LTC2508-32

La sortie du LTC2508-32 est toujours définie sur 10 échantillons de sortie, quel que soit le DF. Lorsqu'un facteur de sous-échantillonnage est augmenté, la bande passante est diminuée, ce qui réduit le bruit et par conséquent augmente la plage dynamique.  Avec un facteur de sous-échantillonnage de 256, la bande passante -3 dB de la sortie filtrée est de 480 Hz, se traduisant par un taux de données de sortie de 3906 sps. Avec un DF maximum de 16384, la bande passante -3dB est proche de 7,5 Hz, offrant le filtrage de bruit le plus élevé possible et se traduisant par un taux de données de sortie le plus faible de 61 sps. 

Figure 1 : Réponse d'étape du LTC2508-32

De plus, le LTC2508 offre deux flux de sortie de données, la version 32 bits filtrée numériquement du signal d'entrée et une sortie composite sans latence 22 bits directement depuis le convertisseur frontal SAR. Le mot de sortie sans latence se compose d'un code 14 bits représentant l'entrée différentielle et d'un code 8 bits représentant la tension de mode commun d'entrée. La sortie sans latence est particulièrement utile dans les applications de contrôle, pour un suivi rapide du signal d'entrée et délivrant un retour immédiat pour des conditions de charge variables. Elle peut également être utilisée pour surveiller la qualité du signal entrant et indiquer les défauts du système, par exemple en détectant des signaux excessivement bruyants ou oscillants qui pourraient être cachés par filtre numérique. Ces informations peuvent être utilisées en association avec la valeur de mode commun 8 bits pour une maintenance prédictive.  Les variations de la tension de mode commun peuvent indiquer des problèmes en amont provoquant une panne éventuelle de l'équipement. Du point de vue du concepteur, cela ressemble à un ADC deux-en-un, offrant des représentations parfaites du signal d'entrée qui ne subissent aucun problème d'erreur de concordance ou de décalage.

Le LTC2512-24 présente de nombreuses ressemblances avec le LTC2508-32, avec les filtres à décimation à 4 broches sélectionnables, comme indiqué dans le Tableau 2. La Figure 2 montre la réponse d'amplitude du filtre numérique de CC à f_O, le taux de données de sortie. Les facteurs de sous-échantillonnage de 4 à 32 sont pris en charge, ce qui améliore de 3 dB la plage dynamique pour chaque doublement du facteur de sous-échantillonnage. Le LTC2512-24 a la même sortie à code composite 22 bits, fournissant une représentation en temps réel idéale du signal d'entrée. Pour le LTC2512-24, la sortie est toujours définie sur 35 échantillons de sortie.

Tableau 2. Propriétés des filtres du LTC2512-24

Figure 2 : Magnitude de réponse de fréquence du filtre numérique LTC2512-24. f_O = f_SMPL/ DF

Le LTC2508-32 apparaît comme idéal pour les applications de sismologie et dans l'exploration pétrolière et gazière, activités pour lesquelles l'ADC doit résoudre des signaux de niveau extrêmement faible dissimulés par le bruit. La bande passante plate plus étendue du LTC2512-24 peut davantage convenir aux appareils médicaux, tels que les ECG, bénéficiant ainsi de la plage hautement dynamique de la sortie filtrée tout en utilisant la sortie sans latence pour les informations en temps réel, telles que l'emplacement de la sonde. Ces ADC conviennent parfaitement aux applications de précision qui utilisent un boucle de contrôle devant réagir rapidement aux variations du signal d'entrée, qui ne seraient pas immédiatement visibles avec une sortie filtrée plus lente. Pour en savoir plus sur cette famille, consultez arrow.com