L'ADC SAR 18 bits 15 Msps sans latence améliore les performances des applications de contrôle et d'acquisition de données à haute vitesse

Désormais, grâce à l'ADC 18 bits 15 Msps LTC2387-18, Power by Linear d'Analog Devices met à la portée de ces applications les avantages de l'architecture des convertisseurs par approximations successives (SAR).

Figure 1 : ADC SAR 15 Msps LTC2387-18 à interface LVDS (Source : Power by Linear d'Analog Devices)

Le LTC2387-18 offre de nombreux avantages par rapport aux ADC pipeline, ce qui le rend utilisable dans des applications employant traditionnellement les performances d'un ADC pipeline pour obtenir des améliorations significatives de leurs performances.

SAR ou convertisseur pipeline ?

La conception d'un convertisseur analogique-numérique implique un certain nombre de compromis, en fonction de l'objectif principal recherché : haute résolution, haute vitesse ou faible consommation d'énergie.

Pour couvrir le spectre complet des exigences des applications, plusieurs architectures d'ADC sont apparues au fil des ans. Mais les architectures SAR et pipeline sont les deux options les plus fréquemment choisies dans les domaines de l'industrie, de l'instrumentation et de la médecine. Leurs taux d'échantillonnage sont de l'ordre du kHz au MHz, avec des résolutions de jusqu'à 20 bits.

L'architecture de type conversion par approximations successives (SAR) a traditionnellement été utilisée « par défaut » dans les applications de conversion analogique-numérique grand public présentant les signaux de fréquence inférieure. Elle assure la transition entre les architectures delta-sigma haute résolution, basse vitesse et l'architecture pipeline offrant une vitesse élevée, mais des performances moindres. Son coût est généralement inférieur à celui des ADC en pipeline, et sa 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 de 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.

Comparaison des performances entre le LTC2387 et le LTC2269

Quelles sont les performances du LTC2387-18 par rapport à un convertisseur en pipeline ayant des spécifications comparables ? La Figure 2 montre une comparaison des principales spécifications entre le LTC2387-18 et le LTC2269, un convertisseur pipeline 16 bits 20 Msps.

Figure 2 : Comparaison des performances entre le LTC2387-18 et le LTC2269

Avantages du LTC2387-18

Le LTC2387-18 offre de nombreux avantages :

• Latence : Les ADC pipeline subissent plusieurs cycles de latence. L'architecture SAR du LTC2387 n'affiche aucune latence ni aucun retard dans le pipeline. C'est un atout particulièrement important dans les applications à contrôle en boucle fermée, où la conversion numérique-analogique fait partie du système de retour négatif. L'utilisation d'un ADC sans latence offre une bande passante plus large et une réponse en retour plus rapide.

• 
  

• Précision CC : Le LTC2387-18 offre de meilleures performances en termes de non-linéarité intégrale et d'erreur de décalage. Bien que le LTC2269 affiche une meilleure performance CC que les produits de la concurrence, les ADC pipeline peuvent être sensibles à des imperfections du processus provoquant des non-linéarités de gain et des décalages, ainsi que des effets sur d'autres paramètres.

• 
  

• Rapport signal/bruit (SNR) : Grâce à son large intervalle d'entrée de 8,192 Vp-p, le LTC2387-18 apporte un avantage d'au moins 10 dB en SNR par rapport aux meilleurs ADC pipeline ayant des taux d'échantillonnage similaires. C'est un atout particulièrement important dans les applications d'imagerie. Les capteurs d'image à matrice linéaire capturent des images continues. Ils sont largement employés dans les détecteurs industriels, la photographie aérienne et l'imagerie satellitaire. Ces applications ont besoin d'effectuer des analyses à haute vitesse pour améliorer l'efficacité de la détection ou capturer des objets qui se déplacent rapidement. L'image à capturer peut également contenir des objets à haute et basse luminosité, ce qui requiert une plage dynamique de plus de 90 dB. Les rapports SNR et SINAD du LTC2387-18 sont satisfaisants, même aux taux d'échantillonnage les plus élevés, jusqu'à la fréquence de Nyquist, comme le montre la Figure 3. Ces performances le distinguent des ADC SAR de la concurrence.

• 
  

• Bruit 1/f : Même si ce paramètre n'est pas spécifiquement mentionné dans la fiche technique et est très difficile à mesurer, l'architecture du LTC2387 réduit significativement les erreurs de décalage, ainsi que le bruit 1/f. En général, les ADC pipeline se caractérisent par un bruit 1/f élevé.

• 
  

• Sensibilité à la mise en page : La performance d'un convertisseur pipeline dépend davantage de la mise en page des circuits imprimés que les autres architectures.

• 
  

• Taille du boîtier : Le LTC2387-18 est intégré dans un boîtier QFN-32 5 x 5. Le LTC2269, muni de son interface parallèle, requiert un boîtier QFN-48 7 X 7, plus grand. Une version double canal du LTC2269 existe avec des sorties LVDS série (LTC2271), dans un boîtier QFN-52 7 X 8 peu encombrant.

•  

• Figure 3 : Performance en termes de SNR et SINAD du LTC2387-18, avec des entrées rapides jusqu'à la fréquence de Nyquist

• 
  

• Le SNR (rapport signal/bruit) est le rapport entre la valeur efficace (RMS) du signal d'entrée et la somme des valeurs efficaces de toutes les autres composantes spectrales, exception faite des harmoniques. Le SINAD est défini comme étant le rapport entre le signal et le bruit + distorsion. Sa mesure comprend à la fois le bruit et les harmoniques du signal. Aucun des deux rapports ne tient compte des composants cc. Le SINAD se dégrade plus rapidement que le SNR aux fréquences d'entrée élevées, en raison de la prise en considération de ces harmoniques. En général, le SINAD est plus important pour les entrées de fréquences élevées, notamment au-delà de la première bande de Nyquist, en tant qu'indicateur des performances dans les applications où se produit un sous-échantillonnage. Le SNR et le SINAD sont tous deux mesurés sur des entrées à pleine échelle.

Avantages du LTC2269

Le LTC2269 possède néanmoins des avantages dans certains domaines :

• Consommation : À taux d'échantillonnage équivalent, le LTC2387-18 consomme davantage qu'un ADC pipeline similaire. Pour réduire la consommation, le concepteur peut choisir un modèle compatible broche à broche caractérisé par un taux d'échantillonnage plus faible dans la famille de produits LTC238x (voir ci-dessous).

• 
  

• Pilote d'entrée : Pour que le LTC2387-18 atteigne son SNR maximal, le signal d'entrée analogique doit être modifié pour tirer parti de la totalité du niveau d'entrée ± 4,096 V. Le LTC2269 possède une entrée à pleine échelle de ±1,05 V. Les applications avec un défaut d'adaptation de signal peuvent avoir besoin d'un pilote supplémentaire en première étape.

• 
  

• Performance dans la bande supérieure de Nyquist : Les avantages du LTC2387-18 par rapport aux ADC pipeline ne sont valables que dans la première bande de Nyquist, c'est-à-dire pour une bande passante d'entrée inférieure ou égale à la moitié de la fréquence d'échantillonnage. Les ADC pipeline sont mieux adaptés à la numérisation des signaux analogiques dans la seconde bande de Nyquist et les bandes supérieures pour les applications où se produit un sous-échantillonnage. Dans le cas spécifique du LTC2269, celui-ci a été conçu pour fournir un haut SNR en limitant la bande passante d'entrée, et n'est pas adapté aux applications où se produit un sous-échantillonnage.

Considérations relatives à l'application

La fiche technique du LTC2387-18 contient une section détaillée sur ses applications, mais voici les principales caractéristiques qui différencient cette pièce.

Interface série

Le LTC2387-18 utilise une interface série de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) pour transmettre des données de sortie à un FPGA, un microcontrôleur ou un DSP situé en aval. Cela permet d'économiser en E/S sur le processeur et de réduire le bruit numérique dans le système.

Pour faciliter l'interface avec des FPGA plus lents, le flux de données à la sortie du LTC2387 peut emprunter deux canaux LVDS. Le taux de données maximal est de 800 Mbps. Dans le mode à deux canaux, le taux de données minimal est de 180 Mbps par canal, au lieu de 360 Mbps dans le mode à un canal.

Pilotage du LTC2387-18

Le LTC2387-18 possède une plage d'entrée ±4,096 V entièrement différentielle. Les broches IN⁺ et IN^- doivent être pilotées avec un déphasage de 180^o l'une par rapport à l'autre, autour d'un niveau de tension en mode commun V_CM = (IN⁺ + IN^-)/2.

Une source à faible impédance peut directement piloter les entrées à haute impédance sans erreur de gain, mais pour améliorer les performances, il est possible d'employer un amplificateur tampon. Cet amplificateur fournit une faible impédance de sortie qui permet la stabilisation rapide du signal analogique. Il assure également l'isolation entre la source du signal et le pic de courant créé par les entrées ADC au début de chaque phase d'acquisition, lorsque les entrées peuvent être modélisées comme des charges de condensateur commuté sur le circuit de pilote.

Figure 4 : Circuit typique de pilote d'entrée

À cet effet, il est recommandé d'employer l'ampli-op à bruit ultra-faible LT6200. Il s'agit d'un ampli-op simple avec une entrée et une sortie rail-à-rail, et un bruit de 0,95 nV/√Hz. Le LT6200 associe un très faible bruit à une vitesse de balayage de 50 V/µs avec une bande passante de gain de 165 MHz. Il est optimisé pour les systèmes de conditionnement de signal de faible tension.

Les valeurs du condensateur et de la résistance du filtre RC sont spécifiques de chaque application. La valeur de résistance montrée à la Figure 4 garantit de bonnes performances dans un large éventail de conditions. La valeur des CFILT offre un compromis : des valeurs plus élevées permettent de meilleures performances en matière de bruit, et des valeurs plus faibles garantissent une meilleure erreur pleine échelle. Le graphique de la fiche technique du LTC2387-18 montre des valeurs représentatives en fonction du taux d'échantillonnage.

Il est important que les condensateurs CFILT 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 des résistances à film métallique et des condensateurs céramique à dérive nulle (NPO) ou mica argenté doivent être utilisés dans la fabrication.

Référence de tension interne

Pour réduire les coûts, le LTC2387-18 incorpore une référence interne de 2,048 V avec une précision initiale de 0,25 % et un coefficient de température ± 20 ppm/°C (maximum), ainsi qu'un tampon de référence interne.

La référence interne est normalement adaptée à la plupart des applications, mais si une plus grande précision est exigée, il est recommandé d'utiliser le LTC6655. Il s'agit d'une référence de précision à faible bruit qui offre un écart de moins de 2 ppm/°C et une tension de sortie avec une précision de ± 0,025 % sur toute la plage de température comprise entre –40 °C et 125 °C.

Suréchantillonnage avec le LTC2387-18

De nombreuses applications n'ont besoin que d'un taux d'échantillonnage de quelques ksps, mais elles requièrent un rapport signal/bruit extrêmement élevé.

Un électroencéphalographe, par exemple, 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 µV et 100 mV à des fréquences comprises entre 100 Hz et 2 kHz.

Dans une telle application, le suréchantillonnage du signal analogique à bande étroite ou relativement lent destiné à réaliser un filtrage numérique complexe dans un processeur situé en aval est une façon habituelle d'augmenter le nombre de bits effectifs (ENOB) de l'ADC, et donc le SNR.

Le SNR d'un ADC idéal est obtenu à partir de la fameuse équation :

SNR (dB) = (6,02 x ENOB) + 1,76

Pour chaque bit supplémentaire de résolution souhaité, le signal doit être suréchantilllonné moyennant l'application d'un facteur 4 :

f_OS = 4^W x f_S

où w est le nombre de bits supplémentaires désiré, f_S est la fréquence d'échantillonnage originale, et f_OS est la fréquence de suréchantillonnage.

Le bruit doit s'approcher du bruit blanc avec une densité spectrale de puissance uniforme sur toute la bande de fréquence souhaitée, et son amplitude doit être suffisamment grande pour provoquer une modification aléatoire de l'entrée d'au moins 1 LSB entre deux échantillons successifs.

Compte tenu de ces contraintes, le taux d'échantillonnage du LTC2387-18 est idéal pour suréchantillonner des entrées analogiques dont les bandes passantes sont de l'ordre du kHz, et ainsi améliorer les performances en matière de bruit.

Figure 5 : modèles de la famille LTC 238x

La famille LTC238x offre une flexibilité de conception supplémentaire

Les concepteurs de système peuvent affiner les performances de l'ADC en fonction de son application. Dans son ensemble, la famille LTC238x de dispositifs compatibles à broches offre une résolution à 16 ou 18 bits dans des plages de températures adaptées aux applications commerciales et industrielles. Les concepteurs peuvent réduire la consommation à la résolution souhaitée en choisissant un taux d'échantillonnage de 5 ou 10 Msps. Comme le montre la Figure X, il n'y a aucune perte de puissance lors d'un passage d'une résolution 16 bits à 18 bits en conservant le même taux d'échantillonnage.

Prise en charge de la conception

La carte de démonstration DC2290A-A représentée à la figure 6 facilite l'évaluation du LTC2387-18. Elle démontre les performances CA du LTC2387-18 en association avec la carte de collecte de données (DC718) pour PScope™, un système d'acquisition de données et de démonstration de produits via USB.

Figure 6 : Carte de démonstration DC2290A-A pour le LTC2387-18

Des cartes de démonstration d'amplificateur différentiel sont disponibles séparément pour assurer l'amplification de signaux différentiels de faible niveau, en cas de besoin. À cet effet, nous recommandons l'emploi de la carte pilote ADC DC2403A. Une autre option consiste à connecter la DC2290A à une application du client, les performances de la LTC2387 pouvant alors être directement évaluées dans ce circuit.

Power by Linear d'Analog Devices propose une grande diversité d'outils gratuits pour l'analyse et l'acquisition de données, notamment le logiciel PScope pour la carte DC718.

Pour les autres modèles de la famille LTC238x, on choisira la combinaison de carte de démonstration appropriée en fonction de la figure ci-dessous.

Figure 7 : Options de carte de démonstration et carte pilote pour la famille LTC238x

Conclusion

Le LTC2387-18 est un convertisseur analogique-numérique (ADC) par approximations successives (SAR) de 15 Msps et 18 bits qui offre des performances supérieures aux convertisseurs pipeline jusqu'à la fréquence de Nyquist, notamment une amélioration du SNR de 20 dB, une très faible distorsion, aucune latence de cycle et aucun retard dans le pipeline.

Il représente une solution idéale pour numériser des signaux analogiques à large bande dans un grand nombre d'applications comme les communications, l'imagerie à haute vitesse, l'instrumentation médicale et les ATE. Il est particulièrement adapté à la fermeture de boucles de contrôle rapides, où le fonctionnement sans latence garantit une plus grande bande passante et une réponse plus rapide.