Kevin Tretter, ingénieur principal en marketing de produits, Microchip Technology inc.
Comme leur nom l'indique, les Convertisseur analogique-numérique (ADC) sont des amplificateurs spéciaux spécialement conçus pour fonctionner avec les ADC, y compris les architectures basées sur l'approximation successive, les pipelines et le delta-sigma. Ces amplificateurs spéciaux sont des composants de circuit critiques qui permettent au CAN de fonctionner au mieux, comme nous le verrons dans les sections suivantes.
Qu'est-ce qu'un pilote de convertisseur analogique-numérique et pourquoi en ai-je besoin ?
Comme le nom le suggère, Convertisseur analogique-numérique (ADC) sont des amplificateurs spéciaux spécialement conçus pour fonctionner avec les ADC, y compris les architectures basées sur l'approximation successive, les pipelines et le delta-sigma. Ces amplificateurs spéciaux sont des composants de circuit critiques qui permettent au CAN de fonctionner au mieux, comme nous le verrons dans les sections suivantes. Le besoin de conditionnement de signaux analogiques, y compris les ADC, continue de croître à mesure que les capteurs deviennent plus abondants sur divers marchés finaux. Ces marchés finaux comprennent :
- Communications
- Médecine
- Consommation
- Industrie
- Automobile
Dans le cas des ADC, la tendance du marché est vers des dispositifs de résolution et de vitesse plus élevées car le coût de ces solutions devient plus abordable.
Comprendre les entrées ADC
Avant de parler des fonctions techniques requises par un contrôleur ADC, il est nécessaire de passer brièvement en revue l'architecture d'entrée des ADC actuels. Un signal différentiel peut être défini comme deux nœuds qui ont des signaux égaux mais opposés autour d'un point fixe (le niveau de mode commun). Les deux nœuds de signal sont souvent appelés positif et négatif (non inverseur et inverseur), comme le montre la figure 1.
Dans l'exemple ci-dessus, la tension d'entrée à pleine échelle est de 5 V crête à crête différentiellement, chaque branche oscillant de 2,5 V crête à crête. Le niveau de mode commun dans cet exemple est de 2,5 V. La plupart des ADC hautes performances actuels implémentent une architecture d'entrée différentielle, car elle offre des performances supérieures (par rapport aux entrées asymétriques). Ces avantages de performance incluent la capacité de rejeter le bruit de mode commun et les signaux d'interférence communs et une augmentation de 6 dB (ou un facteur de 2) de la plage dynamique.
Les ADC peuvent présenter un défi particulièrement difficile pour les concepteurs de systèmes, car ils offrent une variété d'architectures d'échantillonnage d'entrée différentes qui doivent être prises en compte au niveau du système. Pour les besoins de cette discussion, nous nous concentrerons sur les ADC qui utilisent une structure de condensateur commuté pour effectuer un échantillonnage d'entrée. Dans sa forme la plus élémentaire, cette structure d'entrée est composée d'un condensateur relativement petit et d'un commutateur analogique, comme illustré à la figure 2 ci-dessous.
Lorsque le commutateur est en position 1, le condensateur d'échantillonnage se charge jusqu'à la tension du nœud d'échantillonnage, dans ce cas VS. Le commutateur est ensuite déplacé vers la position 2, où la charge accumulée sur le condensateur échantillon est transférée au reste du circuit échantillon. Le processus recommence.
Une entrée de condensateur commuté non régulée, telle que celle décrite ci-dessus, peut causer des problèmes majeurs au niveau du système. Le courant nécessaire pour charger le condensateur d'échantillonnage à la tension appropriée doit être fourni par le circuit externe connecté à l'entrée de l'ADC. Lorsque le condensateur est commuté sur le nœud d'échantillonnage (position de commutation 1 sur la figure 2), une grande quantité de courant sera nécessaire pour commencer à charger le condensateur. L'amplitude de ce courant instantané est fonction de la taille du condensateur d'échantillonnage, de la fréquence à laquelle le condensateur est commuté et de la tension présente au nœud d'échantillonnage. Ce courant de commutation peut être décrit par l'équation suivante :
Dans l'exemple ci-dessus, C est la capacité du condensateur d'échantillonnage, V est la tension présente au nœud d'échantillonnage (dans cet exemple, notée VS) et f est la fréquence à laquelle le commutateur d'échantillonnage est activé et désactivé. Ce courant de commutation donne lieu à des pics de courant élevés au nœud d'échantillonnage, comme illustré à la figure 2.
Les implications de ce courant de commutation doivent être prises en compte lors de la conception des circuits analogiques en amont du convertisseur A/N. Lorsque ce courant traverse une résistance, une chute de tension se produit, entraînant une erreur de tension au niveau du nœud d'échantillonnage du convertisseur A/N. Une distorsion peut également se produire si le nœud d'entrée n'est pas complètement installé avant le prochain cycle d'échantillonnage.
Solution : Pilotes ADC
Maintenir l'intégrité du signal du capteur nécessaire pour tirer pleinement parti de ces ADC à résolution et vitesse supérieures devient un défi majeur. À mesure que la résolution et la vitesse de l'ADC augmentent, les effets du bruit et de la distorsion sur le signal du capteur deviennent plus perceptibles. Aux taux d'échantillonnage plus élevés des ADC, il faut veiller à ce que le signal d'entrée se soit stabilisé avant l'événement d'échantillonnage et que les signaux à bande passante plus élevée ne se chevauchent pas dans la bande passante du signal d'intérêt. .
Pour surmonter ces défis de conditionnement du signal, de nombreuses applications ADC nécessitent un contrôleur ADC qui fournit une stabilisation et un anti-crénelage suffisants. Comme décrit ci-dessus, la plupart des ADC modernes implémentent une architecture d'entrée différentielle. L'une des principales fonctions du contrôleur ADC est de fournir une conversion asymétrique à différentielle du signal entrant.
Une autre fonction du contrôleur ADC est de tamponner le signal d'entrée, isolant ainsi le reste du circuit de l'injection de charge au niveau du nœud d'entrée ADC. Le contrôleur ADC fournit un chargement instantané pour garantir que le nœud d'échantillon se stabilise dans le temps de piste, minimisant ainsi toute distorsion liée à la stabilisation.
La plupart des amplificateurs de pilote ADC fournissent également une broche matérielle qui permet à l'utilisateur de niveler la tension de mode commun. Cette fonctionnalité est idéale pour garantir que le signal différentiel résultant est centré dans la plage de tension d'entrée du CAN, maximisant ainsi la plage dynamique.
Enfin, comme la plupart des composants d'amplification, les pilotes ADC peuvent fournir une amplification du signal d'entrée ainsi qu'un filtrage actif. Notez que la plupart des pilotes ADC sont spécifiés avec un gain relativement faible, généralement des gains de seulement 1 ou 2 V/V. En maintenant le gain en boucle fermée de l'amplificateur à un niveau bas, le gain de boucle est maximisé, ce qui entraîne le moins de distorsion. Par exemple, si un amplificateur a un gain en boucle ouverte de 100 dB et est réglé pour un gain en boucle fermée de 200 ou 46 dB, cela ne laisse que 54 dB de marge de gain en boucle ouverte pour assurer la linéarité, soit environ une partie en 500. Par conséquent, il est courant d'avoir un étage de gain séparé qui se trouve à proximité de la source du signal.
Pour tirer le meilleur parti de votre convertisseur de données, le contrôleur ADC doit optimiser les performances tout en ajoutant une distorsion, un bruit et des erreurs de temps de stabilisation négligeables au signal source. contrôleur différentiel MCP6D11 est spécialement conçu pour optimiser les performances des ADC à grande vitesse tels que le MCP33131, qui est un ADC SAR 16 bits, 1 MSPS. Pour un exemple de la façon dont ces deux appareils fonctionnent ensemble pour optimiser les performances, consultez le carte d'évaluation MCP331x1 (ADM00873).
