Types de convertisseurs ADC

Un convertisseur analogique-numérique (CAN, A/C) est un composant clé qui assure la connexion entre le monde analogique des valeurs de signal changeantes et le monde numérique, basé sur des zéros et des uns. Les convertisseurs ADC jouent un rôle important dans les systèmes électroniques modernes, en convertissant les signaux analogiques en données numériques pouvant être traitées, reconnues et évaluées par les ordinateurs et les systèmes numériques. Bien que le monde soit intrinsèquement analogique, la puissance informatique des systèmes numériques nous permet de comprendre, analyser, modifier et utiliser ces signaux de manière auparavant considérée impossible. Cet article décrit les bases du fonctionnement des ADC ainsi que les avantages et inconvénients de chaque type.

Convertisseurs ADC

La tâche principale du circuit ADC est de convertir des signaux analogiques continus en temps et en amplitude en signaux numériques discrets en temps. Le processus de conversion comprend trois étapes principales : l'échantillonnage, la quantification et le codage numérique.

Lors de l’échantillonnage, le signal analogique est mesuré à intervalles fixes afin d'obtenir une séquence de valeurs d'amplitude instantanées. La période d'échantillonnage est le temps entre deux mesures successives.

L'étape suivante est la quantification, au cours de laquelle l'amplitude continue du signal échantillonné est divisée en une série de niveaux discrets. Le nombre de niveaux de quantification est déterminé par la résolution en bits de l'ADC.

La phase finale est le codage numérique. À cette étape, chaque niveau de quantification se voit attribuer un code binaire unique. En conséquence du codage, le signal analogique est converti en une représentation numérique pouvant être traitée par les systèmes numériques.

Convertisseurs ADC

Les performances d’un ADC dépendent de plusieurs facteurs, tels que la résolution, la fréquence d’échantillonnage, la précision de mesure, la linéarité et la consommation d’énergie. Le nombre de valeurs discrètes qu’un ADC peut générer dépend de sa résolution. La période d’échantillonnage du signal d’entrée par l’ADC dépend de la vitesse de conversion, c’est-à-dire le temps nécessaire pour convertir la valeur instantanée du signal en une valeur discrète. La linéarité indique à quel point le signal de sortie de l’ADC correspond fidèlement au signal d’entrée, tandis que la précision de mesure fait référence à la correspondance entre le signal de sortie et la valeur réelle d’entrée. Pour de nombreuses applications, notamment celles alimentées par batterie, la consommation d’énergie est un autre facteur important.

Il existe différents types d’ADC, chacun utilisant une technique différente pour convertir les signaux analogiques en numériques. Les exigences de l’application, telles que la vitesse, la précision de mesure, la consommation d’énergie et le coût, dictent le choix de l’ADC approprié pour une application spécifique. Le tableau 1 présente les principaux types d’ADC. Leurs paramètres fondamentaux sont ensuite discutés pour fournir un aperçu de leur adéquation à diverses applications.

Tableau 1. Types d’ADC et leurs paramètres de base

Convertisseur Flash (parallèle)

Un convertisseur Flash se compose de nombreux comparateurs comparant le signal d’entrée avec des tensions de référence paliers correspondant à chaque niveau de quantification. Le circuit d’encodage reçoit les données des sorties des comparateurs et génère un signal numérique (Figure 1).

Figure 1. Construction d’un ADC 7 bits (source : Analog Devices)

Le principal avantage de ce type de convertisseur est la rapidité. Comme la conversion s’effectue en un seul cycle, c’est le type d’ADC le plus rapide. Son inconvénient est son coût de mise en œuvre élevé et sa consommation d’énergie importante, car une conversion haute résolution requiert de nombreux comparateurs. Par conséquent, les ADC Flash ne conviennent généralement pas aux applications très haute résolution, par exemple 24 bits, bien que théoriquement réalisables.

Les ADC Flash sont couramment utilisés dans les oscilloscopes, les capteurs radar et autres dispositifs où la vitesse de conversion est critique. Ils sont excellents pour traiter des signaux rapidement changeants.

Convertisseur SAR

Les ADC à registre d’approximations successives (Successive Approximation Register, SAR) sont souvent choisis pour des applications nécessitant une conversion de résolution moyenne à élevée avec des taux d’échantillonnage inférieurs à 5 Msps (millions d’échantillons par seconde). Les convertisseurs SAR ont généralement des résolutions de 8 à 16 bits, offrant une faible consommation d’énergie et une taille compacte.

L’ADC SAR met en œuvre un algorithme de recherche binaire. Bien que les circuits internes puissent fonctionner à plusieurs mégahertz, la fréquence d’échantillonnage est une fraction de cette valeur en raison des étapes de l’algorithme d’approximation successive.

De nombreuses variantes de mise en œuvre SAR existent, mais l’architecture de base est simple (Figure 2). La tension d’entrée analogique (VIN) est maintenue par le bloc TRACK/HOLD. Le registre n bits place initialement la valeur milieu d’échelle (c’est-à-dire 100...00 avec le bit de poids fort (MSB) positionné). Cela force la sortie du DAC à VREF/2, où VREF est la tension de référence fournie à l’ADC. Une comparaison est alors effectuée pour déterminer si VIN est inférieur ou supérieur à VDAC. Si VIN > VDAC, la sortie du comparateur est activée et le MSB reste à ‘1’ logique dans le registre n bits. Si VIN < VDAC, la sortie du comparateur et le MSB sont réinitialisés. La logique de contrôle SAR passe alors au bit inférieur, le positionne, et effectue une nouvelle comparaison. Cette séquence continue jusqu’au bit de poids faible (LSB). Après achèvement, la conversion se termine et le mot digital n bits est disponible dans le registre.

Figure 2. Schéma bloc du convertisseur SAR (source : Analog Devices)

Pour une haute résolution, les ADC SAR sont plus efficaces en énergie et en taille que les ADC Flash, offrant un bon compromis entre consommation énergétique, vitesse et résolution. Leur principal point faible est la vitesse : comme la conversion se fait par étapes séquentielles plutôt que simultanément, les convertisseurs SAR sont plus lents que les Flash.

Le faible coût et la faible consommation d’énergie rendent les ADC SAR adaptés à de nombreuses applications, notamment les systèmes de gestion d’énergie, les appareils de télécommunications et les systèmes d’acquisition de données. Leur faible consommation en fait des candidats idéaux pour les appareils alimentés par batterie.

Convertisseurs ADC SAR

Convertisseurs Sigma-Delta (Σ-Δ)

Le convertisseur Σ-Δ du premier ordre (Figure 3) comprend principalement un intégrateur, un comparateur, un convertisseur numérique-analogique (DAC) 1 bit, et un filtre numérique. Le principe de fonctionnement repose sur l’équilibrage périodique de la charge du condensateur de l’intégrateur. L’intégrateur modifie linéairement sa sortie jusqu’à ce qu’un seuil soit dépassé. Lorsqu’il est franchi, le comparateur commute la sortie du DAC 1 bit. Cela force l’intégrateur à changer sa sortie dans la direction opposée — vers le haut ou vers le bas — selon la sortie du DAC.

Figure 3. Schéma bloc simplifié du convertisseur Sigma-Delta premier ordre

Figure 4. Schéma bloc simplifié du Renesas SLG47004 (source : Renesas)

Le convertisseur Σ-Δ a une résolution faible par période unique de l’intégrateur. Pour obtenir une meilleure résolution, les données de plusieurs périodes doivent être moyennées. La sur-échantillonnage interne et la moyenne permettent au convertisseur Σ-Δ de minimiser considérablement le bruit et d’atteindre des données à haute résolution — jusqu’à 24 bits dans les convertisseurs Σ-Δ modernes.

Grâce à leur précision, les ADC Sigma-Delta sont souvent utilisés en audio. Ils conviennent aussi parfaitement aux dispositifs de mesure précis grâce à leur excellente résolution, précision de mesure, linéarité et capacité de filtrage du bruit.

Convertisseurs ADC Sigma-Delta (Σ-Δ)

Convertisseur Double pente

Un schéma bloc simplifié du convertisseur Double pente est montré à la Figure 5. Il fonctionne selon le principe de l’intégration de la tension d’entrée en deux étapes consécutives, assurant haute précision et immunité au bruit. Initialement, l’intégrateur est réinitialisé, puis la tension inconnue Vin est appliquée à l’entrée. L’intégrateur, fonctionnant comme un amplificateur opérationnel avec un condensateur, génère linéairement une tension montante. Ce processus dure un temps strictement défini pendant lequel un compteur compte les impulsions d’horloge. Une fois ce temps écoulé, l’entrée de l’intégrateur passe de Vin à une tension de référence connue Vref de polarité opposée (phase de descente), durant laquelle la sortie de l’intégrateur décroît jusqu’à atteindre zéro à nouveau. Pendant cette phase, le compteur compte à nouveau des impulsions d’horloge, et le temps de décharge est proportionnel à la tension d’entrée. Cela permet de calculer Vin en fonction de la tension de référence connue, du temps d’intégration fixe et du temps de décharge mesuré.

Malgré sa lenteur (son principal inconvénient), ce type de convertisseur offre une grande précision et une bonne suppression du bruit. Il a une caractéristique linéaire, ce qui le rend idéal pour des mesures précises. Outre sa lenteur, son inconvénient est la nécessité d’une onde d’horloge précise.

Convertisseurs ADC Double pente

Les applications typiques pour les convertisseurs Double pente incluent les instruments de mesure tels que les multimètres numériques. Ils utilisent souvent ce type de convertisseur pour les avantages mentionnés. Ils sont employés dans des situations où la vitesse de conversion n’est pas critique.

Figure 5. Schéma bloc simplifié d’un convertisseur Double pente (source : Analog Devices)

Convertisseur Pipeline

Le convertisseur Pipeline fonctionne en utilisant une séquence d’étages en cascade, chacun réalisant une partie de la conversion du signal. D’abord, un échantillon analogique est prélevé et une conversion analogique-numérique préliminaire de faible résolution est effectuée avec un sous-ADC petit et rapide. Le résultat de cette conversion partielle est traité par un sous-DAC, qui reconstruit une valeur analogique approximative correspondant aux bits obtenus. Cette valeur reconstruite est soustraite du signal original, produisant un résidu — un signal d’erreur représentant des bits moins significatifs et plus précis. Le résidu est amplifié et transmis à l’étage suivant qui répète ce processus : conversion partielle, reconstruction, soustraction, et transfert.

Chaque étage traite une portion différente de l’information, et tous les étages fonctionnent en parallèle sur des cycles d’horloge successifs, permettant un débit très élevé. Après passage dans tous les étages, les résultats partiels sont combinés dans un bloc numérique effectuant la correction d’erreurs et assemblant un mot numérique complet représentant la valeur d’entrée. Cette architecture combine une vitesse d’échantillonnage élevée avec une bonne résolution, ce qui la rend largement utilisée dans les télécommunications, l’imagerie médicale, le traitement d’images et d’autres signaux nécessitant une conversion rapide et précise.

Les inconvénients de ce type de convertisseur incluent la complexité de construction. Ils nécessitent des systèmes avancés de correction d’erreurs numériques. Par rapport aux autres types d’ADC, ils consomment également plus d’énergie.

Convertisseurs ADC Pipeline

TDC (Convertisseur Temps-Numérique)

Un convertisseur temps-numérique (TDC) fonctionne en convertissant l’intervalle de temps entre deux événements en une valeur numérique. Contrairement aux ADC classiques qui quantifient la tension ou le courant, le TDC convertit le temps, c’est-à-dire qu’il mesure le timing des impulsions ou les différences temporelles entre elles. Le TDC identifie des événements tels que les fronts de signal et leur attribue une représentation numérique du moment où ils se produisent.

Au lieu de mesurer l’amplitude du signal d’entrée, le TDC mesure son temps ou sa fréquence. Ils sont souvent utilisés lorsque le temps ou la fréquence des signaux est critique. Les TDC fonctionnent bien dans les situations où le chronométrage des événements ou la fréquence du signal est un facteur clé. En outre, ils sont résistants au bruit d’amplitude.

Choisir le bon ADC pour les applications

Le choix du meilleur ADC pour une application donnée est une décision de conception cruciale. Il nécessite une compréhension approfondie des exigences du système et des compromis entre les différentes caractéristiques des ADC. Voici quelques facteurs clés à considérer :

• Résolution — le nombre de valeurs discrètes que l’ADC peut générer sur toute la plage analogique. Exprimée généralement en bits. La sensibilité et la résolution de l’ADC sont étroitement liées ; une résolution plus élevée permet de détecter de subtiles variations du signal d’entrée.
• Fréquence d’échantillonnage — le rythme auquel l’ADC prélève des échantillons du signal d’entrée. Elle doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence du composant le plus élevé du signal.
• Précision de mesure — désigne le degré auquel la sortie numérique correspond à la valeur analogique réelle. Souvent exprimée en fraction de l’échelle complète. Les erreurs de quantification, la non-linéarité différentielle (DNL) et la non-linéarité intégrale (INL) affectent la précision.
• Linéarité — uniformité de la quantification entre la plus petite et la plus grande valeur du signal d’entrée. DNL et INL sont les mesures courantes. L’INL mesure la déviation de la fonction de transfert par rapport à une droite ; la DNL mesure la déviation par rapport au pas idéal entre deux transitions de code adjacentes.
• Consommation d’énergie — critique pour les dispositifs alimentés par batterie. La consommation augmente avec la résolution et la fréquence d’échantillonnage. Il est essentiel de sélectionner un ADC répondant aux exigences sans dépasser le budget énergétique.
• Coût — important surtout pour les appareils grand public. Les ADC à haute vitesse et haute résolution sont généralement coûteux, il est donc crucial de trouver un équilibre entre coût et performances.
• Type d’entrée — la plupart des ADC ont des entrées simple-ended, mais certains disposent d’entrées différentielles spécialisées avec plusieurs modes.
• Plage de tension d’alimentation — très important pour les appareils portables. Lorsque l’ADC est externe à un microcontrôleur, la tension d’alimentation impacte également l’interface avec le système numérique hôte.

Résumé

Les ADC convertissent les signaux analogiques en données numériques. Faire des choix intelligents lors de la conception de systèmes numériques nécessite une connaissance des ADC, de leurs types et variantes disponibles. Chaque type d’ADC — y compris Flash, SAR, Sigma-Delta, Double pente, Pipeline, et Temps-numérique — présente des avantages et inconvénients les rendant adaptés à des applications spécifiques. Avant de choisir un type d’ADC, il convient d’examiner soigneusement les conditions d’alimentation, la résolution, la fréquence d’échantillonnage, la précision, la linéarité, la consommation d’énergie et le coût d’achat.

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