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Conversions analogique-numrique et numrique-analogique (partie
3)
par Claude PRVOTResponsable des produits de conversions
analogique-numrique et numrique-analogique Thales Research &
Technology France
e march et les applications fort volume et faible cot ont permis
et
1. March et
applications...........................................................................
E 372 - 21.1 Rpartition des besoins et
solutions..........................................................
21.2 volutions du march
.................................................................................
2
2. tat de lart des CAN et CNA
...............................................................
32.1 tat de lart des CAN sur le march
........................................................... 32.2
tat de lart des CNA du march
................................................................
5
3. Technologies des CAN et des CNA
..................................................... 7
4. Produits intgrant des CAN ou des CNA
.......................................... 8
5. Utilisation des CAN et des CNA
.......................................................... 125.1
Interprtation des spcifications
................................................................
12
5.1.1 Erreurs de gain et de dcalage
.......................................................... 125.1.2
Erreurs de linarits
...........................................................................
125.1.3 Non-monotonicit, codes manquants
.............................................. 135.1.4
Caractristiques dynamiques
............................................................
135.1.5 Exemple de spcifications
.................................................................
14
5.2 Techniques de tests
.....................................................................................
145.2.1 Tests des CAN
.....................................................................................
145.2.2 Test des
CNA.......................................................................................
17
5.3 Choix des CAN et des
CNA.........................................................................
17Toute reproduction sans autorisation du Centre franais
dexploitation du droit de copie est strictement interdite.
Techniques de lIngnieur E 372 1
oblig lindustrie dvelopper, pour chaque application, le meilleur
produitpossible. Au fur et mesure de lamlioration des technologies,
du dveloppe-ment du march, les solutions voluent et les produits
sont en gnral de plusen plus intgrs. Par exemple, on peut voir les
modems xDSL qui passentdune carte complte avec de multiples
composants de diffrentes familles un seul composant en quelques
annes. Il en est de mme pour le tlphoneportable qui voit ses
premires ralisations en un seul composant.
Les principaux critres satisfaire pour suivre le march et
assurer la baissedes cots sont : vitesse, consommation, prcision,
taille, intgration.
Dans les produits complexes, on retrouve, presque toujours, les
interfacesavec le monde extrieur en analogique. Les signaux dentre
viennent en gn-ral des capteurs et les signaux de sortie vont, en
gnral, vers les actionneurs.Les convertisseurs AN sont en gnral
associs aux capteurs et les NA auxactionneurs.
Cet article sur les conversions analogique-numrique et
numrique-analogique se composede trois parties :
[E 370] : Principes ; [E 371] : Description technique et
architectures ; [E 372] : March, technologie et applications.
L
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dE 372 2
Techniques d
1. March et applications
1.1 Rpartition des besoins et solutions
BesoinsLes besoins sont pratiquement illimits, en termes de
frquence,
de bande passante et de rsolution.
Il est vident quun CAN et/ou un CNA ayant 120 dB de dyna-mique,
des vitesses au-del du gigahertz pour une consommationdun dixime de
watt et un cot infrieur 1 rsoudrait beau-coup des problmes de
llectronique. Malheureusement, cescomposants idaux nexistent pas
et, en pratique, on constate unelimite qui peut tre rsume par le
facteur de mrite F qui est leproduit de 2 la puissance du nombre de
bits (effectif) multiplipar la frquence dchantillonnage divise par
la puissanceconsomme :
Selon les possibilits techniques, les efforts de dveloppementdes
fabricants, on sapproche plus ou moins de ces limites.
SolutionsLes solutions stalent sur pratiquement tout le spectre
des fr-
quences utilises dans le grand public et lindustrie, depuis
lequasi-continu (pesage, compteur) jusquaux hyperfrquences,au-del
du gigahertz, pour les oscilloscopes et les radars, en pas-sant par
le vaste domaine des communications, allant de quelquesdizaines
quelques centaines de mgahertz.
En ce qui concerne la rsolution, les solutions recouvrent
ga-lement une trs large gamme, de quelques bits plus de 24
bits(figure 1).
La reprsentation graphique du domaine accessible aux
conver-tisseurs AN et NA est donne figure 1.
On observe de grandes dispersions lorsque lon place les CNA
etCAN sur ce type de graphe, et il faut admettre que lon
nobserveainsi que la tendance sur ces produits.
Les diffrences darchitecture et de technologie introduisent
desdiscontinuits dans ces comparaisons. Vers les trs hautes
perfor-mances, il y a (trs) peu de ralisations commercialises, et
lacourbe perd en partie de sa signification ; entre autres, la
consom-mation est sacrifie pour favoriser au maximum la
vitesse.
De mme, il y a un cart entre la rsolution affiche (nombre
debits) et la rsolution effective Neff (mesure avec le SINAD ou
leSNR), et si lon traait des courbes semblables celles de lafigure
1 avec le nombre de bits effectif, elles seraient environ 1,5 2
bits plus basses selon les fortes ou faibles rsolutions.
volution des performancesLvolution moyenne des performances
peut, de la mme
manire, tre mesure par lvolution du facteur de mrite F.
Cettevaleur crot denviron un facteur 1,5 2 tous les deux ans.
L o les besoins techniques de rsolution et de frquence
sontsatisfaits, les progrs en technologie et en architecture sont
utilisspour diminuer le cot et la consommation.
Il existe videmment des limites de performance, par exemple
lebruit thorique de la rsistance dentre, qui, conjugues labaisse
des tensions utilises, limiteront ces volutions.
Fabricants de CAN et CNALe domaine des CAN/CNA est devenu un
march de volume tir
par les applications grand public. Les fabricants de circuits
pro-posent les CAN/CNA sous deux formes : circuit indpendant
avecson botier propre, ou intgr dans un circuit plus complexe
detype DSP, microcontrleur, ASIC spcifique, par exemple
unrcepteur-dcodeur TV satellite ou cble (Set Top Box ),
modemclassique ou ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line).
Le march des CAN/CNA reprsente plus de 1,4 milliard de
Exemples Le pesage, le comptage utilisent 20 24 bits en
quasi-continu
avec des consommations extrmement faibles mesures en
micro-watts.
Une vingtaine de bits sont utiliss pour un son haute fidlit
resti-tu 20 kHz par exemple, avec un chantillonnage 44,1 kHz.
8 10 bits quelques dizaines de MHz sont utiliss pour recevoiret
dmoduler la TV numrique avec quelques MHz de bande passante.Mais la
conversion directe depuis la porteuse, qui est de quelquescentaines
de MHz en diffusion hertzienne, ou de 11,7 12,7 GHz endiffusion
numrique par satellite, ncessite encore des tages analo-giques de
transposition et de filtrage, jusqu une f i de, par exemple,70
MHz.
12 14 bits plusieurs dizaines de MHz sont utiliss dans
lesstations de base (pour tlphone cellulaire), mais les besoins
sont pluslevs pour les nouvelles gnrations.
Enfin la mesure avec les oscilloscopes utilise 8 bits, de 500
MHzjusqu plus de 20 GHz en haut de gamme.
F 2Neff f ch / P consomme=
Figure 1 Graphe rsolution vitesse des convertisseurs AN et
NA
Par exemple avec une impdance de source de 5 k, dans 1 kHz
debande on a un bruit de 136 dB V (dB V : dB volts).
Si on quantifie sur 24 bits une tension de 3 Vcc ( 1 Veff), le
bruit dequantification est de soit : 10 dB V 6 24 ( 10) = 10 134 10
= 134 dB V.
Le bruit de la source et le bruit de quantification sont
proches.
10 100 101 100 101 100 101 1006
14
10
18
22
26
Frquence de conversion = fch
Rs
olu
tio
n N
(no
mb
re d
e b
its)
Hz kHz MHz GHz
CNA
CAN Raresralisations
commercialescommerciales
Raresralisations
commerciales
q / 12exploitation du droit de copie est strictement interdite.e
lIngnieur
dollars de chiffre daffaires en 2001.
La conversion de donnes est toujours domine par les Amri-cains,
avec sept fabricants, dont les trois plus importants, et 88 %du
march ! (tableau 1).
Analog Devices, le numro un, est prsent dans la quasi-totalitdes
domaines et des technologies et particulirement surlensemble du
haut de gamme.
loppos, MicroChip ne fait que des convertisseurs CMOS baset
milieu de gamme pour les associer en discret et/ou en intgr sa
gamme de microcontrleur (o il est numro un mondial).
1.2 volutions du march
On sait que la part de llectronique augmente sans cesse dansla
quasi-totalit des biens de consommation, des quipementsindustriels
et que, dans cette lectronique, le numrique, le trai-tement du
signal et linformatique y prennent la plus grande placeet que cette
part crot rapidement. Cependant, les capteurs et lesactionneurs
restent analogiques. Par exemple, les premier et der-nier tages
dune chane de radio-communication, de tlvision,dun modem, image
vido, scanner, audio, etc. conservent desrcepteurs et des
amplificateurs analogiques.
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
(0)
La conversion se fait le plus tt possible , voire mme grceau
progrs de lintgration dans le capteur ou lactionneur lui-mme. Cette
intgration permet aussi, par exemple, de corriger lesimperfections
de la partie analogique par une calibration automa-tique, de
simplifier la transmission de la mesure en la codant, etc.
La conversion de donnes est troitement lie ce dveloppe-ment du
traitement de signal.
Les codeurs bnficient pour toutes ces raisons defforts
dedveloppement importants. Ils suivent les trs dynamiques mar-chs
du son, de limage et de la communication numrique enincluant le
tlphone portable et les modems associs au dvelop-pement de
lInternet, de la TV numrique, des DSP.
Son, vido, micro-informatiqueLe son, la vido, la
micro-informatique et le traitement dimage
sont un march de masse qui a des besoins continus damliora-tion
notamment en termes de cot, de faible consommation, maisaussi de
dynamique pour le haut de gamme et les studios profes-sionnels. La
diffusion numrique de la tlvision (par satellite, par
trois ans de retard sur le produit bipolaire. Cet cart
pourraitmme se rduire, car, pour les besoins des processeurs, les
tech-nologies CMOS isole (SOI) et low k permettent un gain
subs-tantiel dans les vitesses, prcision de gravure constante.
Cedomaine ncessite des DSP toujours plus puissants et plus
rapides.Certains sont entirement ddis la communication et ont
franchiles 4 milliards dinstructions par seconde.
Mesure et mtrologieEn trs basse frquence, ce domaine recouvre
des besoins de
masse pour les compteurs, le pesage et un domaine
professionnel,avec de trs grandes prcisions (typiquement quelques
millio-nimes : ppm).
Les solutions sont du type Sigma-Delta () 20 24 bits,
enmonolithique CMOS avec calibrage. Les convertisseurs intgrent
leplus souvent des rjections trs leves 50 et 60 Hz.
lautre extrme des frquences, on a des applications dans
lesoscilloscopes 8 bits et plusieurs gigahertz mesure trs
rapidepour 16 bits et 100 MHz ainsi que dans des analyseurs de
spectresrapides avec des chantillonnages trs prcis. Les solutions
sontdu type flash 8 bits en monolithique SiGe, ou pipeline 16/14
bits entechnologie bipolaire monolithique.
MdicalOn utilise des convertisseurs rapides et prcis pour les
applica-
tions dimagerie : typiquement 16 bits et quelques MSPS,
pluslents mais de trs grande prcision pour le dosage et lanalyse,
ettrs conomiques en consommation pour tous les appareils im-plants
dans le corps humain qui sont aliments sur pile : prothseauditive,
doseur implant, etc.
DfenseCe march, qui a t un prcurseur, a compltement disparu
en
termes de volume. La plupart des applications sont couvertes
parles composants dvelopps pour le march industriel et
grandpublic.
Il reste des besoins trs spcifiques notamment dans les trshautes
frquences pour les radars, les contre-mesures.
Ces composants sont rservs la dfense et leurs perfor-mances et
technologies sont le plus souvent classifies. Les pro-grammes
amricains citent, par exemple, au travers despublications
scientifiques, des vitesses qui visent la centaine demilliards
dchantillons par seconde.
AutomobileCe march est en progression rgulire ces dernires
annes.
Tableau 1 Les neufs premiers fabricants de CANet CNA en 2001
Place Socit
Chiffre daffaires 2001
pour la conversion
Partde
march
(millions de $) (%)
1 Analog Devices (ADi) 465 33
2 Texas Instruments (TI) 200 14
3 Maxim 154 11
4 Philips 95 7
5 National Semiconductor (NSC) 55 4
6 MicroChip 50 4
7 Intersil 50 4
8 Hitachi 39 3
9 Sony 33 2
Total des 9 socits 1 141 82
Total march 1 400 100Toute reproduction sans autorisation du
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interdite. Techniques de lIngnieur E 372 3
cble et aussi en numrique hertzien) permet de placer environune
dizaine de chanes dans la bande passante dune seule chaneanalogique
avec une qualit de diffusion constante et des servicesamliors.
Le march de la micro-informatique, qui pour le grand public
setourne vers le multimdia avec son, photo, vido et DVDconsomme
beaucoup de conversions de donnes. Cest aussi lecas dInternet qui
consomme lui aussi beaucoup de produits deconversion pour la partie
modem.
Communications et tlcommunicationsCest le march le plus
dynamique. Les progrs puis lexplosion
du march des donnes lies Internet, au tlphone portable
etlinterconnexion locale filaire ou sans fil ont acclr le
dvelop-pement de la conversion de donnes.
Le domaine des frquences intermdiaires (f i ) est
entirementaccessible, avec des produits de 8,10 voire 14 bits sur
la partieinfrastructure et des frquences de quelques dizaines
quelquescentaines de mgahertz. La plupart des produits sont en
technolo-gie CMOS, architecture pipe-line. Seul le trs haut de
gamme reste,en bipolaire, avec linconvnient dun cot et dune
consommationsuprieurs au CMOS au profit dune vitesse suprieure et
dunbruit plus faible. Sur le haut de gamme, le CMOS a environ
deux
Pour raliser des conomies de cblage dans les voitures tout
enaugmentant le nombre daccessoires et doptions, les bus dedonnes
ont fait leur apparition (normes CAN).
De plus, les normes antipollution imposent un contrle
lectro-nique du moteur (allumage et injection). La scurit est aussi
trsprsente avec les systmes antiblocage de roues au freinage et
lecontrle actif de suspension et de direction en virage.
Les vitesses et prcisions requises sont classiques.
Lesconvertisseurs sont en revanche soumis des exigences de
fiabi-lit importantes car ils contrlent les fonctions critiques de
la voi-ture et ce, dans un environnement lectromagntique,
thermiqueet mcanique svre.
2. tat de lart des CAN et CNA
2.1 tat de lart des CAN sur le march Les techniques de CAN se
sont dveloppes en fonction desexigences et des besoins du march et
vont des convertisseurs rampe pour les basses frquences aux CAN
flash pour les hautes
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Techniques d
frquences. Les premiers reposent sur une conversion en srie,
lesseconds sur une conversion en parallle. Entre ces deux extrmesse
sont dveloppes des techniques par approximations succes-sives pour
des vitesses moyennes, et pipeline ou subranging ( 2,3 ou N tages)
pour des vitesses plus leves. Les trs hautes rso-lutions sont
fournies par les Sigma-Delta ().
Larchitecture et la technologie utilises rsultent, dans
chaquecas, de la recherche du meilleur compromis
performance/en-combrement/prix/consommation. La dernire dcennie
(1990-2000)a vu la disparition totale des technologies hybrides qui
taientextrmement chres au profit des technologies monolithiques,
per-mettant un cot de srie trs bas et un fort volume de
production.En particulier, les architectures ont t dveloppes et
adaptespour pouvoir utiliser la technologie CMOS qui domine le
march,profitant ainsi des normes investissements faits sur cette
techno-logie.
Pour des CAN grand public tels ceux de laudionumrique,
ontrouvera du monolithique CMOS Sigma-Delta qui se prte bien
laproduction de srie avec des cots bas et de faibles
consom-mations. Le domaine des communications, la TV numrique
fontappel aux architectures pipelines toujours en monolithique
CMOS.Cela permet ainsi lintgration de ces convertisseurs dans les
ASICddis au Set Top Box.
Pour certaines applications dlectronique professionnellecomme
les oscilloscopes, qui exigent une frquence au-del dugigahertz, les
fabricants font appel aux technologies bipolaire,BiCMOS et
ventuellement des matriaux SiGe, AsGa qui per-mettent les vitesses
les plus leves.
Sur la figure 2, on peut voir les domaines accessibles aux
CANsuivant les diffrentes architectures.
Dans le tableau 2 sont donnes quelques performances de
CANdisponibles sur le march. Les bits sont les bits de rsolution,
lesconsommations et les prix de ces produits ne sont pas
directementcomparables [technologies et architectures diffrentes,
volumes deproduction compltement diffrents (de millions
quelquesmilliers)]. Ils sont donns ici comme indication (les dates
de sortie etde conception ne sont pas les mmes et sont tales sur
plus dequatre ans).
La performance optimale (produit rsolution vitesse) est
repr-sente par un convertisseur 14 bits 100 MHz, un 24 bits 100
kHzou encore un hypothtique 4 bits 100 GHz qui nexiste pas sur
lemarch . Le premier produit rsolution vitesse vaut 214LSB 100 MHz,
soit 1 638 400 000 000 LSB Hz (1,6 1012).
Le facteur de mrite qui sexprime en LSB hertz/watt(LSB Hz/W)
nest pas souvent le meilleur pour les produits lesplus rapides,
mais plutt pour des convertisseurs un peu moinsrapides qui visent
une intgration importante o la puissance estun critre majeur.
Ce facteur de mrite est actuellement reprsent par un
conver-tisseur de 14 bits 20 MHz et consommant 0,100 W soit
environ3 000 000 000 000 LSB Hz/W (3 1012). Cest le TSA1401 : 14
bits,20 MHz, 0,100 W, CMOS 0,25 m, 2,5 V, botier TQFP48 du
fabricantST Microelectronic.
Dans le tableau 3 sont donnes les vitesses et
consommationsextrapoles par rapport ltat de lart la vitesse
maximale etau 1/8 de la vitesse maximale en fonction de la
rsolution.
Figure 2 Courbe enveloppe frquence rsolution pour les CAN et
architectures les plus frquentes
10 100 101 100 101 100 101 1006
14
10
18
22
26
Frquence
No
mb
re d
e b
its
N
Hz kHz MHz GHz
Sigma-DeltaSigma-DeltaSigma-Delta
SARSAR
PipelinePipeline
FlashFlash
Tableau 2 Performances de CAN disponibles sur le march
N bits Frquence Architecture TechnologieEstimation
de prix Consommation Rfrence
()
2 24 96 kHz CMOS 5
18 800 kHz SAR CMOS 30
16 5 MHz Pipeline CMOS 35
14 65 MHz Pipeline CMOS 35
12 210 MHz Pipeline BiCMOS 80
14 105 MHz Pipeline Bipolaire 50
8 1,5 GHz Flash Bipolaire SiGe 500
10 2 GHz NC (1) Bipolaire SiGe NC (1)
(1) NC Non communiqu.exploitation du droit de copie est
strictement interdite.e lIngnieur
Botier commerciale Fabricant(mW)
300 28 TSSOP AD1871 Analog Devices
100 46 LFCSP AD7679 Analog Devices
500 44 LQFP SPT8100 Signal Processing Technology
500 48 PQFP AD9244 Analog Devices
1 300 100 TQFP AD9430 Analog Devices
1 500 48 PQFP AD6645 Analog Devices
5 000 192 ESBGA MAX 108 Maxim
4 600 CBGA152 TS83102 ATMEL
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
(0)
On peut constater des carts trs importants entre les
meilleuresperformances estimes et celles constates (voir tableau
2). Parexemple, la puissance consomme relle varie de plus de2
dcades par rapport ltat de lart.
Le tableau 4 rsume les performances des produits commer-ciaux
usuels ou standards, vendus en botiers, en fonction
delarchitecture. La plupart des produits sont en technologie
CMOS,seuls les convertisseurs trs rapides sont en technologie
BiCMOSou bipolaire.
Les convertisseurs intgrs des produits complexes,
micro-processeurs, DSP, Set Top Box..., sont tous en CMOS et on
ren-contre principalement les architectures Sigma-Delta, SAR
etpipeline.
Pour les tlphones portables, on rencontre des Sigma-Delta
enpasse-bande, qui permettent le multistandard.
2.2 tat de lart des CNA du march
Les techniques de CNA se sont dveloppes en fonction desexigences
et des besoins du march. Ils reposent sur uneconversion en parallle
avec diffrents types de rseaux de rsistan-ces pondres ou R /2R ou
encore C /2C, avec des sorties en tensionou en courant. Les trs
hautes rsolutions sont fournies par lesSigma-Delta ().
Larchitecture et la technologie utilises rsultent, dans
chaquecas, de la recherche du meilleur compromis
performance/en-combrement/prix/consommation. Les technologies
monolithiques,permettant un cot de srie trs bas et un fort volume
de produc-tion, sont presque exclusivement utilises. En
particulier, lesarchitectures ont t dveloppes et adaptes pour
pouvoir utiliserla technologie CMOS qui domine le march, profitant
ainsi desnormes investissements faits sur cette technologie. Le cot
duneusine de production, pour des wafers de 20 cm et 0,1 m de
gra-vure, est denviron 3.109 $ US.
Pour des CNA grand public tels ceux de laudionumrique,
ontrouvera du monolithique CMOS Sigma-Delta qui se prte bien
laproduction de srie avec des cots bas et de faibles
consom-mations.
Pour certaines applications dlectronique professionnellecomme la
gnration de signaux rapides pour la communicationou les radars qui
exigent une frquence au-del du gigahertz, lesfabricants font appel
aux technologies bipolaire, BiCMOS et ven-tuellement des matriaux
SiGe, AsGa qui permettent les vitessesles plus leves.
On peut voir sur la figure 3 les domaines accessibles aux
CNA.(0)
Tableau 3 Vitesses et consommations extrapolespar rapport ltat
de lart
N bits Vitesse maximale
Consommation(mW)
1/8 de la vitesse
maximale
Consommation(mW)
24 100 kHz 550 12 kHz 70
22 390 kHz 550 48 kHz 70
20 1,56 MHz 550 195 kHz 70
18 3,125 MHz 550 781 kHz 70
16 12,5 MHz 550 3 MHz 70
14 50 MHz 550 12 MHz 70
12 200 MHz 550 50 MHz 70
10 800 MHz 550 200 MHz 70
8 1,6 GHz 550 800 MHz 70
Tableau 4 Performances des produits commerciaux usuels ou
standards
Architecture Rsolution Vitesse (1) Avantages/InconvnientsToute
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droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur E
372 5
Intgration 8 18 bits 30 kSPS
+ Rsolution leve+ Faible consommation+ Excellente rjection
analogique du bruit Trs faible vitesse dchantillonnage
SAR 8 16 bits 3 MSPS+ Rsolution leve et prcision+ Faible
consommation Vitesse dchantillonnage limite
16 24 bits 3 MSPS
+ Rsolution la plus leve et prcision+ Excellente linarit+ Faible
consommation+ Excellente rjection numrique du bruit+ Adaptabilit
potentielle Vitesse dchantillonnage limite
Pipeline subranging 8 16 bits entre 10 et 400 MSPS+ Trs rapide+
Correction digitale des erreurs+ Meilleur compromis vitesse
rsolution
Flash 6 8 bits entre 1 et 20 GSPS
+ Les plus rapides Rsolution limite Puce de dimension importante
Capacit de lentre leve Forte consommation Codes erratiques
(1) La vitesse est donne en Sample Per Second (nombre
dchantillons par seconde). 1 SPS = 1 Hz.
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Techniques d
(0)
Dans le tableau 5 sont donnes quelques performances de
CNAdisponibles sur le march. Les bits sont les bits de rsolution,
lesconsommations et les prix de ces produits ne sont pas
directementcomparables [technologies et architecture diffrentes,
volumes deproductions compltement diffrents (de millions
quelquesmilliers)]. Ils sont donns ici comme indication (les dates
de sortie etde conception ne sont pas les mmes et sont tales sur
plus dequatre ans).
La performance (produit rsolution vitesse) est reprsentepar un
convertisseur 16 bits 100 MHz ou encore un hypothtique6 bits 100
GHz qui nexiste pas sur le march. Le premierproduit rsolution
vitesse vaut 216 LSB 100 MHz, soit6 553 600 000 000 LSB Hz (6,5
1012).
Le facteur de mrite qui sexprime en LSB Hz/W nest souventpas le
meilleur pour les produits les plus rapides, mais plutt pourdes
convertisseurs un peu moins rapides qui visent une
intgrationimportante o la puissance est un critre majeur. Beaucoup
deconvertisseurs, dont les convertisseurs vido, sont en gnral
malplacs selon ce type de critre car ils sont conus pour
fournirdirectement la puissance ncessaire pour lapplication des
signauxvido dcran.
Ce facteur de mrite est actuellement reprsent par un
conver-tisseur de 14 bits 250 MHz et consommant 0,054 W soit
environ76 000 000 000 000 LSB Hz/W (76 1012), avec une
technologie
originale propose par le concepteur : il sagit de fabless
(pro-duit conceptuel ) du fabricant Impinj, 14 bits 250 MHz 0,054
Wen CMOS 0,25 m 2,5 V.
Le produit ADi le plus proche est environ 42 1012.
On retrouve que les CNA sont meilleurs que les CAN denviron1
ordre de grandeur, voire 1,5.
Dans le tableau 6 sont donnes les vitesses et
consommationsextrapoles par rapport ltat de lart, vitesse maximale
et au 1/8de la vitesse maximale, en fonction de la rsolution.
On peut constater des carts trs importants entre les
meilleuresperformances estimes et celles constates.
(0)
Tableau 5 Performances de CNA disponibles sur le march
N bits Frquence Architecture TechnologieEstimation de prix
Consommation
Botier Rfrence commerciale Fabricant() (mW)
2 24 46 kHz CMOS 2 64 20 VQFN PCM1772 TI
2 24 196 kHz CMOS 7 200 28 SSOP AD1955 AD
16 100 MHz Parallle 4 interp. CMOS 80 860 64 QFP MB86060
Fujitsu
12 400 MHz Parallle CMOS 80 300 80 LQFP MB86061 Fujitsu
14 250 MHz Parallle CMOS Non communiqu 54 Fabless (1) Fabless
(1) Impinj
14 300 MHz Parallle 40 115 48 PQFP AD9755 AD
2 8 40 MHz Parallle CMOS 4 20 28 QSOP MAX 5182 Maxim
(1) Produit conceptuel .
Figure 3 Courbe enveloppe frquence rsolution pour les CNA
10 100 101 100 101 100 101 1006
14
18
10
22
26
Frquence
No
mb
re d
e b
its
N
Hz kHz MHz GHz
Tableau 6 Vitesses et consommations extrapolespar rapport ltat
de lart
Vitesse Consommation 1/8 de la Consommationexploitation du droit
de copie est strictement interdite.e lIngnieur
N bits maximale (mW) vitesse maximale (mW)
24 390 kHz 90 48 kHz 11
22 1,56 MHz 90 195 kHz 11
20 6,25 MHz 90 780 kHz 11
18 25 MHz 90 3,1 MHz 11
16 100 MHz 90 12,5 MHz 11
14 400 MHz 90 50 MHz 11
12 600 MHz 90 200 MHz 11
10 6,4 GHz 90 800 MHz 11
8 25 GHz 90 3,2 Hz 11
-
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
3. Technologies des CANet des CNA
Le march de la conversion de donnes sest beaucoup dve-lopp ces
dernires annes. Les exigences des convertisseurs, tantau niveau des
performances que des cots ou de lencombrement,ont amen les
industriels et les universitaires tudier de nou-velles
architectures et des technologies spcifiques. Les CAN/CNAsont
aujourdhui raliss sur une seule puce (monolithique). Ilsbnficient
des avantages dune intgration pousse, cest--diredune augmentation
de la densit et de la vitesse, et duneconsommation moindre.
Aujourdhui, beaucoup de CAN/CNA sontde vritables systmes qui
comprennent peu prs tout ce qui estanalogique (multiplexeurs,
chantillonneurs-bloqueurs, etc.) maisgalement du numrique avec du
traitement du signal (correctionderreur, moyennage, calibrage). Ils
utilisent souvent une tensiondalimentation unique de 5 V, voire de
3,3 V, en gardant une granderapidit, mais parfois aussi des
tensions plus basses, par exemple1,8 V, avec quelques milliwatts de
consommation pour des pro-duits dans la gamme des dizaines de kSPS
avec 14 bits et quelquesmicrowatts pour du 16 bits quelques
chantillons par seconde.
Les botiers sont, comme pour tous les composants, de plus enplus
petits et monts en surface. Les tailles varient : du modleSOT23-x
(x, nombre de broches = 6 8) pour les plus simples, avecvidemment
une interface srie, des PQFP avec 52 broches aupas de 0,8 mm et des
interfaces parallles rapides de type LVDS.Les botiers type CSP
(Chip Size Package ) et contacts type leadlessou BGA (Ball Grid
Array ) permettent une intgration maximaledans le botier en
diminuant le ratio surface de botier/surface depuce.
Technologie monolithique peu prs toutes les technologies
monolithiques sont utilisables
pour faire des convertisseurs : CMOS, BiCMOS et bipolaire.
Pourles convertisseurs, la technologie monolithique reprsente la
tota-lit des produits.
Process CMOS
Le CMOS (MOS complmentaire) offre la consommation la plusbasse
et le meilleur cot en bnficiant des investissements
Les convertisseurs les plus rapides pour des besoins
militairesou de mesure ultrarapide ont t en AsGa dans les annes
1990.La fin des annes 1990 et le dbut des annes 2000 ont vu
lappa-rition du SiGe pour beaucoup dapplications ultrarapides
indus-trielles et grand public.
La technologie SiGe, dveloppe entre autres par IBM, est entrain
de prendre le pas sur lAsGa dans les applications allantau-del du
GSPS. IBM annonce des process SiGe HBT BiCMOS 120 GHz (HBT :
Heterojunction Bipolar Transistor ) et cette valeurest en
amlioration constante. Les matriaux InP, dvelopps entreautres pour
lOC 768 (40 Gbits/Sec), offrent aussi de belles pers-pectives pour
raliser des convertisseurs.
Perspectives de dveloppementdans le domaine de lultrarapide
Dans les programmes militaires amricains, on voit apparatredes
publications sur lutilisation des HEMT (High Electron
MobilityTransistor ) et des RTD (Resonant Tunneling Diodes ),
associs des gravures de quelques dizaines de nanomtres, qui
devraientpermettre de raliser des circuits analogiques et logiques
pour desconvertisseurs 100 GHz.
Les supraconducteurs (qui utilisent leffet Josephson) sortentdes
laboratoires, et il existe, notamment pour les besoins en tl-phonie
mobile 3G , quelques produits commerciaux.
Tension dalimentationLalimentation se fait maintenant avec une
tension unique et de
plus en plus basse grce au process et aux matriaux. Les
plushautes vitesses sont encore en 5 V (14 bits 105 MSPS), mais
STMicroelectronics commercialise des convertisseurs
analogiquesnumriques 14 bits 20 MSPS avec seulement 2,5 V.
Beaucoup de publications montrent des solutions diverses
pourraliser des convertisseurs autour de 8 bits et quelques
dizaines deMSPS, en technologie CMOS des tensions de 1 V. Cette
baisse dela tension entrane une baisse de la pleine lchelle et donc
du pasde quantification. On atteint alors des limites dues au bruit
: le bruitinterne inhrent aux rsistances et aux transistors, mais
aussi lebruit induit par toutes les autres fonctions internes de la
puce ainsique ceux induits par les autres circuits prsents sur la
carte.
Technologie hybrideLa technologie hybride a t couramment utilise
pour raliser
des convertisseurs performants et complexes que lon utilisait
enlectronique professionnelle et militaire dans les annes
1980-1995. Cette technologie, trs coteuse, a totalement disparu
au
Le lecteur pourra utilement se reporter larticle
Micro-lectronique [E 2 400] dans le prsent trait.Toute reproduction
sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie
est strictement interdite. Techniques de lIngnieur E 372 7
normes faits dans cette technologie pour dvelopper les
circuitsnumriques. Tous les convertisseurs destins une large
diffusion,ou qui ne requirent pas la vitesse la plus leve et le
plus faiblebruit que peut offrir le bipolaire, sont raliss dans
cette techno-logie (voire intgrs dans les processeurs).
Dans les annes 1980 et 1990, le CMOS avait linconvnientdtre
sensiblement infrieur au point de vue rapidit et prcisionpour
lanalogique. Il a maintenant une rapidit et une prcisionsuffisantes
pour presque toutes les applications. Les technologiesCMOS isoles
et les progrs de la finesse de gravure vont encoreamliorer les
performances et la domination de masse du CMOS.
Process bipolaire
Le bipolaire convient bien pour les produits ultrarapides
audtriment dune consommation plus leve, mais ne peut pas treintgr
facilement sur les processeurs qui sont tous en CMOS.
Lesconvertisseurs en technologie bipolaire sont en gnral
meilleursen termes de bruit, ce qui est ncessaire pour les hautes
rsolu-tions rapides sous faible tension.
MatriauxLes matriaux sont le silicium pour la presque totalit
des
convertisseurs.
profit de produits monolithiques standards ou dASIC
spcialissdans certains cas. Il reste nanmoins quelques produits
hybridespour des besoins de maintenance et/ou des applications
militaires.On trouve maintenant des circuits du type multichip qui
utili-sent des encapsulations usuelles plastiques au lieu des
botiersmtalliques hermtiques historiques.
Calibrage, ajustage, correctionAfin dobtenir la meilleure
rsolution pour les convertisseurs,
tout en vitant le tri des puces et des circuits encapsuls pour
am-liorer les rendements de fabrication, beaucoup de fabricants
utili-sent des techniques de calibrage. Il sagit la fois de
calibrer et decompenser des dispersions en sortie de fabrication,
mais aussi desdrives en fonctionnement, par exemple, drives lies la
temp-rature, par des corrections derreur.
BotiersOn peut voir dans la figure 4, titre dexemple, la
comparaison
de trois types de botiers ayant 28 connexions, qui montre les
pro-grs de la miniaturisation des botiers.
Pour mmoire, le botier historique PDIL 28 broches (plasticdual
in line ) piquer fait environ 16 mm 36 mm soit 576 mm2 etdonc le
LFCSP est 23 fois plus petit !
-
CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dE 372 8
Techniques d
4. Produits intgrantdes CAN ou des CNA
Les trs grands progrs de lintgration permettent de raliser,en un
seul circuit monolithique, un ensemble ou
sous-ensemblefonctionnel.
Lintgration des tages de conversion existe maintenant sur
unevaste gamme de produits.
Les microprocesseurs, les microcontrleurs et les DSP
intgrentnaturellement des interfaces, souvent multiplexes en AN et
NAavec des performances telles quils couvrent la plupart des
appli-cations usuelles de 8 12 bits voire 14 bits et des vitesses
dequelques kilohertz quelques mgahertz. On trouve aussi des
pro-duits trs simples tels que les capteurs de temprature, qui
peu-vent alors transfrer les mesures en numrique et aussi
devenircalibrables, programmables...
On peut citer les grands domaines dapplication : Multimdia :
audio, vido, TV, DVD, photo, scanner, impri-
mantes... Communication avec lmission et la rception : tlphone,
tl-
vision numrique par satellite ou cble, Internet avec les
modems,classique ou xDSL...
Informatique : PC multimdia Contrle, process, produits blancs,
automobile...
Dans la suite de ce paragraphe, nous donnons des exemples
deproduits intgrant des CAN ou des CNA, dans les
applicationssuivantes :
Digital Vido Disque DVD Interface AN pour capteur dimages
CCD
Synthtiseur numrique direct DDS Palette graphique pour station
de travail, PC haut de gamme Driver dcran cristaux liquides
Microcontrleur avec convertisseur AN Compteur lectrique Interface
AN/NA pour modem large bande
Les rfrences commerciales et les blocs diagrammes sont don-ns
titre indicatif.
On peut aussi noter des familles de processeurs spcifiquesddis
linterfaage spcifique des CAN/CNA. En effet, le pro-cesseur
principal nest pas toujours capable datteindre le dbitsouhait et,
mme sil en a la capacit, sa consommation est alorstrop leve. Ces
processeurs ddis prennent typiquement encharge, la rception aprs le
CAN, les premires oprations defiltrage/dcimation, FFT, corrlations
ventuelles, tandis que, enmission avant le CNA, ils prennent en
charge lextrapolation, lesurchantillonnage, le filtrage.
Par exemple, chez le fabricant Analog Devices, ces
famillesspcifiques sont les familles RSP Digital Receive Signal
Proces-sors et TSP Digital Transmit Signal Processors.
Digital Vido Disque DVD
Le CS98200 de Cirrus Logic (figure 5) est un produit trs
hauteintgration qui fournit toutes les fonctions audio et vido pour
lesnouvelles gnrations de produits DVD haut de gamme. En inter-face
de sortie, on trouve 6 CAN vido. Le botier est un 240 MQFP.
Interface AN pour capteur dimages CCD
LAD9826 dAnalog Devices (figure 6) est un AFE (Analog FrontEnd )
complet pour des applications couleur telles que scanneur
dedocuments, copieurs numriques, etc. Il comporte trois
voies,rglage de gain (6 bits) et offset (9 bits), multiplexage et
num-risation sur 16 bits. Sa consommation est de 400 mW, il
coteenviron 6 et son botier est un 28 SSOP.
Synthtiseur numrique direct DDS
LAD9858 dAnalog Devices (figure 7) est un DDS (Digital
DirectSynthesizer ), CNA 10 bits, qui fonctionne jusqu 1 GSPS.
Ilcomporte un convertisseur NA rapide. Il est capable de gnrerune
sinusode agile en frquence jusqu 400 MHz. Sa tensiondalimentation
est de 3 V pour une puissance de 2 W dans unbotier 100-lead
EPAD-TQFP. Les applications sont la synthsede frquence VHF/UHF-LO,
station de base 3G saut de fr-quence, etc.
Figure 4 Exemple des progrs de la miniaturisation des
botiers
5 mm
5 m
m
19 m
m
10 mm
Botier
SOIC 28
TSSOP 28
LFCSP 28
Surface (mm2)
194
64
25
Comparaison
3 fois plus petit que SOIC
2,6 fois plus petit que TSSOP7,8 fois plus petit que
SOICexploitation du droit de copie est strictement interdite.e
lIngnieur
Figure 5 Bloc diagramme du CS98200
-
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
Figure 6 Bloc diagramme de lAFE AD9826Toute reproduction sans
autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est
strictement interdite. Techniques de lIngnieur E 372 9
Palette graphique pour station travail, PC haut de gammeLADV7160
(figure 8) et lADV7162 dAnalog Devices sont des
palettes graphiques couleur de haut de gamme. Elles incluent
troisCNA 10 bits et permettent des applications 24 bits couleur
relle.La rsolution maximale dcran est de 1 600 1 280 pixels
lavitesse 85 Hz soit 174 MHz. Le botier est un 160-PQUAD.
Driver dcran cristaux liquidesLe MPT57571B de Texas Instruments
(figure 9) est un driver
384 sorties pour des crans couleur cristaux liquides LCDSTFT .
Les trois drivers, rouge, vert, bleu, ont chacun des CNA 8
bits(soit 28 28 28 = 16 772 216, cest--dire environ 16,77 millions
decouleurs). La compatibilit XGA/VGA est donne par les 384
sorties.
Figure 7 Bloc diagramme du DDS : AD9858
-
CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dE 372 10
Techniques d
Figure 8 Bloc diagramme de la palette graphique
ADV7160exploitation du droit de copie est strictement interdite.e
lIngnieur
Figure 9 Bloc diagramme du driver cran LCD : MPT57571B
-
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
Microcontrleur avec convertisseur ANLe PIC12C671 de MicroChip
est un microcontrleur ayant un
temps de traitement de 400 ns par instruction avec un CAN4
canaux de 8 bits. Il est dans un botier 8 broches et vise les
appli-cations dentre de gamme pour lautomobile, lindustrie et
lesapplications grand public.
(0)
Compteur lectriqueLe CS5460A de Cirrus Logic (figure 10) est un
produit qui intgre
sur une seule puce deux convertisseurs Sigma-Delta
analogique-
numrique, une fonction de calcul rapide de la puissance et
uneinterface srie. Il mesure trs prcisment lnergie, la puissance,le
courant et la tension efficaces pour les applications simple
phaseet trois phases. Il est calibrable, sa prcision est de 0,1 %
sur unedynamique de 1000:1. Il consomme moins de 12 mW dans un
bo-tier 24 SSOP.
Interface AN/NA pour modem large bande
Broadband Modem Mixed Signal Front End
LAD9875 (10 bits) (figure 11) et lAD9876 (12 bits)
dAnalogDevices sont des interfaces AN et NA pour les modems
largebande (xDSL, sans fil, etc.). Ils incluent les filtres
dinterpolationNA, ncessaires lmission : 10/12 bits NA 64/32
MSPS,2x/4x filtres, etc.).
Les circuits de rception comprennent PGA (Programmable
GainAmplifier), LPF (Low Pass Filter) et CAN : convertisseurs 10/12
bits,50 MSPS AN ; filtres passe-bas du 4e ordre 12 MHz ou 26 MHz
;amplis programmables de 6 dB + 36 dB. Ce produit est alimenten 3,3
V dans un botier 48 LQFP.
Tableau rsum des spcifications du PIC12C671
Data Ram
Speed MHz
/O Ports
Serial Brown
ADC /O PWM Compa-rators Timers Out ICSP
128 10 6 4 1 + WDT False True
IIToute reproduction sans autorisation du Centre franais
dexploitation du droit de copie est strictement interdite.
Techniques de lIngnieur E 372 11
Figure 10 Bloc diagramme du compteur lectrique CS5460A
-
CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dE 372 12
Techniques d
5. Utilisation des CANet des CNA
Entre les deux domaines continu analogique et discret num-rique,
lutilisateur potentiel de CAN et de CNA est habituellementconfront
trois problmes principaux : il lui faut, tout dabord,tre en mesure
dinterprter correctement les spcifications ; il luifaudra, ensuite,
faire le bon choix et enfin, que ce soit titre dva-luation ou bien
de contrle, il pourra tre amen tester leconvertisseur.
Ces trois tches, dans le cas des produits de conversion
dedonnes, sont particulirement dlicates, notamment dans le casdes
hautes vitesses et/ou des hautes rsolutions.
Les spcifications ne sont pas aises interprter parce que
lesfabricants spcifient souvent leurs produits sur des cas
simples,tels que sinus pur, alors que dans la pratique on a des
signauxcomplexes et/ou transitoires. Mais, mme bien spcifie,
lutilisa-tion des convertisseurs prsente des difficults, car elle
suppose lamatrise des deux domaines techniques : analogique et
numrique.
Le choix du bon convertisseur est dlicat pour ces raisons.
Les tests, quant eux, prsentent galement de nombreusesdifficults
dues la grande prcision et la vitesse leve. Les pro-grs raliss sur
les convertisseurs sont difficiles suivre auniveau des tests dans
les mthodes ou dans les testeurs. Par exem-ple pour tester un
convertisseur ltat de lart avec 12 bits de400 MSPS, il faut gnrer
une horloge (cf. [E 370, figure 10]) ayantmoins de 0,1 ps de bruit
et encore pour ne mesurer que 0,1 LSB deDNL (erreur de linarit
diffrentielle).
5.1 Interprtation des spcifications
Usuellement, il y a deux familles de paramtres : statiques
etdynamiques et, selon les applications, il peut tre ncessaire
ouinutile de les considrer.
5.1.1 Erreurs de gain et de dcalage
Dans un CAN, lerreur de dcalage (ou offset) est la diffrencequi
existe entre la tension applique lentre qui met dans ltat 1le bit
de plus faible poids et la valeur thorique de la tension
effec-tuant ce changement (figure 12a).
Dans un CNA, lerreur de dcalage est la diffrence qui existeentre
la tension que dlivre le CNA lorsque tous les bits sont ltat 0 et
celle que lon devrait obtenir en sortie.
Cette erreur entrane une translation de la caractristique
detransfert.
Pour un CAN comme pour un CNA, lerreur de gain se traduitpar une
pente diffrente de la caractristique de transfert
Figure 11 Bloc diagramme du front end pour modem : AD9875
Figure 12 Erreurs de dcalage (offset) (a) et de gain (b) dans un
CAN
0
010
011
100
101
110
111
001
Entre analogique
I droite thorique
Erreur
So
rtie
nu
mr
iqu
e
0
010
011
100
101
110
111
001
Entre analogique
So
rtie
nu
mr
iqu
e
Erreur
a
b
I
Iexploitation du droit de copie est strictement interdite.e
lIngnieur
(figure 12b ).
Selon les applications, on peut tre sensible ou insensible
cetype derreur (couplage alternatif ou mesure absolue, prsencedun
gain variable dans la chane, recherche de distorsion).
5.1.2 Erreurs de linarits
Selon les applications, on peut tre trs sensible ou peu sensible
ce type erreur (recherche de distorsions).
La caractristique de transfert idale dun CAN est une suite
depaliers dont les centres sont aligns sur une droite idale. Dans
lapratique, les caractristiques de transfert ne sont pas des
escaliersparfaits et les fabricants de convertisseurs garantissent
que leserreurs ne dpassent pas une certaine limite.
Lerreur de linarit ou linarit intgrale ou encore linaritabsolue
est dfinie comme lcart entre la caractristique de trans-fert relle
et lescalier idal (figure 13a).
Lerreur de linarit diffrentielle reprsente la diffrence,
pourchaque LSB (marche de lescalier), des valeurs analogiques
corres-pondant deux codes successifs (figure 13b) par rapport au
pasde quantification idal.
-
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
5.1.3 Non-monotonicit, codes manquants
Dans les deux cas, il sagit derreurs de linarit diffrentielle.
Unconvertisseur AN ou NA dont la linarit diffrentielle est garantie
(1/2) LSB dans toute la gamme de fonctionnement est, de
faonimplicite, monotone. Les fabricants spcifient habituellement si
leconvertisseur AN ou NA est monotone et/ou est sans
codesmanquants.
Figure 13 Erreurs de linarits intgrale (a) et diffrentielle
(b)
0
Erreur010
011
100
101
110
111
001
Entre analogique
I erreur diffrentielle +1/2 LSBII erreur diffrentielle --1/2
LSBIII pas d'erreur (palier = 1 LSB)IV droite thorique
So
rtie
nu
mr
iqu
e
0
010
011
100
101
110
111
001
Entre analogique
So
rtie
nu
mr
iqu
e
a
b
IV
IIV
II
III
0
010
011
100
101
110
111
001
So
rtie
nu
mr
iqu
e
moindres carrs
MinMax(extrmes)
Figure 15 Non-monotonicit dans un CNA
0 010 011001 100 101 111110Entre numrique
So
rtie
an
alo
giq
ue
a CNA monotone
0 010 011001 100 101 111110Entre numrique
So
rtie
an
alo
giq
ue
b CNA non monotoneToute reproduction sans autorisation du Centre
franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.
Techniques de lIngnieur E 372 13
Pour la mesure de la non-linarit, plusieurs dfinitionspeuvent
tre utilises ; deux dfinitions parmi les plus courantessont donnes
ci-aprs :
dans la premire, on considre comme droite idale la
droitejoignant les deux points extrmes de la caractristique de
transfert(mais dans beaucoup dapplications, ces valeurs extrmes
decodes ne sont pas utilises car on vite de sapprocher de
lasaturation) ;
la seconde consiste rechercher une droite passant au plusprs des
diffrents points de la caractristique. On peut parexemple calculer
la droite des moindres carrs ou des moindrescarts (figure 14).
Il est dommage que ces dfinitions ne soient pas standardises,car
cela limite la comparaison des performances, voire induit
luti-lisateur en erreur.
Un non-respect de ces deux caractristiques constitue du pointde
vue de lutilisateur un dfaut qui pourrait tre lourd de cons-quences
dans certaines applications, par exemple lorsque leconvertisseur
est plac dans une boucle dasservissement.
La non-monotonicit dun AN ou dun NA se traduit par le faitque,
alors que lentre crot, la tension de sortie dcrot (figure 15).On
parle de codes manquants dans un AN ou un NA lorsqueaucune valeur
de la tension dentre ne permet dobtenir ce codeen sortie (figure
16).
5.1.4 Caractristiques dynamiques
Les caractristiques dynamiques reprsentent pour les
convertis-seurs les paramtres les plus importants.
Gnralement, les caractristiques des convertisseurs se dgra-dent
lorsque la frquence de fonctionnement slve.
Les caractristiques dynamiques les plus importantes sont
lessuivantes :
temps dtablissement ; incertitude au point douverture (Aperture
Jitter Uncertainty )
(figure 17) ; rapport signal bruit avec distorsion (SINAD) ;
Figure 14 Mesure de la non-linarit de la caractristiquede
transfert
Entre analogique
-
CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dE 372 14
Techniques d
rapport signal bruit sans distorsion (SNR) ; taux de distorsion
dharmoniques ; dynamique de codage (SFDR : Spurious Free Dynamic
Range ) ; bande passante pleine puissance (Full-Power Bandwidth ) ;
taux dintermodulation (IMD : Intermodulation Distorsion ).
Ces caractristiques sont souvent mesures sur des signauxsimples
et il est parfois difficile den extrapoler les performancessur des
signaux complexes.
Nota : pour la dfinition des termes, se reporter en [E 370,
1].
5.1.5 Exemple de spcifications
Le produit que nous allons dcrire est lAD9244 14 bits,40/65 MSPS
Monolithic CMOS A/D Converter (figure 18).
Description du produitLAD9244 est convertisseur
analogique-numrique, monoli-
thique, alimentation unique + 5,0 V, de rsolution 14 bits, et
devitesse 40 ou 65 MSPS avec rfrence et
chantillonneur-bloqueurintgr haute performance. LAD9244 utilise une
architecture pipe-line plusieurs tages diffrentiels. Un bloc de
correction derreurlogique donne la prcision de 14 bits 65 MSPS et
garantit contreles codes manquants sur toute la gamme de
temprature. La rf-rence interne est programmable.
Une rfrence externe peut tre utilise si la prcision
statiqueet/ou la drive en temprature doivent tre amliores.
Unehorloge entre diffrentielle est utilise pour contrler
laconversion...
Caractristiques 14 bits, 65 MSPS ADC
Faible puissance : 590 mW 65 MSPS avec fch/2 la frquence de
Nyquist 340 mW 40 MSPS avec fch/2 la frquence de Nyquist
Rfrence et chantillonneur-bloqueur intgr 750 MHz de bande
passante analogique SNR = 74 dB la frquence Nyquist SFDR = 83 dB la
frquence Nyquist Non-linarit diffrentielle = 0,6 LSB Absence de
codes manquants garantie sur toute la gamme de
temprature 1 Vcc 2 Vcc entre diffrentielle Alimentation unique :
+ 5,0 V analogique, et 3/5 V numrique
Figure 16 Codes manquants dans un CAN
Figure 17 Incertitude au point douverture
0
010
011
100
101
110
111
001
Entre analogique
So
rtie
nu
mr
iqu
e
0
010
011
100
101
110
111
001
Entre analogique
So
rtie
nu
mr
iqu
e
a pas de code manquant
b code manquant (011)
V
t
Point d'chantillonnage
V = t dVdt
Figure 18 Bloc diagramme du convertisseur AD9244
AVDD
AGND CML VR VREF REFSENSE
REFGND
DRGND
VIN+
CLK+
CLK--
DUTY
VIN--
14
14
REFT REFB DRVDD
DFS
OTR
DB13-DB0
OEB
AD9244
TIMING
REFERENCE
OU
TP
UT
RE
GIS
TE
R
EIGHTSTAGE
PIPELINEADC
SHAexploitation du droit de copie est strictement interdite.e
lIngnieur
Botier 48 LQFP
Applications Communications microcellules, picocellules Mdical
et imagerie haut de gamme Appareil ultrasons
5.2 Techniques de tests
Ces tests sont gnralement spars en tests statiques et
dyna-miques. Les paramtres statiques pouvant se mesurer plus
facile-ment laide de voltmtres, ampremtres, etc.
5.2.1 Tests des CAN
Les tests dynamiques des CAN font le plus souvent appel uneou
deux sinusodes. Bien que certains utilisateurs puissent rejeterlide
dutiliser une sinusode comme signal de rfrence, puisquedans leurs
applications ils numrisent gnralement des signauxtransitoires, la
sinusode prsente les avantages spcifiques sui-vants :
-
_______________________________________________________________
CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
elle est reproductible ; cela signifie que les rsultats des
testspeuvent tre dupliqus et vrifis un grand nombre de fois laidede
synthtiseurs de haute qualit (ce qui nest pas le cas des
signauxtransitoires) ;
elle est facilement caractrisable : une sinusode se dcrit
sim-plement de faon mathmatique et ses caractristiques sont
bienconnues, en particulier celle de sa pente ;
elle est bidirectionnelle, ce qui signifie quelle mettra
envidence les problmes du CAN dpendant de la pente, positive
oungative, du signal dentre ;
enfin, pour les signaux les plus rapides, cest la seule formeque
lon sache faire et qui de plus reste inchange, voire amlio-re, par
un filtrage intentionnel ou parasite.
Les tests dynamiques comprennent : le test par transforme de
Fourier ; la rgression sinusodale ; le test de lhistogramme ; le
test de lenveloppe ; le test de la bande passante analogique.
Tous ces tests se ralisent gnralement avec une, deux ou
plu-sieurs sinusodes, pleine chelle lentre ou PE 10 %, mais aussien
fonction de diffrentes amplitudes du signal lentre, ce quiest
important en communication. Ils ont t choisis car ils donnentune
meilleure comprhension des performances intrinsques duCAN et se
rapprochent le plus des situations relles auxquelles leCAN est
confront.
Test par transforme de FourierLa transforme de Fourier discrte
(DFT) est un outil trs utile
pour valuer les performances dynamiques des
convertisseurs.Utilisant lalgorithme de transforme de Fourier
rapide (FFT, FastFourier Transform ), la FFT convertit une squence
dchantillonsfinie dans le temps dans le domaine frquentiel. La
reprsentationdu domaine frquentiel des donnes chantillonnes permet
demesurer la linarit de la fonction de transfert dynamique
duconvertisseur.
La figure 19 montre le synoptique dun test de CAN par FFT.Un
filtre passe-bas ou passe-bande est utilis pour amliorer lapuret
spectrale de la sinusode dentre. En gnral on utilise2N +2 points, N
tant la rsolution du convertisseur tester(1 024 points dans le cas
dun 8 bits). Le signal dentre tant sup-pos pur, sans harmoniques,
les harmoniques qui sont observsdans le spectre sont dus la
non-linarit ventuelle duconvertisseur.
Rgression sinusodaleLa technique de rgression sinusodale
(Sinewave curve fitting
en anglais) est moins rpandue que celle de la FFT, car elle ne
per-met pas lobtention de rsultats tels que le niveau
dharmoniqueset la dynamique de codage.
Dans ce test, une sinusode pleine chelle une frquence sp-cifie
est numrise par le CAN, de rsolution N bits. En utilisantles
techniques de minimisation par les moindres carrs, un
logicielcalcule une sinusode idale se rapprochant le plus des
donnes.La sinusode est de la forme :
A sin (2 f t + ) + Cte
avec A, f, , Cte les paramtres slectionns pour la rgression.
On obtient ainsi A 0 , 0 , Cte 0.Pour calculer les dfauts
introduits par le convertisseur, la sinu-
sode se rapprochant le plus des donnes A 0 sin (2 f t + 0 ) +
DC0est idalement numrise par calcul.
On calcule ensuite lerreur efficace idale qui ninclut donc
queles erreurs de quantification dun CAN N bits parfait. Puis
oncalcule lerreur efficace relle qui comprend toutes les erreurs
dequantification, de non-linarits, diffrentielles et intgrales,
lescodes manquants, le jitter et les autres bruits. Le rapport de
cesdeux erreurs mesure donc lcart entre un convertisseur parfait
etle convertisseur rel en test. Lavantage (et le dfaut) de
cette
Figure 19 Synoptique typique dun banc de testde convertisseur
analogique-numrique
Synthtiseur # 1Signal analogique Filtres
Synchronisation
CANN bits Analyseurlogique
oummoire
Synthtiseur # 2Horloge
chantillonnage
Miseen
forme
TraitementFFT
AnalysePC
Horloged'chantillonnageToute reproduction sans autorisation du
Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement
interdite. Techniques de lIngnieur E 372 15
Il faut respecter un certain nombre de conditions : la frquence
de la sinusode dentre doit tre choisie en vitant
les sous-multiples (ou multiples) de la frquence dchantillonnage
; le plus souvent, on choisit une puissance de 2 pour le nombre
dchantillons M, par exemple : M = 2N+2 (ce qui facilite le
calcul dela FFT) ;
de plus pour viter les fuites de spectres, il faut quil y ait
unnombre J de priodes entires du signal sur la longueur
delchantillonnage.
Ces conditions sont souvent appeles conditions dchantillon-nage
cohrent et sont rsumes par la formule ci-dessous :
avec J et M premiers entre eux, et M = 2m.
On peut aussi mesurer le rapport signal bruit partir duspectre
obtenu. Du rapport signal bruit, avec ou sans distorsion,ainsi
calcul, peut se dduire le nombre de bits effectif duconvertisseur
par la formule suivante :
SINAD = 6 Neff + 1,76
avec Neff nombre de bits effectif.
mthode est de mettre toutes les erreurs dans un mmepaquet .
Trois points doivent tre respects afin dutiliser cette technique
:
le nombre de points dacquisition doit tre important pour
quelestimation par les moindres carrs soit suffisamment prcise
;
la frquence dentre ne doit pas tre relie de faon harmo-nique la
frquence dchantillonnage ;
le signal dentre doit tre pleine chelle de faon exciter
ladynamique complte ainsi que tous les codes du CAN.
Test de lhistogramme
Ce test consiste mesurer le nombre doccurrences des
codesnumriques et le comparer la valeur thorique espre. Lana-lyse
de lcart permet de retrouver la fonction de transfert.
En gnral, dans le test de lhistogramme, une sinusode
pleinechelle est numrise par le convertisseur, et on se place dans
lesconditions dchantillonnage cohrent, pour ne pas
favoriserlapparition de certains codes. Selon la prcision recherche
et lenombre de bits du convertisseur, il faut acqurir de
plusieursmilliers plusieurs centaines de milliers de points. la fin
delacquisition, un histogramme est ralis indiquant le
nombredapparitions de chaque code.
fsignalJ fch
M----------------=
-
CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dE 372 16
Techniques d
Une sinusode idale, damplitude pleine chelle, normalise enLSB et
variant du code 0 au code 2N 1, ralise un histogrammethorique dont
la courbe est la suivante dans lensemble des rels :
avec A amplitude crte de la sinusode : A = 2N1 normalise
enLSB,
h(j ) nombre doccurrences du code j lorsque lonacquiert 2M
points.
Cette sinusode, une fois numrise sur 2M points par un CANparfait
ayant 2N bits, donne un histogramme thorique H (j ) danslensemble
des entiers (voir figure 20).
Aprs avoir acquis 2M points avec un CAN rel, on peutcomparer
lhistogramme mesur et lhistogramme thorique H (j ).Si un code i
apparat plus souvent que sa valeur thorique, celasignifie que la
marche de la fonction de transfert de ce code
estproportionnellement plus grande que sa valeur thorique.
On peut construire la non-linarit diffrentielle DNL (i )
partirde cette comparaison par la formule suivante :
ainsi que la non-linarit intgrale INL (i ) :
Un code manquant (resp. un code trop prsent) sera immdia-tement
apparent car il naura jamais t enregistr (resp. tropsouvent
enregistr). Ces deux dfauts sont souvent lis (figure 21).
Le test de lhistogramme permet galement de calculer leserreurs
doffset et de gain. Pour un offset zro de la sinusodedentre,
lhistogramme devra tre symtrique autour du code demilieu
dchelle.
Des erreurs de gain seront dtectes en mesurant la largeur
delhistogramme.
Test de lenveloppeCe test est le plus exigeant de tous les tests
pour le temps
dtablissement du convertisseur (voir 5.2.2). Lors de ce test,
lesextrmes du signal dentre sont successivement numriss ainsique
les points opposs maximaux des drives. Avec une sinu-sode pleine
chelle en entre, la valeur positive de la pleinechelle sera
numrise, suivie immdiatement de la valeurextrme ngative, etc. Pour
raliser le test de lenveloppe, le signaldentre est une sinusode
pleine chelle qui est proche de la
Figure 20 Exemple dhistogramme thorique 8 bits et 2 048
points
No
mb
re d
'occ
urr
ence
s
Code j de 0 255
10
0 50 100 150 200 2501
100
Convertisseur 8 bits parfait, sinusode pleine chelle, avec 2 048
points acquis (211)
Trac de la fonction continue h (j)Histogramme des codes H
(j)(nombres entiers)
h j( ) : 2M
---------arcsin j 1 A+ A----------------------- arcsin j
AA------------- =
DNL i( ) : Nombre d occurrences mesur i( ) Nombre d occurrences
thorique i(
)-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
1=
INL i( ) : DNL k( )k 0=
i
=
Figure 21 Test de lhistogramme. Dtection de code manquantou de
code en excs
Figure 22 Reprsentation temporelle du test de lenveloppe
Code en excs
Code manquant
Non-linaritdiffrentielle
Sinusode reconstruite Histogramme
Am
plit
ud
e
Temps
Points chantillonns Enveloppe
0
-1
1exploitation du droit de copie est strictement interdite.e
lIngnieur
moiti de la frquence dchantillonnage. Cela assure que
chaquechantillon sera pris successivement sur chaque
demi-priodeoppose du signal dentre. Le faible dcalage par rapport
lafrquence moiti (cf. thorme de Shannon) permet de
recalculerlamplitude de la sinusode et de la comparer avec les
codes rel-lement obtenus.
Dans lexemple de la figure 22, la frquence dchantillonnageest le
double de la frquence du signal, au dcalage prs, qui estde 5. On ne
mesure pas le temps dtablissement, mais la dfor-mation (ventuelle)
de la sinusode due ce phnomne.
On peut raliser le mme type de test avec une frquence dusignal
plus leve que la frquence dchantillonnage, pour testerla capacit au
sous-chantillonnage du convertisseur. Dans lexem-ple de la figure
23, le rapport des frquences est de 1,5.
Bande passante analogiquePour mesurer la bande passante
analogique du convertisseur, on
augmente la frquence dentre jusqu ce que lamplitude de
lasinusode mesure soit de 3 dB infrieure la sinusode mesureen basse
frquence.
Lorsque la frquence du signal dpasse la moiti de la
frquencedchantillonnage, on est dans la situation du
surchantillonnage.
-
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CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE
3)
5.2.2 Test des CNA
Dans un CNA, les principales caractristiques quil faut
contrlersont la linarit, le spectre et le temps dtablissement. De
mmeque pour un CAN, les tests dynamiques des CNA font le
plussouvent appel une ou deux sinusodes et on mesure aussi
lesrponses impulsionnelles.
Le test des CNA rapides et leurs paramtres dynamiques sontceux
qui posent le plus de difficults de mesure, les paramtres
temporelle et damplitude ncessaire. Pour mmoire, il faut
unebande passante suprieure 1/( t r ) pour mesurer un temps demonte
(descente) gal tr , soit, pour 0,3 ns, une bande passantemeilleure
que 1 GHz.
Linarit ou distorsion spectrale des CNALa linarit ou la
distorsion du CNA est observe laide dun
analyseur de spectre plac directement en sortie du
convertisseur.Une mmoire, pralablement programme, est utilise afin
degnrer continuellement une ou plusieurs sinusodes lentre duCNA. Un
filtre optionnel permet de limiter le spectre observ, sibesoin
(figure 25).
5.3 Choix des CAN et des CNA
Ayant bien assimil les problmes poss par les spcifications etles
tests des CAN et des CNA, lutilisateur peut cependant se trou-ver
en difficult lorsquil sagit de faire son choix. En effet, de
nou-veaux produits apparaissent tous les ans, plus performants,
pluscompacts, dont certains seront rapidement dpasss et
serontobsoltes quelques annes plus tard. Seule une bonne
connais-sance du march et de son volution permettra lutilisateur
deminimiser les risques conscutifs son choix.
Il existe, en gros, deux catgories de fabricants : dune part,
lesspcialistes de lacquisition de donnes tels que Analog
Devices,qui est le leader incontest ; dautre part, les fabricants
gnralistesde circuits intgrs tels que STM, Texas Instruments,
National
Figure 23 Reprsentation temporelle du test de lenveloppeavec un
rapport 1,5 en frquence
Figure 24 Reprsentation temporelle du temps dtablissement
Am
plit
ud
e
Temps
1,5 priode+ dcalage
0
-1
1
1,5 priode+ dcalage1,5 priode+ dcalage
V
V
tr
Figure 25 Synoptique typique dun banc de testde convertisseur
numrique analogique
Analyseurde spectre Filtre*
Synchronisationventuelle
CNAN bits Mmoire
rapide
Synthtiseur designal d'horloge
Miseen
forme
Calculdu signal
PC
Horloged'chantillonnage
* optionnelToute reproduction sans autorisation du Centre
franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.
Techniques de lIngnieur E 372 17
continus (tension, courant) pouvant se mesurer facilement
laidede testeurs (voltmtres...).
Temps dtablissementLe temps dtablissement dun CAN est
traditionnellement dfini
comme tant lcart temporel entre la transition de lentre
num-rique et linstant o la sortie du convertisseur stablit
lintrieurdune bande derreur usuellement de (1/2) LSB, centre autour
desa valeur finale. Le temps dtablissement peut tre observ sur
lafigure 24. Mesurer le temps dtablissement dun CNA nest
pasfacile.
La rsolution classique pour un oscilloscope est de 8 bits
savitesse maximale et 12 bits par traitement pour les vitesses
pluslentes. A fortiori, pour les convertisseurs NA les plus
rapides,de 300 MHz 1 GHz, les oscilloscopes ne sont pas assez
rapides eninstantan et il faut rpter le signal pour atteindre la
rsolution
Semiconducteur, etc.
Une fois pris en compte le critre de la performance (rso-lution
vitesse), de nombreux autres critres de choix sont considrer, tels
que : consommation, mode veille, nombre de voies(avec ou sans
multiplexage), interface srie ou parallle, botier,prix, possibilit
dvolutions, etc., et beaucoup de fabricantsproposent ainsi , dans
la gamme classique de produitsrsolution vitesse, un choix de
quelques dizaines une centainede rfrences, pour satisfaire au mieux
tel ou tel type dapplication.De plus, lutilisateur peut simposer de
ne choisir que des produitsayant plusieurs sources quivalentes sur
le march, cela afin derduire les risques dapprovisionnement.
Chaque cas ayant ses particularits, lingnieur qui choisit
unconvertisseur doit peser les aspects techniques, industriels,
co-nomiques pour faire le meilleur compromis dans le cadre de
sonprojet.
On peut noter quil existe sur le site Internet de tous ces
grandsfabricants des guides de choix multicritres et des tableaux
descaractristiques principales par rsolution, vitesse, botier, par
typedapplication, etc., qui aident faire rapidement le meilleur
choix.
Par exemple pour un CNA de performances trs moyennes, 16 bits3
MHz, il faut mesurer 15 mV sur 2 V pleine chelle, et une durede 333
ns.
Conversions analogique-numrique et numrique-analogique (partie
3)1. March et applications1.1 Rpartition des besoins et
solutionsBesoinsSolutionsvolution des performancesFabricants de CAN
et CNA
1.2 volutions du marchSon, vido,
micro-informatiqueCommunications et tlcommunicationsMesure et
mtrologieMdicalDfenseAutomobile
2. tat de lart des CAN et CNA2.1 tat de lart des CAN sur le
march2.2 tat de lart des CNA du march
3. Technologies des CAN et des CNATechnologie
monolithiqueProcess CMOSProcess bipolaire
MatriauxPerspectives de dveloppement dans le domaine de
lultrarapideTension dalimentationTechnologie hybrideCalibrage,
ajustage, correctionBotiers
4. Produits intgrant des CAN ou des CNADigital Vido Disque
DVDInterface AN pour capteur dimages CCDSynthtiseur numrique direct
DDSPalette graphique pour station travail, PC haut de gammeDriver
dcran cristaux liquidesMicrocontrleur avec convertisseur ANCompteur
lectriqueInterface AN/NA pour modem large bande
5. Utilisation des CAN et des CNA5.1 Interprtation des
spcifications5.1.1 Erreurs de gain et de dcalage5.1.2 Erreurs de
linarits5.1.3 Non-monotonicit, codes manquants5.1.4 Caractristiques
dynamiques5.1.5 Exemple de spcificationsDescription du
produitCaractristiquesApplications
5.2 Techniques de tests5.2.1 Tests des CANTest par transforme de
FourierRgression sinusodaleTest de lhistogrammeTest de
lenveloppeBande passante analogique
5.2.2 Test des CNATemps dtablissementLinarit ou distorsion
spectrale des CNA
5.3 Choix des CAN et des CNA