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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

CONVERSIONS ANALOGIQUE-NUMRIQUE ET NUMRIQUE-ANALOGIQUE (PARTIE 3) ________________________________________________________________

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.

_______________________________________________________________ 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 Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement 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



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


(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 reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du 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.



(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


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 !



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


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



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


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



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.


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



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 :


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----------------=



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.


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