CAN intégrants (pente simple) : principes, avantages et alternatives à double pente

Alors que les CAN flash excellent en vitesse, leur grand nombre de composants peut être prohibitif pour de nombreux designs. Une stratégie courante pour réduire la complexité consiste à remplacer la rampe basée sur CNA d'un CAN flash par un intégrateur analogique et un compteur numérique précis, donnant ce qu'on appelle un CAN à pente simple ou intégrant.

Dans cette architecture, un intégrateur à amplificateur opérationnel génère une forme d'onde en dents de scie continue. L'entrée analogique est comparée à cette rampe par un comparateur haute vitesse. L'instant où la sortie du comparateur bascule indique que la tension de l'intégrateur a atteint l'entrée, et le temps écoulé est capturé par un compteur piloté par une horloge à quartz.

Le schéma ci-dessous illustre le diagramme de blocs principal :

 

 

Le diagramme simplifie le transistor de décharge à IGFET ; en pratique, un circuit de verrouillage lié à l'horloge assure que le condensateur se décharge complètement lorsque le comparateur passe haut.

Pendant une conversion, la sortie du comparateur est basse tant que l'entrée dépasse la sortie de l'intégrateur. L'intégrateur charge alors le condensateur linéairement, et le compteur s'incrémente au taux d'horloge fixe. Lorsque la tension du condensateur égale l'entrée, le comparateur bascule haut, verrouillant la valeur du compteur dans un registre à décalage et déclenchant l'IGFET pour décharger le condensateur à zéro.

Une fois la tension de l'intégrateur revenue à zéro, le comparateur repasse bas, réinitialisant le compteur et permettant le début de la prochaine conversion. En effet, le CAN à pente simple se comporte comme un CAN à rampe numérique, mais avec une référence en dents de scie lisse au lieu d'une rampe par paliers.

Malgré l'élimination du CNA, l'architecture à pente simple souffre de dérive d'étalonnage. Puisque la précision de conversion dépend de la correspondance exacte entre la pente de l'intégrateur (définie par –V_ref, R et C) et le taux d'horloge du compteur, toute dérive de l'un ou l'autre paramètre dégrade les performances. Contrairement au CAN à rampe numérique, où l'horloge n'affecte que le temps de mise à jour, l'interdépendance de l'intégration et du comptage rend le CAN à pente simple vulnérable au vieillissement et aux variations de température.

Cependant, le nombre réduit de composants et la disposition simplifiée peuvent être attractifs pour les applications à faible coût et faible consommation.

 

Ce circuit CAN se comporte très semblablement au CAN à rampe numérique, excepté que la tension de référence du comparateur est une forme d'onde en dents de scie lisse plutôt qu'un « escalier ».

 

 

Convertisseur à double pente

Le CAN à double pente résout le problème de dérive d'étalonnage en employant deux phases d'intégration. Dans la première phase, l'intégrateur charge avec l'entrée inconnue pendant un intervalle de temps fixe mesuré par le compteur. Dans la seconde phase, l'intégrateur décharge avec une tension de référence connue à un taux constant ; le temps nécessaire pour revenir à la tension de départ est compté.

Le rapport des deux intervalles de temps fournit directement la valeur numérique, et comme l'intégration et le comptage se produisent pendant le même cycle, tout changement de la fréquence d'horloge s'annule. Une horloge plus rapide raccourcit la phase à temps fixe mais accélère aussi le comptage de décharge, laissant le résultat final inchangé.

De plus, la moyennation inhérente à la phase d'intégration rend les convertisseurs à double pente hautement immunisés contre le bruit transitoire. En sommant l'entrée sur la fenêtre d'intégration, les pics et creux sont lissés, c'est pourquoi les CAN à double pente sont courants dans les instruments de mesure de précision tels que les multimètres et les compteurs d'énergie.

En résumé, bien que le CAN à pente simple offre une conception plus simple, l'architecture à double pente fournit une précision et une immunité au bruit supérieures au prix d'un temps de conversion plus long.

FICHE DE TRAVAIL ASSOCIÉE :

• Fiche de travail sur la conversion analogique-numérique