ADC Delta-Sigma

L'une des technologies ADC les plus avancées est ce qu'on appelle le delta-sigma, ou ΔΣ (en utilisant la notation grecque appropriée). En mathématiques et en physique, la lettre majuscule grecque delta (Δ) représente la différence ou modifier , tandis que la lettre majuscule sigma (Σ) représente la sommation :l'addition de plusieurs termes ensemble. Parfois, ce convertisseur est désigné par les mêmes lettres grecques dans l'ordre inverse :sigma-delta, ou .

Dans un convertisseur , le signal de tension d'entrée analogique est connecté à l'entrée d'un intégrateur, produisant un taux de variation de tension, ou pente, à la sortie correspondant à l'amplitude d'entrée. Cette tension de rampe est ensuite comparée au potentiel de terre (0 volt) par un comparateur.

Le comparateur agit comme une sorte de CAN 1 bit, produisant 1 bit de sortie (« high » ou « low ») selon que la sortie de l'intégrateur est positive ou négative. La sortie du comparateur est ensuite verrouillée via une bascule de type D cadencée à haute fréquence et réintroduite à un autre canal d'entrée sur l'intégrateur, pour piloter l'intégrateur dans le sens d'une sortie 0 volt. Le circuit de base ressemble à ceci :

Diagramme schématique

L'ampli-op le plus à gauche est l'intégrateur (de sommation). L'amplificateur opérationnel suivant dans lequel l'intégrateur alimente est le comparateur ou ADC 1 bit. Vient ensuite la bascule de type D, qui verrouille la sortie du comparateur à chaque impulsion d'horloge, envoyant un signal "haut" ou "bas" au comparateur suivant en haut du circuit.

Ce comparateur final est nécessaire pour convertir la tension de sortie de niveau logique 0V/5V monopolaire de la bascule en un signal de tension +V/-V à renvoyer à l'intégrateur. Si la sortie de l'intégrateur est positive, le premier comparateur enverra un signal "haut" à l'entrée D de la bascule.

A la prochaine impulsion d'horloge, ce signal "haut" sera sorti de la ligne Q dans l'entrée non inverseuse du dernier comparateur. Ce dernier comparateur, voyant une tension d'entrée supérieure à la tension de seuil de 1/2 +V, sature dans le sens positif, envoyant un signal +V complet à l'autre entrée de l'intégrateur.

Ce signal de rétroaction +V a tendance à entraîner la sortie de l'intégrateur dans une direction négative. Si cette tension de sortie devient négative, la boucle de rétroaction enverra un signal correctif (-V) vers l'entrée supérieure de l'intégrateur pour le conduire dans une direction positive.

C'est le concept delta-sigma en action :le premier comparateur détecte une différence (Δ) entre la sortie de l'intégrateur et le zéro volt. L'intégrateur somme (Σ) la sortie du comparateur avec le signal d'entrée analogique.

Fonctionnellement, cela se traduit par un flux série de bits émis par la bascule. Si l'entrée analogique est à zéro volt, l'intégrateur n'aura aucune tendance à monter en rampe positive ou négative, sauf en réponse à la tension de retour.

Dans ce scénario, la sortie de la bascule oscillera continuellement entre « haut » et « bas », tandis que le système de rétroaction « chasse » dans les deux sens, essayant de maintenir la sortie de l'intégrateur à zéro volt :

Formes d'onde de sortie

Si, cependant, nous appliquons une tension d'entrée analogique négative, l'intégrateur aura tendance à augmenter sa sortie dans le sens positif. La rétroaction ne peut qu'ajouter à la rampe de l'intégrateur par une tension fixe sur un temps fixe, et donc le flux de bits émis par la bascule ne sera pas tout à fait le même :

En appliquant un signal d'entrée analogique plus important (négatif) à l'intégrateur, nous forçons sa sortie à augmenter plus fortement dans le sens positif. Ainsi, le système de rétroaction doit produire plus de 1 qu'avant pour ramener la sortie de l'intégrateur à zéro volt :

À mesure que le signal d'entrée analogique augmente en amplitude, l'apparition de 1 dans la sortie numérique de la bascule augmente également :

Une sortie de nombre binaire parallèle est obtenue à partir de ce circuit en faisant la moyenne du flux série de bits ensemble. Par exemple, un circuit compteur pourrait être conçu pour collecter le nombre total de sorties de 1 par la bascule en un nombre donné d'impulsions d'horloge. Ce compte serait alors indicatif de la tension d'entrée analogique.

Des variations sur ce thème existent, utilisant plusieurs étages intégrateurs et/ou circuits comparateurs sortant plus de 1 bit, mais un concept commun à tous les convertisseurs est celui de suréchantillonnage . Le suréchantillonnage se produit lorsque plusieurs échantillons d'un signal analogique sont prélevés par un ADC (dans ce cas, un ADC à 1 bit), et ces échantillons numérisés sont moyennés.

Le résultat final est une augmentation effective du nombre de bits résolus à partir du signal. En d'autres termes, un ADC 1 bit suréchantillonné peut faire le même travail qu'un ADC 8 bits avec un échantillonnage unique, bien qu'à un rythme plus lent.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Feuille de travail de conversion analogique-numérique