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RÉSUMÉ
Il est toujours plus difficile de convertir un signal analogique en signal numérique que le contraire. Ainsi les CAN, convertisseurs analogiques numériques, sont plus difficiles à réaliser que les CNA, convertisseurs numériques analogiques, qui sont aussi souvent plus rapides. Cet article décrit l'architecture et la technique des différents types de CAN et de CNA. Puis il présente comment on peut atteindre des performances plus élevées en combinant les deux types d'équipements.
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Claude PRÉVOT : Responsable des produits de conversions analogique-numérique et numérique-analogique à Thales Research & Technology France
INTRODUCTION
La symétrie qui existe entre conversion analogique-numérique (AN) et numérique-analogique (NA), lorsque l’on prend en compte la troncation du nombre réel vers le code binaire pour la conversion NA, disparaît en partie dans les architectures des convertisseurs [sauf pour les Sigma-Delta (ΣΔ)].
Les convertisseurs AN sont toujours plus difficiles à réaliser que les convertisseurs NA. Les CNA sont comparativement plus faciles à réaliser et, à technologie égale, les CNA sont un ordre de grandeur plus rapides.
De nombreuses architectures ont été inventées pour essayer de réaliser au mieux la conversion AN. Ces solutions ont évolué avec les technologies de réalisation pour donner le meilleur compromis fonction/coût/performances. Beaucoup de CAN contiennent un ou plusieurs CNA en rebouclage (SAR, subranging, ΣΔ...).
Un des critères les plus fréquemment rencontrés pour comparer ces convertisseurs est le facteur de mérite qui est le produit de 2 à la puissance du nombre de bits (effectif) multiplié par la fréquence d’échantillonnage divisé par la puissance consommée (voir Conversions analogique-numérique et numérique-analogique (partie 3)) :
Cet article sur les conversions analogique-numérique et numérique-analogique se compose de trois parties :
-
Conversions analogique-numérique et numérique-analogique (partie 1) : Principes ;
-
[E 371] : Description technique et architectures ;
-
Conversions analogique-numérique et numérique-analogique (partie 3) : Marché, technologie et applications.
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Combinaison de CAN ou de CNA
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2. Description technique et architectures des CNA
Ce paragraphe décrit les architectures les plus courantes : parallèles et Sigma-Delta (ΣΔ) ainsi que l’architecture série, moins courante, et leurs performances génériques ainsi que les technologies rencontrées selon l’architecture.
La principale architecture rencontrée est l’architecture parallèle. C’est la première qui a été utilisée. L’autre architecture qui est plus récente (1980), mais de plus en plus utilisée, grâce à sa très grande précision intrinsèque, est l’architecture Sigma-Delta (ΣΔ).
L’interface d’entrée convertit éventuellement le mot reçu du bus série en parallèle et bloque ce mot avec des latchs, pendant toute la durée nécessaire, jusqu’au mot suivant à convertir.
• La conversion série est peu utilisée, elle est explicitée dans le paragraphe 2.5.
• L’architecture parallèle est typiquement l’addition directe et simultanée de la valeur à convertir grâce à des réseaux de résistances qui convertissent chaque bit en sa contribution analogique. Un amplificateur opérationnel change éventuellement cette somme de courants en une tension.
• L’architecture Sigma-Delta (ΣΔ) est typiquement le résultat filtré de la comparaison, avec un seul comparateur, de la valeur à convertir suréchantillonnée.
En général, les CNA donnent en sortie une tension pour les applications basses fréquences, et un courant pour les hautes fréquences (au-delà de quelques dizaines de MHz environ).
2.1 CNA parallèles
Le schéma de principe d’un CNA parallèle classique est donné dans la figure 12.
Le cœur du CNA est un réseau constitué en général par des résistances. Dans les convertisseurs monolithiques CMOS, on trouve des réseaux capacitifs. La précision du réseau conditionne directement celle du CNA.
Les commutateurs analogiques, directement associés au réseau (quelquefois imbriqués au réseau), constituent le deuxième élément fondamental du CNA. Chacun d’eux est ouvert ou fermé selon l’état du bit d’entrée correspondant. Les autres organes sont quelquefois extérieurs...
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