Conversions Analogique-numérique Et Numérique-Analogique (Partie 3)

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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

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    n N

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    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