Les techniques de conversion N/A

(1)

Les techniques de conversion N/A

Tiré de Conversion N/A M. Declercq EPFL

et Cours d’Electronique 3, M.Tognolini, D.Dubois EIG

M.Tognolini

Institut d’Automatisation Industrielle, HEIG-VD

21 décembre 2010

(2)

Plan

1 Conversion N/A par réseau de résistances

2 Conversion N/A à courants pondérés

3 Conversion N/A par capacitées commutées

4 Conversion N/A : Applications

5 Conversion N/A : Exercice

6 Conversion N/A à propagation d’erreur.

(3)

Conversion N/A par réseau de résistances

Conversion à réseau de résistances ponderées

(4)

Échelle R-2R

(5)

Convertisseur N/A à réseau R-2R par commutations

des tensions

(6)

Convertisseur N/A à réseau R-2R par commutations

des courants ; version1

(7)

Convertisseur N/A à réseau R-2R par commutations

des ; version 2

(8)

Réseau en échelle M-2M

On réalise l’équivalent d’une échelle R/2R avec des transistors MOS

En chaque noeud, l’impédance présentée par la branche horizontale et par la branche verticale est la même. Le courant se subdivise donc également en 2 parties égales.

En technologie MOS, la solution M/2M occupe moins de surface que la

solution R/2R

(9)

Convertisseur N/A à réseau M-2M

Principe

Pratiquement limité pour des résolutions 8 bit

(10)

Conversion N/A à courants pondérés

Convertisseur N/A à courants pondérés

Principe

L’utilisation de sources de courant permet de s’affranchir du problème de la résistance parasite des commutateurs. Ceux-ci peuvent être réalisés à

volonté avec des MOS ou des bipolaires.

(11)

Réalisation des commutateurs de courant

Une paire différentielle permet de réaliser une commutation de courant quasi

parfaite, indépendante de la résistance de passage des transistors et de leurs

tension de saturation.

(12)

Convertisseur N/A à sources de courant ponderées en technologie Bipolaire

Appariement amélioré par l ’usage de résistances série dans les émetteurs

La limite de ce schéma est imposée par la surface des transistors multiples et

de leurs résistances. Limite pratique : 7 à 8 bits

(13)

Segmentation par division du courant.

i ₂ = i R1

R1 + R2 pour R2 = 15R1 on aura i ₂ = i / 16

(14)

Segmentation par division du courant.

Augmentation de la résolution

(15)

Conversion N/A par capacitées commutées

Capacités commutées : principe de fonctionnement

Phase intermédiaire Phase 2 : Charge des condensateurs

S1

S2

C2 C1

Uout

Uref

Uc1 = Uc2 = 0 V Phase 1: Initialisation

Charge des condensateurs C1 et C2 Uc1 = Uc2 = 0 V

Ouverture de S2

C1 C1

Uref Uref

S2 S2

C2 C2

Uout Uout

Uc2 = Uout

Uc1 + Uc2 = Uref

(16)

Capacités commutées : Charge des capacités

Schéma

S1

S2

C2 C1

Uout

Uref

Principe

Lorsque S1 est commuté sur Vref C1 et C2 se chargent avec i.

Au terme de la charge les charges dans chaque condensateur seront :

Q

_C1

= C1(Uref − Uout ) Q

_C2

= C2 · Uout

Puisque Q = R

₊^∞

0

i · dt et i

_C1

= i

_C2

on a : Q

_C1

= Q

_C2

C1(Uref − Uout ) = C2 · Uout Uout = Uref

_C1^C1₊_C2

= Uref

_C^C^on

TOT

(17)

Application variante 1 : Conversion N/A à n bit

− +

Sn−1 Sn−2 S1 S0

SR

C C

2C Uout

2^(n−2)C Uout 2^(n−1)C

Uref

Par rapport à l’exemple précédent avec C

_TOT

= C + C + 2C + · · · + 2

ⁿ⁻¹

C = 2

ⁿ

· C : Con = S

₀

C + S

₁

2C + · · · + S

_n−1

2

ⁿ⁻¹

C

On tire Uout = Uref

_C^C^on

TOT

=

₂^Urefn·C

(S

0

C + S

1

2C + · · · + S

n−1

2

ⁿ⁻¹

C)

(18)

Capacités commutées variante 2 : principe de

fonctionnement

(19)

Capacités commutées variante 2 : Charge des capacités

Schéma

Principe

Lorsque S1 est commuté sur Vref C1 et C2 se chargent avec i.

Au terme de la charge les charges dans chaque condensateur seront :

Q

_C1

= C1 · Vref Q

_C2

= − C2 · Vout Puisque Q = R

₊^∞

0

i · dt et i

_C1

= i

_C2

on a : Q

_C1

= Q

_C2

C1 · Vref = − C2 · Vout

Vout = − Vref

^C1_C2

= − Vref

^C_C2^on

(20)

Application variante 2 : Conversion N/A à n bit

− +

Uout C2

Sn−1 Sn−2 S1 S0

SR

C

2^(n−1)C 2^(n−2)C 2C

Uref

SR

Par rapport à l’exemple précédent avec :

Con = S

₀

C + S

₁

2C + · · · + S

_n−1

2

ⁿ⁻¹

C

On tire Uout = − Uref

^C_C2^on

= − Uref

_C2^C

(S

0

+ 2S

₁

+ · · · + 2

ⁿ⁻¹

S

_n−1

)

(21)

Conversion N/A à capacités commutées : Caractéristiques

1

Bien adapté à la technologie CMOS :

Pas de résistances

Possibilité d’avoir des capacités avec une bonne précision relative Commutateurs avec résistance R _OFF très grande

Faible consommation

2

La R

_ON

des commutateurs n’influence pas la précision mais seulement la vitesse de conversion

3

La variante 2 est moins sensible que la variante 1 aux capacités parasites

4

La précision limite la résolution à 10 bit à cause principalement de :

La précision relative des condensateurs

Les charges injectées par les commutateurs

Le courant d’offset de l’AO

(22)

Conversion N/A : Applications

Convertisseur N/A industriel : DAC08 8 bit

(23)

Utilisation DAC08

(24)

Convertisseur N/A industriel : AD7533 10 bit

(25)

Application 1 : Multiplicateur

AD7533

Bit1 Bit10LSB

MSB

Iout2 Iout1 Rfeedback VrefIN

D9 D0

U1(k) u2(t)

− +

R2 Signal 1

Signal 2 ir = u2(t)/R Uout

i1

Uout = K u2(t) u1(t)

On peut multiplier un signal continu u

₂

(t ) par un signal discret u

₁

(k )

Grâce à la technologie MOS utilisée pour les commutateurs u

₂

(t ) peut être bipolaire

(26)

Application 2 : Diviseur

AD7533

Bit1 Bit10LSB

MSB

Iout2

D9 D0

U1(k)

− +

Signal 2

Uout

u2(t)

Signal 1

VrefIN

R−2R

Rfeedback

Iout1

Rfb = R i2

i1

Et on peut aussi diviser. i1 + i2 = 0 et i2 = u

₂

(t )/R = − i1 Par ailleur le convertisseur N/A fixe i1 : i1 =

^Vref_R ^u₁₀₂₄¹^(k⁾

Mais on a aussi : Uout = Vref = i1R

_u¹⁰²⁴

1(k)

= − u

₂

(t )

_Rfb^R _u1¹⁰²⁴₍_k₎

(27)

Conversion N/A : Exercice

Les techniques de conversion N/A