Dans les applications de haute précision, on utilise des convertisseurs analogique-numérique SAR ou sigma-delta. Dans les applications basse consommation, chaque milliwatt économisé compte.

Conversion de signaux avec des CAN Sigma-Delta :
Les CAN Sigma-Delta offrent plusieurs avantages par rapport aux CAN SAR. Premièrement, ils possèdent généralement une résolution plus élevée. Deuxièmement, ils intègrent souvent des amplificateurs à gain programmable (PGA) et des entrées/sorties à usage général (GPIO). De ce fait, les CAN Sigma-Delta sont parfaitement adaptés aux applications de mesure et de conditionnement de signaux continus de haute précision et de signaux basse fréquence. Cependant, en raison de leur fréquence de suréchantillonnage fixe élevée, les CAN Sigma-Delta consomment généralement plus d'énergie, ce qui réduit leur durée de vie dans les applications alimentées par batterie.
Si la tension d'entrée est faible (de l'ordre du millivolt), elle doit d'abord être amplifiée pour que le CAN puisse la traiter plus facilement. La conversion d'une faible tension d'entrée en une tension de sortie de 10 mV nécessite un étage d'entrée analogique (AFE) avec un PGA. Par exemple, pour connecter de faibles tensions issues d'un pont de conversion à un convertisseur analogique-numérique (CAN) sigma-delta avec une plage d'entrée de 2,5 V, l'amplificateur à gain variable (PGA) doit avoir un gain de 250. Cependant, cela introduit du bruit supplémentaire à l'entrée du CAN, car la tension de bruit est également amplifiée. La résolution effective d'un CAN sigma-delta 24 bits est ainsi fortement réduite à 12 bits. Or, dans certains cas, il n'est pas nécessaire d'utiliser tous les bits du CAN, et à partir d'un certain seuil, l'amplification supplémentaire n'apporte plus d'amélioration de la plage dynamique. Un autre inconvénient des CAN sigma-delta est leur coût généralement plus élevé, dû à leur complexité interne.

Avantages de la combinaison d'un ADC-SAR avec un amplificateur interne
Une alternative tout aussi précise mais plus rentable et efficace consiste à utiliser un ADC-SAR en combinaison avec un amplificateur d'instrumentation (in-amp), comme illustré sur la figure 1.

Figure 1. Schéma d'un ADC-SAR montrant un circuit de mesure en pont simplifié combiné avec un amplificateur d'instrumentation et un ADC-SAR.

Le fonctionnement d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) à balayage spectral (ADC-SAR) se divise en deux phases : l'acquisition des données et la conversion. Généralement, la consommation de courant est faible durant l'acquisition. La plupart des ADC-SAR se mettent même hors tension entre les conversions. Par conséquent, la phase de conversion est la plus énergivore. La consommation d'énergie dépend du taux de conversion et augmente linéairement avec la fréquence d'échantillonnage. Pour les applications à faible consommation, notamment les mesures à réponse lente (c'est-à-dire les mesures où les grandeurs mesurées évoluent lentement, comme les mesures de température), il convient d'utiliser un faible taux de conversion afin de limiter la consommation de courant et, par conséquent, les pertes. La figure 2 illustre, à titre d'exemple, les pertes de puissance de l'AD4003 à différentes fréquences d'échantillonnage. À 1 kSPS, la perte de puissance est d'environ 10 µW ; à 1 MSPS, elle atteint 10 mW.

Figure 2. Pertes de puissance de l'AD4003 en fonction de la fréquence d'échantillonnage.

Contrairement à ces mesures très lentes, les convertisseurs analogique-numérique sigma-delta présentent l'avantage du suréchantillonnage, tout en utilisant une fréquence d'oscillateur interne bien supérieure à la fréquence de sortie. Ceci permet aux concepteurs d'optimiser l'échantillonnage pour des fréquences plus élevées, au détriment du bruit, ou pour des fréquences plus basses, avec un filtrage plus poussé, une mise en forme du bruit (déplacement du bruit hors de la bande de fréquences d'intérêt) et de meilleures performances en matière de bruit. Cependant, cela se traduit par une consommation d'énergie nettement supérieure pour les convertisseurs sigma-delta par rapport aux convertisseurs SAR. La résolution effective et la résolution sans bruit de nombreux convertisseurs sigma-delta sont indiquées dans leurs fiches techniques, ce qui facilite la comparaison de leurs avantages et inconvénients.

Conclusion :
Les convertisseurs analogique-numérique (CAN) sigma-delta associés à un amplificateur à gain paramétrique (PGA) et les CAN SAR avec amplificateur intégré conviennent à la conversion de signaux dans les applications de mesure de haute précision. Les deux solutions offrent une précision similaire. Cependant, pour les applications de mesure basse consommation ou alimentées par batterie, la combinaison du CAN SAR et de l’amplificateur d’entrée est préférable car elle offre une consommation d’énergie et un coût inférieurs à ceux de la solution PGA et CAN sigma-delta. De plus, un PGA à gain élevé limite souvent les performances car le bruit est également amplifié. Cet article ne traite que d’une solution possible pour un CAN SAR. Des solutions plus intégrées existent, telles qu’un convertisseur sigma-delta comme l’AD7124-4/AD7124-8 avec PGA intégré.

À propos de l'auteur :
Thomas Brand a débuté sa carrière chez Analog Devices à Munich en 2015, dans le cadre de son doctorat. Après l'obtention de son diplôme, il a effectué un stage au sein d'ADI. En 2017, il est devenu ingénieur d'applications. Thomas accompagne de grands clients industriels en Europe centrale et se spécialise également dans le domaine de l'Ethernet industriel. Il a étudié le génie électrique à l'Université d'enseignement coopératif de Mosbach avant de compléter sa formation par un master en vente internationale à l'Université des sciences appliquées de Constance.

Par Thomas Brand, ingénieur d'applications terrain chez Analog Devices