Electronique - Les convertisseurs N/A rapides

[ GUIDE D'ACHAT ]
Les convertisseurs N/A rapides
Synthétiser des signaux de qualité à des fréquences de plus en plus élevées est devenu une nécessité dans nombre d'applications, notamment dans le secteur des communications sans fil et large bande. Les CNA se sont mis au diapason, tout en étant davantage intégrés et moins voraces en énergie grâce aux bienfaits du Cmos.

Philippe Corvisier , Electronique Mensuel, le 12/12/2005 à 07h00

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	Sommaire du dossier
	Les convertisseurs N/A rapides
	Un spectre à placer sous haute surveillance

Dans le domaine des convertisseurs numérique-analogique rapides, comme dans bien d'autres, plus que l'imagerie électronique, la vidéo, le test et l'instrumentation, ce sont les télécoms qui tirent les performances et suscitent l'innovation. Ces convertisseurs trouvent en effet leur juste emploi dans les chaînes de transmission de signal, où leur mission est de reconstruire une onde analogique discrète, plus ou moins complexe en fonction du schéma de modulation. L'avènement des radios numériques multiporteuses en large bande et la généralisation des techniques de conversion directe expliquent l'engouement constaté pour de tels composants.

En effet, si d'un côté l'architecture multiporteuse réduit le nombre de voies de transmission, de l'autre la conversion directe transpose le signal bande de base directement en RF, faisant de la sorte l'impasse sur un étage de conversion en fréquence intermédiaire. Ces deux mesures se traduisent par une moindre complexité architecturale, une diminution drastique du nombre de composants et incidemment par un coût moindre. Le revers de la médaille est la pression mise sur le CNA qui, à l'instar de son symétrique CAN côté réception, devient le maillon critique de la chaîne de transmission du signal. Ajoutons à cela que les architectures de transmission large bande, pour l'UMTS notamment, ont vu l'émergence de techniques de prédistorsion numérique, afin de compenser les défauts de linéarité des amplificateurs de puissance. Ce qui a ajouté encore des contraintes au niveau du CNA, dont la cadence en hausse résulte de la bande passante excédentaire requise pour effectuer cette correction.

Citons un autre exemple, celui des services émergents de distribution de la vidéo, où la conversion de signaux modulés en quadrature s'effectue dans une large bande RF. Avec le niveau de performances atteint par les CNA actuels, la synthèse directe de signaux QAM en fréquence haute est envisageable, tout en respectant les impératifs de rapport signal à bruit et d'interférences dans le canal adjacent.

De fait, nombreuses sont aujourd'hui les applications qui demandent une vitesse d'échantillonnage élevée pour traiter les signaux haute fréquence mis en jeu, mais aussi pour relaxer le filtrage en aval, et requièrent une précision suffisante, tout en respectant les exigeants critères de pureté spectrale.

Si les CNA de nouvelle génération assurent un niveau de performances globalement de plus en plus élevé, avec notamment d'excellentes caractéristiques dynamiques dans une bande élargie, on ne saurait passer sous silence les progrès réalisés en matière d'intégration, mais aussi d'encapsulation.

La barre du Géch./s franchie en 14 et 16 bits
Le secteur des communications ayant orchestré les évolutions des produits de nouvelle génération, la plupart des CNA qualifiés de rapides visent les systèmes de transmission du signal, pour lesquelles des vitesses d'échantillonnage de plusieurs dizaines à centaines de mégaéchantillons par seconde sont requises. La frontière entre un convertisseur dit rapide et son homologue qualifié d'usage général n'est certes pas clairement établie et ne peut donc être qu'arbitraire. Cependant, si nous examinons les catalogues de quelques ténors comme Analog Devices, Maxim ou Texas Instruments, nous constatons qu'aucun produit étiqueté rapide ne descend sous les 30 à 50 Méch./s. De fait, c'est la valeur médiane que nous avons retenue comme limite basse dans ce « Dossier » . Aujourd'hui, un bouquet de sociétés (Analog Devices, Texas Instruments, Maxim, Fujitsu, Intersil, TelASIC) proposent des produits à plusieurs centaines de mégaéchantillons par seconde, pour des résolutions de 14 et 16 bits. Mieux encore, dans ces deux catégories la barre des 1 Géch. /s a été récemment franchie.

Ainsi l'AD9779, introduit en début d'année, est l'oeuvre du leader mondial de la conversion de données qu'est Analog Devices. Il s'agit là du premier CNA 16 bits dédié aux infrastructures sans fil, affichant une fréquence d'échantillonnage de 1 Géch./s. Le cas de l'AD9779 mérite d'être commenté, en ce sens qu'il résume les évolutions ayant touché, ces dernières années, les CNA sur les plans des performances, de l'intégration et de la consommation. Il s'agit là d'un modèle dual, membre de la famille TxDAC+ (Transmit DAC), garantissant un bon appariement entre les voies I et Q en quadrature. La compensation de l'offset et le calibrage du gain ont pour effet de rejeter la bande latérale et la raie résiduelle liée aux fuites de l'oscillateur local, dans le cas d'une architecture à réjection d'image ou à conversion directe. Grâce à une technologie Cmos 0,18 µm, la consommation reste modérée, puisque située aux alentours de 600 mW à 500 Méch./s et de 1 W à la cadence maximale.

Ce convertisseur est symptomatique de la volonté des fabricants d'en mettre davantage sur la puce afin, d'une part, de simplifier l'interfaçage du composant avec l'extérieur et, d'autre part, d'assurer une partie des tâches normalement dévolues à un Asic ou à un FPGA. Ces propos sont ici illustrés par la présence de filtres d'interpolation, d'un modulateur complexe et d'un mélangeur numérique. Les premiers permettent de réaliser un suréchantillonnage par 2, par 4 ou par 8 des données entrantes. Ce qui limite le débit des données à l'entrée, mais aussi simplifie la conception des filtres analogiques de reconstruction situés en aval des deux CNA. Notons qu'en 16 bits, un niveau d'intégration peu ou prou équivalent est obtenu avec les MAX5895 et MAX5898 de Maxim ou les DAC5686 et DAC5687 de Texas Instruments, tous spécifiés à 500 Méch./s.

Dans la catégorie des 14 bits, la palme revient à l'AD9736 à 1,2 Géch./s de la même société. Là encore, les avantages de la technologie Cmos 0,18 µm se font sentir avec une consommation n'excédant pas 550 mW à 330 MHz, voire moins (380 mW) si le filtre d'interpolation par deux est inhibé. Ce circuit est cependant talonné par le MB86064 un modèle double à 1 Géch. /s de Fujitsu, initialement spécifié à 800 Méch./s lors de son introduction il y a près de trois ans, et le TC2411 à 1 Géch./s également, oeuvre de la jeune société TelASIC, issue d'un essaimage de Raytheon. Précisons que si le premier cité fait usage d'une technologie Cmos 0,18 µm, le second bénéficie d'un procédé BiCmos SiGe avec une consommation à l'avenant, de l'ordre de 1,8 W.

Notons que lors de la dernière édition de la grand-messe des composants électroniques qu'est l'ISSCC, le CNA a fait l'objet d'une attention toute particulière avec la présentation de plusieurs réalisations de qualité. A l'instar de ce CNA 6 bits et son générateur d'impulsions en BiCmos 0,13 µm sur SiGe de Nortel Networks, caractérisé par une fréquence d'échantillonnage de 22 Géch./s et destiné aux systèmes de communication à très haut débit. Ou encore ce CNA 15 bits et 1,2 Géch./s (mais apte à fonctionner jusqu'à 2 Géch./s), oeuvre d'Agilent Technologies pour la génération de signaux de tests de grande précision, tels que demandés dans la simulation radar ou les systèmes de prédistorsion dans les voies de communication. Dans ce dernier cas, pour couvrir les produits de cinquième ordre, la bande passante en transmission est en effet jusqu'à cinq fois supérieure à la bande passante nominale. Pour une précision accrue, le circuit sélectionne de façon pseudo-aléatoire les sources de courant pilotées par les 6 bits de poids fort, et ce afin de convertir les erreurs dues aux non-linéarités en bruit blanc.

Du bon usage de la segmentation
Beaucoup d'architectures sont en vogue dans l'univers de la conversion numérique-analogique. Certaines ne sont naturellement pas adaptées à soutenir des cadences d'échantillonnage de 40 Méch./s et plus. A cette vitesse et au-delà, le CNA typique délivre, via des sorties différentielles, un courant et non une tension. La valeur de pleine échelle de ce courant est parfois ajustable, entre 2 et 20 mA généralement. La topologie du convertisseur est basée sur un système de sources de courant.

Dans la structure dite « pondérée binaire » (binary-weighted), les valeurs de ces sources de courant sont pondérées (1 :2 :4 :... 2 ^N-1 ) selon le bit que chacune d'entre elles représente. Si cette architecture a le mérite de la simplicité, en ce sens qu'elle ne demande pas de décodage du mot d'entrée, elle n'est guère adaptée aux résolutions élevées. Ainsi, pour un CNA 8 bits, le rapport entre les valeurs des intensités délivrées par les diverses sources est de 128:1. Ce qui présente des difficultés de réalisation, en particulier au niveau de l'appariement des transistors constitutifs des miroirs de courant. Enfin, à un instant donné, la forte quantité de courant commuté pendant les transitions majeures se traduit par des problèmes de glitch (transitoires de commutation).

Dans la structure « code thermomètre » (ou fully-decoded), un réseau de sources de courant identiques, et donc moins sujettes au déséquilibrage, est mis en oeuvre. Un décodage binaire en amont est néanmoins réclamé, et l'accès à chaque transistor unité entraîne un surcroît de complexité dans la commande des interrupteurs. La monotonie est garantie et les performances de linéarité sont bonnes. Cette dernière peut encore être améliorée en évitant de sélectionner les mêmes sources de courant en fonction d'un code donné, et ce au prix d'une circuiterie logique additionnelle. La génération potentielle de raies parasites dans le spectre peut être évitée en adoptant une séquence pseudo-aléatoire.

Mais bien souvent, lorsqu'il s'agit de concevoir un CNA avec des performances spécifiques, une même architecture se révèle peu adaptée. De ce fait, beaucoup de CNA rapides ont actuellement recours à la segmentation afin de réunir le meilleur des mondes (figure). Concrètement, un CNA de résolution N1 prend en charge les LSB, tandis qu'un second de résolution N2 s'occupe des MSB. Le premier est généralement de type pondéré binaire, tandis que le second fait appel à un codage thermomètre. Leurs sorties sont alors combinées afin d'obtenir l'information de courant en sortie, représentative du code d'entrée.

A partir de ce modèle, de nombreuses variantes sont envisageables. Ensuite, c'est l'expérience du fabricant qui entre en jeu pour la répartition optimale des bits entre les structures, la qualité de la circuiterie de commutation et de verrouillage...