Article paru en février 2007La conversion analogique/numérique change de braquet
Rapide, précis, compact, le convertisseur analogique/numérique (CAN) développé par une équipe du CEA/Saclay est particulièrement adapté aux applications de mesure multicanaux. Clé de l'innovation : une mesure de temps plus précise sans augmentation de la consommation.
Parti d'une expérience de physique fondamentale qui exigeait précision et vitesse d'acquisition, le CEA a développé un convertisseur analogique/numérique qui améliore tant ces caractéristiques qu'il se prête à bien d'autres applications, notamment pour la conversion des signaux issus de capteurs. De plus, il se distingue par sa consommation énergétique réduite, son faible bruit et son faible encombrement : difficile de faire mieux !
Le principe de base n'a rien de révolutionnaire : il s'agit de la conversion dite "simple rampe", qui consiste à mesurer le temps que met une rampe de tension (linéaire et de profil connu) à atteindre le niveau de tension du signal analogique à convertir. On peut réaliser ainsi des convertisseurs compacts, simples et adaptés à une conversion multicanale, car la rampe peut servir de référence à plusieurs signaux à la fois.
En revanche, la conversion simple rampe est lourdement handicapée par sa lenteur : le temps de conversion double chaque fois que la dynamique de mesure double. Pour une dynamique de 12 bits, par exemple, le temps de conversion est de 40 µs si l'horloge du dispositif est de 100 MHz.
C'est à ce niveau que l'ajout par le CEA d'un compteur de temps ultra précis, développé avec des spécialistes de la mesure temporelle, a changé la donne. Ce compteur permet de travailler non plus à l'échelle de la période d'horloge, mais au 1/32e voire au 1/64e de période, d'où un temps d'acquisition divisé par 32 ou par 64 sans augmentation significative de consommation.
En prime, le convertisseur présente un niveau de bruit proche du bruit théorique d'un CAN parfait et d'excellentes performances en non-linéarité différentielle : l'idéal, par exemple, pour des applications de spectrométrie. "Le plus difficile a été de développer un générateur de rampe et un comparateur présentant des performances temporelles élevées et très stables", précise Eric Delagnes, l'inventeur, de la Direction des sciences de la matière du CEA.
Le laboratoire a breveté son concept et l'a validé en intégrant son convertisseur dans une puce CMOS 0,35 µm. Même avec cette géométrie de gravure, la consommation par canal est inférieure au mW contre plusieurs centaines de mW, par exemple, pour la conversion flash. Quant à l'encombrement, il dépasse tout juste le mm2 pour un convertisseur 32 canaux !
Cette technologie innovante permet, par exemple, de multiplier par plus de 5 la sensibilité de mesure, en réalisant 32 acquisitions là où l'on se contentait d'une ; d'obtenir un signal numérique de qualité équivalente à partir de capteurs moins précis et moins coûteux ; de développer des applications de mesure fiables, compétitives et de dynamique élevée (exemple : une centrale de pesée utilisable pour des lettres et pour des personnes !). Le laboratoire est ouvert au développement conjoint de CAN adaptés à de tels contextes.
