Comment utiliser une référence de tension pour garantir une conversion précise et stable des données

Dans la course à vouloir connecter plus rapidement et plus efficacement les mondes analogique et numérique afin de tirer profit de l'Internet des objets (IoT), il est facile mais peu judicieux d'ignorer le rôle essentiel de la référence de tension. Utilisée par les convertisseurs analogique-numérique (CAN) et numérique-analogique (CNA) en tant que norme principale sur laquelle s'appuyer pour « évaluer » les valeurs d'entrée et de sortie analogiques, cette référence permet de garantir une conversion précise des signaux et des données, mais seulement si elle est adéquatement sélectionnée et correctement appliquée.

Cet article décrit brièvement la structure et les caractéristiques d'une référence de tension, ainsi que la sélection appropriée de cette référence. À titre d'exemple, il présente une référence de tension de la série ADR43x d'Analog Devices pour illustrer les diverses caractéristiques, améliorations et fonctionnalités dont les concepteurs peuvent profiter afin de tirer le maximum des références de tension modernes. Il démontre également comment appliquer le dispositif ADR43x afin qu'il demeure dans des limites acceptables pour permettre aux CAN, CNA et autres systèmes dans leur ensemble de fonctionner au maximum de leur potentiel.

Le rôle essentiel des références de tension

Sous sa forme de base, la référence de tension est un dispositif à trois bornes comprenant des connexions de rail d'alimentation, de mise à la terre et de tension de sortie de précision (Figure 1). Une référence inadaptée à une tâche ou appliquée de façon incorrecte sera inexacte et compromettra la validité et la crédibilité de la sortie du convertisseur.

Figure 1 : La construction de base d'une référence de tension consiste en un dispositif à trois bornes comprenant des connexions de tension d'entrée, de référence de sortie et de mise à la terre, illustrées ici pour le dispositif LT6656AIS6-2.5 de la gamme LT6656 d'Analog Devices. (Source de l'image : Analog Devices)

Lorsqu'un concepteur a sélectionné une référence appropriée par rapport à la tension de sortie nominale, la précision et la tolérance, ainsi que d'autres paramètres, le défi consiste à utiliser la référence de façon à ce que les performances spécifiées respectent parfaitement les exigences de l'application, sans compromettre le fonctionnement de l'appareil. On ne saurait trop insister sur l'importance de ce point. Comme mentionné, la référence de tension est la principale norme qui permet à un CAN d'évaluer la tension d'entrée analogique en numérisant cette tension. Dans le cas des CNA, une référence de tension stable et fiable permet au convertisseur de produire une tension de sortie analogique précise correspondant au code numérique d'entrée.

Sélection de la référence

Trois technologies sont le plus souvent utilisées pour les références de semi-conducteurs : la diode Zener enterrée, l'approche à barrière de potentiel à l'aide de la tension V_be d'un transistor et la configuration XFET^® d'Analog Devices, qui offre deux transistors FET à jonction fonctionnant en tandem (numéro de brevet américain 5,838,192).

Tandis que les concepteurs de référence de tension peuvent débattre, à juste titre, des subtilités et caractéristiques de chaque approche, la majorité des utilisateurs de référence de tension s'intéresse davantage aux questions de performances, de compromis, d'application et de coûts. Il s'agit de la perspective adoptée ici.

Alors que la référence principale interne d'une référence de tension peut correspondre à une valeur « étrange » en raison de la physique sous-jacente du dispositif pour la technologie utilisée, les références de tension sont conçues à l'aide de circuits internes afin de garantir que leurs sorties correspondent à des tensions adaptées à la résolution du convertisseur ainsi qu'aux besoins du système.

Par exemple, de nombreuses références sont proposées sous la forme d'une gamme de dispositifs identiques à tout autre égard avec une sélection de valeurs de sortie telles que 2,048 V, 2,5 V, 3,0 V, 4,096 V et 5,0 V. Les versions de 2,048 V et 4,096 V sont pratiques, car elles correspondent « parfaitement » à la résolution du convertisseur ; par exemple, un convertisseur 12 bits utilisant une référence de 4,096 V présente une mise à l'échelle nominale de 1 millivolt (mV)/nombre de conversions.

La précision initiale de la référence est indiquée en pourcentage ou en millivolts et peut grandement varier, car certaines applications nécessitent une plus grande précision que d'autres. En général, une plus grande précision est plus difficile à atteindre et conserver ; une spécification de référence type correspond à une erreur maximale de ±0,1 % dans toutes les conditions. Cependant, des avancées dans la topologie sous-jacente et les technologies de processus ont permis d'améliorer cette spécification. Par exemple, la référence ADR434 de 4,096 V utilise l'approche XFET et elle est spécifiée avec une précision initiale de ±5 mV (suffixe A) ou ±1,5 mV (suffixe B).

Toutefois, pour de nombreuses applications, l'exactitude absolue est secondaire pour la stabilité de la référence et la cohérence à long terme. L'explication pourrait être que les données numérisées peuvent être corrigées ultérieurement, ou que l'exactitude absolue n'est pas aussi importante que les résultats comparatifs et leurs modifications, ces deux raisons étant des fonctions de la stabilité de référence. Ainsi, la sélection de la référence doit évaluer le degré nécessaire d'exactitude absolue par rapport au degré de stabilité requis et à la manière de conserver cette stabilité.

Ce facteur de stabilité présente des considérations non négligeables. S'agit-il d'une utilisation de courte durée, comme dans le cas d'une acquisition de données durant une courte expérience ? Où s'agit-il plutôt d'une acquisition de données sur le long terme pendant plus d'un an ? Le concepteur doit se poser ces questions et y répondre avant chaque projet.

Références externes ou références internes

Il existe une question encore plus basique : avez-vous réellement besoin d'une référence externe indépendante ? Les convertisseurs tels que le CAN AD7605-4BSTZ d'Analog Devices sont fournis avec une référence de tension interne, ce qui permet d'économiser de l'espace carte et de limiter la nomenclature (Figure 2). De plus, la fiche technique peut fournir une spécification sur la précision de lecture du CAN entièrement caractérisé, étant donné que les performances de la référence font partie intégrante des performances globales du circuit intégré du convertisseur.

Figure 2 : De nombreux CAN, tels que l'AD7605-4BSTZ 16 bits, sont fournis avec une référence de tension interne. En plus d'économiser de l'espace carte et de limiter la nomenclature, l'analyse du bilan d'erreurs est simplifiée puisque les performances de la référence sont prises en compte dans les spécifications globales du convertisseur. (Source de l'image : Analog Devices)

Cependant, une référence interne peut ne pas offrir les performances requises, même si le cœur du convertisseur est adapté, et c'est la raison pour laquelle la plupart des convertisseurs ont une connexion pour une référence externe. Il convient de noter que les convertisseurs hautement spécifiques à une application et sensibles au coût, tels que ceux destinés à un canal audio d'une gamme inférieure, peuvent présenter un convertisseur interne répondant à la norme cible et ne pas nécessiter de référence externe. Néanmoins, il serait simpliste de croire que toute référence externe offre automatiquement de meilleurs résultats qu'une référence interne, car les performances d'une référence interne peuvent être proportionnelles aux spécifications du convertisseur qui lui est associé.

Il existe une autre raison d'envisager l'utilisation d'une référence de tension externe, même si la référence interne est appropriée. Dans les conceptions comprenant plusieurs circuits intégrés de convertisseur, les références internes individuelles peuvent varier ou ne pas se suivre de façon identique. Les données ainsi obtenues présenteront des incohérences uniquement dues aux différences entre les références, ce qui compliquera la mise en corrélation des données, en raison d'erreurs ne pouvant être corrigées.

À ce titre, dans un système hautes performances comprenant plusieurs convertisseurs, il est généralement préférable d'utiliser une référence externe unique partagée. Ce choix soulève cependant des craintes quant à la capacité de la référence à « commander » les divers convertisseurs sans dégrader ses propres performances de base, cette préoccupation étant abordée ci-dessous.

Maintenir les performances de la référence

En plus des spécifications de tolérance et de précision initiales, les références présentent des problèmes qui doivent être résolus afin de garantir que leurs performances restent dans des limites acceptables. Ces problèmes incluent notamment :

1. Problèmes de configuration, notamment le bruit et la chute de tension
2. Commande de sortie (source/récepteur), mise en tampon de la charge et performances transitoires
3. Stabilité à court terme et dérive liée à la température
4. Dérive à long terme due au vieillissement, aux contraintes physiques et au conditionnement

1. Problèmes de configuration, notamment le bruit et la chute de tension : comme pour tout signal analogique sensible, même un signal fournissant une tension statique, une chute de tension IR excessive peut se produire entre la sortie de référence et le convertisseur. Bien que la plupart des charges de référence soient faibles —de l'ordre de dizaines de milliampères (mA)— même une charge modeste de 10 mA passant par 100 milliohms (mΩ) entraîne une chute de tension de 1 mV, ce qui peut ajouter une erreur notable au bilan.

La référence de tension série ADR43x résout ce problème en intégrant la résistance de câblage dans la boucle de forçage d'un amplificateur opérationnel externe dans une configuration de connexion Kelvin (Figure 3). L'amplificateur détecte la tension à la charge, afin que le contrôle de boucle de l'amplificateur opérationnel force la sortie à compenser pour l'erreur de câblage et ainsi produire la tension correcte à la charge.

Figure 3 : Les dispositifs de la série ADR43x peuvent être configurés pour des connexions Kelvin via un amplificateur opérationnel externe, afin que toute chute IR entre la sortie de référence et la connexion d'entrée de référence du convertisseur fasse partie d'une boucle de rétroaction qui corrige alors la perte. (Source de l'image : Analog Devices)

Le bruit externe peut également affecter la tension de référence, comme observé au niveau du convertisseur, en raison d'un bruit de charge, d'un bruit de terre ou de bruits parasites provenant de rails d'alimentation incorrectement découplés. En outre, les références présentent également un bruit interne à basse fréquence [0,1 hertz (Hz) à 10,0 Hz] et haute fréquence [10 Hz à 25 kilohertz (kHz)] qui doit faire l'objet d'une évaluation. Les références hautes performances, telles que celles de la gamme ADR43x, présentent un bruit basse fréquence inférieur à 3,5 microvolts (μV) crête-à-crête (p-p) et un bruit haute fréquence d'environ 200 μV (crête) de 10 Hz à 10 kHz.

Le spectre de densité de bruit pour l'ADR431BRZ-REEL7 est illustré (Figure 4). Pour les différentes charges capacitives, il est relativement plat jusqu'à environ 1 kHz, puis il commence à monter ; il reste plat pour une charge capacitive de zéro.

Figure 4 : Le spectre de la densité de bruit par rapport à la fréquence de l'ADR431BRZ-REEL7, pour différentes charges capacitives, est relativement plat jusqu'à environ 1 kHz, puis il commence à monter ; il reste plat pour une charge capacitive de zéro et augmente plus rapidement à mesure que la charge augmente. (Source de l'image : Analog Devices)

La tactique la plus courante pour réduire le bruit est d'ajouter un simple filtre RC (résistance-condensateur). Cependant, de nombreuses références présentent des amplificateurs de sortie qui peuvent devenir instables et osciller avec d'importantes charges capacitives. Connecter une capacité plus importante de plusieurs microfarads (µF) à la sortie n'est donc pas une option, à moins que la référence soit conçue à cet effet. Pour les dispositifs ADR43x, la connexion de base de la référence peut être remplacée par un simple filtre RC si ce bruit haute fréquence continue de dépasser les exigences (Figure 5).

Figure 5 : La connexion de base des références de tension ADR43x ne nécessite que quelques composants externes passifs, avec deux condensateurs côté entrée et un condensateur basique de 0,1 µF côté sortie. (Source de l'image : Analog Devices)

Il convient de noter que les références ADR43x fournissent chacune une broche externe qui offre un accès au nœud de compensation interne, permettant l'ajout d'un réseau RC série externe au point de circuit critique (Figure 6).

Figure 6 : Les dispositifs ADR43x comprennent une broche de raccordement accessible à l'utilisateur (broche 7), qui peut être utilisée pour ajouter la compensation requise à l'amplificateur opérationnel interne. (Source de l'image : Analog Devices)

L'ajout du circuit RC permet à l'utilisateur de « surcompenser » l'amplificateur opérationnel interne et d'éviter toute instabilité. Les utilisateurs peuvent sélectionner la valeur du condensateur afin d'obtenir un faible niveau de bruit acceptable par rapport à la fréquence (Figure 7).

Figure 7 : Les concepteurs utilisant des références ADR43x peuvent sélectionner les valeurs de composants RC afin d'obtenir la réduction du niveau de bruit désirée sans se préoccuper de l'instabilité de sortie, comme l'illustre ce tracé de la densité de bruit par rapport à la fréquence pour diverses combinaisons RC. (Source de l'image : Analog Devices)

2. Commande de sortie (source/récepteur), mise en tampon de la charge et performances transitoires : la plupart des références sont mises en tampon en interne et peuvent générer ou recevoir jusqu'à 5 ou 10 mA. Si le courant de charge requis est supérieur à la valeur source/récepteur de la référence, un tampon externe (généralement à gain unité) sera requis. Cependant, un tampon peut ne pas être souhaitable, car l'effet potentiel de ses imperfections (imprécision, dérive) peut faire sortir la référence des spécifications du système.

La série ADR43x supprime la nécessité d'un tampon élévateur de courant externe dans de nombreux cas en raison de ses courants nominaux de +30 mA (source) et −20 mA (récepteur) relativement élevés.

De plus, la charge sur la référence n'est pas nécessairement constante, mais peut varier lorsque le CAN (ou le CNA) commute en interne. La mise en tampon de l'entrée de référence externe au niveau du convertisseur ne pose pas problème ; sinon les performances transitoires de la référence doivent être examinées. Dans certains cas, un tampon externe est nécessaire entre la référence et le convertisseur afin de fournir une commande malgré les charges transitoires ; là encore, les performances du tampon doivent être prises en compte dans l'analyse des erreurs du système.

3. Stabilité à court terme et dérive liée à la température : la sortie de référence dérivera en fonction du temps nécessaire aux circuits actifs et aux gradients thermiques de la puce pour se stabiliser. Le temps de montée en régime pour la plupart des références dépend généralement de la capacité de charge, mais l'impact du condensateur de charge est minime pour l'ADR431 avec une charge limitée (Figure 8 et Figure 9).

Figure 8 : Le temps de montée en régime pour l'ADR431 à vide est d'environ 8 microsecondes (µs). (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 9 : Après l'ajout d'une charge de 0,01 µF, le temps de montée en régime pour l'ADR431 reste d'environ 8 µs. (Source de l'image : Analog Devices)

Les fiches techniques spécifient la précision de la référence à une température définie, qui est généralement différente de la valeur d'activation. Le changement au niveau de la sortie dû à un changement de température peut facilement dépasser les exigences de précision du système. Une référence avec une spécification de dérive suffisamment basse est donc requise. La gamme ADR43x est spécifiée pour fonctionner de −40°C à +125°C ; pour l'ADR434A (4,096 V, précision initiale de ±5 mV), ce coefficient est de 10 parties par million (ppm)/°C, tandis que d'autres membres de la série présentent des valeurs de seulement 3 ppm/°C.

4. Dérive à long terme due au vieillissement, aux contraintes physiques et au conditionnement : la dérive contribue souvent grandement à l'inexactitude de la référence. Imaginez une application exigeant une référence de tension pour obtenir une précision totale sur une plage de températures de ±0,1 %. Le concepteur peut choisir une référence hautes performances avec une précision initiale de ±0,05 % et un très faible coefficient de température de ±5 ppm/°C.

Entre 25°C et 125°C, la dérive due au coefficient de température sera de 5 ppm/°C × 100°C, ou de 500 ppm (0,05 %), donc l'erreur globale (erreur initiale + erreur de dérive) respectera précisément l'exigence de ±0,1 %. Certaines applications haut de gamme placent la référence dans une enceinte thermostatée semblable à celles utilisées pour les horloges ou les quartz à réglage de fréquence stabilisés en température, mais cette option n'est pas souhaitable ni pratique dans la plupart des situations.

Alors que la précision de référence augmente, la dérive à long terme (LTD) de base devient un facteur plus important dans le maintien de cette précision. Pour l'ingénieur de conception, la dérive à long terme représente un défi particulier, car elle est également fonction des procédures de production et des modes d'utilisation du produit, et pas seulement de la rigueur de la conception et de la sélection des composants associés. Les contraintes sur le boîtier lors de l'assemblage du circuit imprimé représentent la principale cause de dérive à long terme. Les circuits intégrés en conditionnement plastique se déforment légèrement du fait de leur exposition à des températures élevées lors de la soudure de la carte, et cette modification des dimensions induite par les contraintes ajoute des contraintes à la puce de référence de tension.

En conséquence, la sortie de la référence de tension change à mesure que ces contraintes mécaniques liées à l'assemblage diminuent et reviennent à la normale après des heures, des jours, voire des semaines. Le degré de modification dépend de la configuration, du boîtier du dispositif et d'autres facteurs, et est généralement de l'ordre de dizaines de ppm. En outre, la relation entre le boîtier et la puce de la référence va même « se stabiliser » avec le vieillissement du dispositif au cours d'une année, de sorte que certaines références spécifient la dérive sur une période de temps beaucoup plus longue.

La plupart des fiches techniques des références fournissent des spécifications de dérive à long terme correspondant à la dérive typique après les 1000 premières heures de fonctionnement ; la fiche technique de la série ADR43x spécifie une dérive à long terme de 1000 heures à 40 ppm (typique), mais précise également que la dérive au cours des périodes de 1000 heures suivantes est considérablement plus faible par rapport aux 1000 premières heures.

Une solution pour remédier à cette dérive induite par les contraintes consiste à effectuer plusieurs cycles thermiques sur la carte pendant quelques heures, ce qui accélérera le soulagement des contraintes internes. Une autre solution consiste à envisager l'utilisation de références de tension dans des boîtiers en céramique, car ils sont généralement plus stables que les boîtiers en plastique et présentent des degrés de flexion plus faibles. Cependant, de nombreuses références ne sont pas disponibles dans des boîtiers en céramique ; cet élément ne représente toutefois pas un problème, car la dernière génération de références en plastique propose des performances de dérive à long terme presque aussi bonnes que celles des dispositifs dans des boîtiers en céramique.

Enfin, les concepteurs ne peuvent pas ignorer l'effet, sur la référence de tension, des transitoires sur son propre rail d'alimentation ; après tout, une référence est, de bien des façons, une alimentation « spécialisée ». Par conséquent, les variations de charge ont non seulement une influence éventuelle sur la précision de sortie, mais une ligne d'entrée CC (courant continu) stable et propre constitue un autre facteur pour maintenir les performances spécifiées. Cela étant, une référence de tension correctement conçue pourra réguler étroitement l'entrée d'alimentation. L'ADR431 spécifie une régulation de ligne ΔV_OUT/ΔV_IN de 5 mV/ppm (typique) et de 20 mV/ppm (maximum) sur une plage de tensions d'entrée de 7 V à 18 V (Figure 10).

Figure 10 : Les transitoires dans le rail d'alimentation de la référence de tension peuvent nuire à ses performances, mais une régulation de ligne interne appropriée peut y remédier. Par exemple, les dispositifs ADR43x ne montrent aucun changement de sortie, malgré un transitoire de ligne de 500 mV. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Qu'elles soient internes à un CAN ou un CNA, ou un composant externe discret, les références de tension constituent un élément essentiel de tout système utilisant des convertisseurs de données. Toute amélioration de leur précision de base, de leur dérive ou de tout autre paramètre se traduit par des améliorations des performances au niveau système.

Comme démontré, les concepteurs ont à leur disposition un large éventail de caractéristiques et d'améliorations de référence de tension — tant en termes de topologie que de processus — parmi lesquelles choisir. En plus des fonctionnalités supplémentaires visant à garantir la précision et des performances constantes dans diverses conditions de fonctionnement statiques et dynamiques, la référence de tension, plus complexe qu'il n'y paraît, a beaucoup à offrir à un concepteur à la recherche d'options destinées à répondre à des exigences de conception strictes.

Références :

1. Analog Devices, AN-713, « The Effect of Long-Term Drift on Voltage References »
2. Analog Devices, Engineer Zone, « Trimming the ADR430 »