Sélection rigoureuse des composants, de la topologie et de la configuration pour atteindre une précision de 7,5 chiffres sur la chaîne de signaux

Alors que de nombreuses exigences de résolution d'affichage peuvent être satisfaites avec quatre ou cinq chiffres, des applications telles que les multimètres numériques (DMM) de laboratoire, l'étalonnage des compteurs de terrain, les balances de laboratoire et les instruments sismiques exigent une plus haute précision avec un affichage significatif de 7,5 (7½) chiffres. Cette performance est nécessaire pour mesurer avec précision les petites variations de signaux basse fréquence en présence de décalages et de signaux CC importants inévitables.

Atteindre ce niveau de précision requiert des efforts multiformes et une attention particulière aux facteurs liés à la sélection des composants et à la mise en œuvre physique. Les concepteurs doivent comprendre les multiples sources d'erreur potentielles, les implications du comportement à court et à long terme et la stabilité du circuit.

Cet article passe brièvement en revue les problèmes de conception associés au développement d'un affichage significatif et précis d'un signal analogique avec une précision de 7,5 chiffres. Il présente ensuite des composants appropriés d'Analog Devices que les concepteurs peuvent utiliser pour atteindre ces performances.

Sélection de composants pour des affichages haute précision

Un système haute précision commence par ses composants actifs et passifs. Même si une haute intégration peut simplifier la conception et la configuration pour fournir un niveau de performances garanti, les concepteurs peuvent souvent atteindre des performances plus élevées en utilisant des circuits intégrés monofonctions optimisés dans une configuration physique appropriée. Les processus, la fabrication, les problèmes et gradients thermiques ainsi que le conditionnement et les contraintes associées de ces composants peuvent être adaptés de manière optimale aux exigences de l'application.

Le cœur d'un système à 7,5 chiffres haute précision (Figure 1) est constitué d'un préamplificateur, de résistances de réglage de gain adaptées, d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) et d'une référence de tension.

Figure 1 : Au centre de la chaîne de signaux d'un système à 7,5 chiffres se trouvent un préamplificateur, des résistances de réglage du gain, un CAN et une référence de tension. (Source de l'image : Analog Devices, modifiée par Bill Schweber)

Le signal analogique de bas niveau est envoyé à un préamplificateur à faible bruit, où des résistances de précision adaptées règlent le gain. Un filtre anti-interférences électromagnétiques (EMI) peut également être utilisé. Le signal amplifié traverse ensuite un CAN haute résolution, qui fournit des valeurs numérisées à l'aide d'une référence de tension de précision pour une exactitude supérieure. La sortie convertie est transférée au processus système via l'un des nombreux formats d'entrée/sortie (E/S).

Préamplificateur : Ici, les deux paramètres critiques sont le bruit et la dérive, qui affectent la cohérence et la précision. Un préamplificateur approprié est l'ADA4523-1BCPZ-RL7 (Figure 2, à gauche), un amplificateur opérationnel de 36 V à 8 sorties, faible bruit et dérive nulle. Cet amplificateur opérationnel offre des performances CC de précision sur une large plage d'alimentation de 4,5 V à 36 V. La tension de décalage et le bruit en 1/f sont supprimés, ce qui lui permet d'atteindre une tension de décalage maximum de ±4 μV et une tension de bruit d'entrée typique de 88 nV crête-à-crête (pp) à des fréquences s'étendant de 0,1 Hz à 10 Hz. Le dispositif est fourni en boîtier à montage en surface à 8 sorties et sa densité de tension de bruit d'entrée référencée, de près de CC à 10 MHz, est illustrée (Figure 2, à droite).

Figure 2 : L'ADA4523-1BCPZ-RL7 (à gauche) est fourni en boîtier à 8 sorties à montage en surface. Sa densité de tension de bruit référencée à l'entrée, de près de CC à 10 MHz, est illustrée (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Le circuit d'auto-étalonnage de l'ADA4523-1BCPZ-RL7 stabilisé par découpage produit une faible dérive de la tension de décalage avec la température (0,01 μV/°C maximum) et une dérive nulle au fil du temps. De plus, l'ADA4523-1BCPZ-RL7 utilise un filtrage intégré pour une haute immunité aux EMI.

Résistances de réglage du gain : Un gain programmable est souvent nécessaire pour adapter le circuit à différents formats et amplitudes de signaux d'entrée. Pour des performances de précision, il est plus important que la paire de résistances de réglage du gain soit adaptée et suive de près les variations de température, plutôt que d'avoir la valeur absolue correcte. Un dispositif autonome intégrant ces paires peut généralement fournir de meilleures performances que des résistances intégrées dans la puce de l'amplificateur.

Par exemple, le LT5401AHMSE#PBF (Figure 3, à gauche) est un réseau de résistances adaptées ultra-haute précision, optimisé pour une utilisation avec des amplificateurs entièrement différentiels, avec d'excellentes spécifications d'adaptation sur toute la plage de températures. Il contient deux chaînes de résistances adaptées, chacune fournissant trois points de prise. L'utilisation de deux amplificateurs opérationnels ADA4523-1BCPZ-RL7 et de ces résistances de réglage du gain adaptées permet d'obtenir la configuration d'amplificateur souhaitée (Figure 3, à droite). Les rapports adaptés résultants conviennent bien pour régler avec précision le gain ou l'atténuation d'un amplificateur différentiel.

Figure 3 : Le LT5401AHMSE#PBF (à gauche) contient trois paires de résistances adaptées et il est essentiel pour un étage de gain programmable haute précision comprenant deux amplificateurs ADA4523-1BCPZ-RL7 (à droite). (Source de l'image : Analog Devices, modifiée par Bill Schweber)

Les principaux attributs de précision et de stabilité du LT5401AHMSE#PBF incluent les suivants :

• Adaptation du rapport de résistance de 0,003 % (maximum)
• Taux de réjection du mode commun (TRMC) de 96,5 dB (minimum)
• Erreur de gain de ±25 ppm (maximum)
• Dérive de température correspondante de ±0,5 ppm/°C (maximum)
• Dérive de température de la valeur de résistance absolue de 8 ppm/°C
• Stabilité à long terme : <8 ppm à 6500 heures

CAN : Une fois le signal amplifié et mis en forme, il est prêt à être numérisé. Bien qu'il existe de nombreux types de CAN avec différentes architectures et caractéristiques, l'approche sigma-delta convient bien aux applications de précision car elle peut fournir un équilibre entre le temps de conversion et la résolution.

Par exemple, le CAN AD7177-2BRUZ-RL7 (Figure 4) est un convertisseur multiplexé à faible bruit de 32 bits et 10 Kéch./s, avec un temps de stabilisation de 100 µs et des tampons d'entrée rail-à-rail qui facilitent l'interface avec la sortie du préamplificateur. Ses multiples canaux d'entrée peuvent être configurés en deux canaux entièrement différentiels ou en quatre canaux asymétriques via son multiplexeur pour point de connexion.

Figure 4 : Le CAN sigma-delta multicanal AD7177-2BRUZ-RL7 offre une haute résolution de conversion et une grande flexibilité de configuration des canaux d'entrée. (Source de l'image : Analog Devices)

Il convient de noter que, bien qu'il s'agisse d'un dispositif hautement intégré, l'intégration n'affecte pas les performances analogiques de précision, car l'essentiel se situe du côté numérique et E/S. Les multiples canaux d'entrée sont utiles car de nombreuses applications haute précision requièrent une comparaison entre des canaux côte à côte ou utilisent un canal pour les affichages de base dans des scénarios d'acquisition de données réels.

Ce convertisseur fournit une réjection de filtre de 85 dB des interférences de 50 Hz et 60 Hz pour maintenir l'intégrité des signaux, et ce avec un temps de stabilisation de 50 ms. Il inclut également une référence intégrée de 2,5 V (dérive de ±2 ppm/°C). Il peut utiliser son horloge interne pour la temporisation de conversion ou il peut être fourni avec une horloge externe. Bien que la référence de tension intégrée soit plus que suffisante pour de nombreuses applications, elle n'est pas acceptable dans les applications exigeant une précision plus élevée. Par conséquent, l'AD7177-2BRUZ-RL7 permet à l'utilisateur de fournir une référence externe si nécessaire.

Référence de tension : La performance de la référence de tension est l'élément déterminant dans la chaîne de signaux. Une référence de tension interne pour le CAN est bénéfique dans la plupart des cas, car elle réduit le nombre de composants, économise l'espace carte et garantit un niveau défini de performances du convertisseur.

Cependant, une référence intégrée ne peut pas égaler les performances d'un dispositif autonome dédié, qui est conçu, fabriqué, ajusté et testé pour effectuer parfaitement une seule tâche : fournir une tension extrêmement précise, stable et à faible bruit. À quelques exceptions près, la précision, l'exactitude et la stabilité d'un système ne peuvent pas dépasser celles de la référence. Cependant, les effets d'erreur de deuxième et troisième ordre, tels que les contraintes sur la puce et le boîtier dues à l'auto-échauffement et aux gradients thermiques, peuvent affecter les performances de la référence.

C'est pourquoi Analog Devices propose les références de tension de précision ADR1399 avec une conception, un processus et un conditionnement optimisés pour cette seule fonction. Pour améliorer davantage les performances, leurs références de tension affichant la plus haute précision incluent un élément chauffant embarqué pour maintenir une température constante, car les variations de température ont un impact significatif sur la stabilité.

Les dispositifs ADR1399 sont des circuits intégrés de référence de tension shunt Zener de précision avec une sortie fixe de 7,05 V, offrant une excellente stabilité en température sur de nombreuses conditions de tension, de température et de courant de repos. Une boucle de stabilisation de la température est intégrée au dispositif Zener actif sur un substrat monolithique, ce qui élimine pratiquement toute variation de tension en fonction de la température.

Le circuit Zener sous-surface est entièrement spécifié à un courant de repos de 3 mA et offre un bruit ultrafaible de 1,44 μV p-p de 0,1 Hz à 10 Hz et de 1,84 µV_RMS de 10 Hz à 1 kHz. Il présente également un coefficient de température extrêmement faible de 0,2 ppm/℃ ainsi qu'une excellente stabilité à long terme de 7 ppm/√kHr.

Ce dispositif est disponible en deux versions. L'ADR1399KHZ (Figure 5, en haut à gauche) est fourni dans un simple boîtier TO-46 à 4 broches hermétiquement scellé, placé à l'intérieur d'un isolant thermique en plastique. L'isolant permet de minimiser les fluctuations ambiantes, réduisant ainsi la puissance requise de l'élément chauffant.

L'ADR1399KEZ (Figure 5, en bas à gauche), quant à lui, est fourni en boîtier LCC à montage en surface à 8 broches non isolé. Deux des quatre broches supplémentaires ne sont pas connectées en interne, tandis que les deux autres divisent la référence active en action de force et détection de connexion Kelvin pour permettre une plus grande précision. L'effet du type de boîtier sur la tension de référence par rapport à la température montre la différence négligeable entre l'ADR1399KHZ en boîtier TO-46 (Figure 5, en haut à droite) et l'ADR1399KEZ en boîtier LCC (Figure 5, en bas à droite).

Figure 5 : L'effet du type de boîtier (à gauche) sur la tension de référence par rapport à la température montre la différence négligeable entre l'ADR1399KHZ en boîtier TO-46 (en haut à droite) et l'ADR1399KEZ en boîtier LCC (en bas à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Topologie des circuits

Pour atteindre la précision, les concepteurs doivent également utiliser des topologies et des architectures qui intrinsèquement réduisent, voire éliminent, les sources d'erreur. Certains signaux peuvent nécessiter des configurations différentielles pour équilibrer et annuler le bruit induit. Les résistances adaptées et de suivi, comme indiqué, peuvent améliorer les performances différentielles dans un amplificateur, en particulier en température. De plus, le pont de Wheatstone à quatre éléments est souvent utilisé pour créer un dispositif de mesure ratiométrique, où les dérives indésirables dans les éléments du pont s'annulent mutuellement, ne laissant subsister que le signal d'intérêt.

Mise en œuvre physique

La construction physique d'une conception de précision joue un rôle important dans les performances. De nombreux facteurs doivent être pris en compte, notamment le blindage EMI et les effets de thermocouple. Toute connexion de métaux dissemblables forme une jonction thermoélectrique, générant une petite tension dépendant de la température (l'effet Seebeck). Il peut s'agir de la source d'erreur dominante dans les circuits à faible dérive. Les connecteurs, les commutateurs, les contacts de relais, les prises, les résistances et les soudures sont tous susceptibles de générer une force électromotrice (FEM) thermique importante.

Même les jonctions de fils de cuivre de différents fabricants peuvent générer des forces électromotrices thermiques de 200 nV/°C, soit plus de 10 fois la spécification de dérive maximum de l'ADA4523-1BCPZ-RL7. La Figure 6 illustre l'amplitude potentielle des tensions FEM et leur sensibilité à la température.

Figure 6 : Forces électromotrices thermiques générées par la jonction de deux fils de cuivre de fabricants différents (à gauche) et de soudure-cuivre (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Bien entendu, les masses multiples des circuits sont un facteur important. Il est essentiel de disposer de masses analogiques et numériques importantes, à faible impédance et séparées. Les flux de courant doivent être mappés et éloignés des zones sensibles, avec un seul point de connexion entre les deux régimes de masse. Les considérations habituelles sur l'utilisation de condensateurs de découplage soigneusement placés entre les rails d'alimentation et les masses adjacentes à leurs charges s'appliquent également.

Étalonnage

On pourrait penser que l'étalonnage de l'unité finale est le moyen le plus direct de résoudre les problèmes de précision et de stabilité, mais ce n'est généralement pas le cas. L'étalonnage à ce niveau de précision de résolution requiert un standard extrêmement coûteux avec une configuration rigoureuse, et c'est un processus qui prend beaucoup de temps, impliquant également de réétalonner périodiquement l'unité selon un cycle défini.

Les résultats d'étalonnage sont utilisés de plusieurs manières pour corriger ou compenser les erreurs d'affichage. L'étalonnage est plus efficace comme moyen de vérifier les performances d'une conception que comme tactique pour atteindre les objectifs souhaités.

Conclusion

Atteindre une précision et une exactitude significatives jusqu'à 7,5 chiffres constitue un défi majeur dans les conceptions à signaux mixtes et analogiques. La solution de conception doit combiner les composants, la topologie de circuit, la configuration physique et l'étalonnage appropriés. Les composants haut de gamme, l'expertise et le support applicatif d'Analog Devices, ainsi qu'une attention particulière portée aux subtilités de conception, permettent de relever ce défi.