FR2536923A1 - Comparateur a prise en memoire de la tension de decalage et application a un convertisseur analogique-numerique a structure parallele - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN COMPARATEUR ANALOGIQUE A ELIMINATION DE LA TENSION DE DECALAGE. CE COMPARATEUR COMPORTE CLASSIQUEMENT UN AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL12 SUSCEPTIBLE D'ETRE BOUCLE EN COURT-CIRCUIT PAR UN INTERRUPTEUR IC DURANT UNE PREMIERE PHASEA DE COMPARAISON PENDANT QU'UNE TENSION DE REFERENCE VR ISSUE D'UN PONT DIVISEUR DE PRECISION EST APPLIQUEE A UNE CAPACITE D'ENTREE C. DANS UNE DEUXIEME PHASEC LA TENSIONVIN A COMPARER EST APPLIQUEE A LA CAPACITEC. SELON L'INVENTION, POUR EVITER UNE CIRCULATION DE COURANTS TRANSITOIRES DUS A UNE REDISTRIBUTION DE CHARGES ENTRE LA CAPACITEC ET LA CAPACITE PARASITE D'ENTREE DE L'AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL12, CETTE CIRCULATION FAUSSANT LA VALEUR DE LA TENSION DE REFERENCE VR, ON PREVOIT UNE PHASE DE COMMUTATION SUPPLEMENTAIRED PENDANT LAQUELLE UNE TENSION DE COMPENSATIONVC PROCHE DE LA TENSION DE REFERENCEVR EST APPLIQUEE A LA CAPACITEC PAR UNE SOURCE DE TENSION A BASSE IMPEDANCE DE SORTIE. APPLICATION AUX COMPARATEURS DES CONVERTISSEURS ANALOGIQUES-NUMERIQUES RAPIDES A STRUCTURE PARALLELE.

Description

COMPARATEUR A PRISE EN MEMOIRE DE LA TENSION DE DECALAGE
ET APPLICATION A UN CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMERIQUE
A STRUCTURE PARALLELE
La présente invention concerne les-comparateurs destinés à comparer une tension analogique à une tension de référence, et plus précisément ceux pour lesquels la tension de référence est établie à partir d'un pont diviseur résistif de grande précision.

L'invention concerne aussi plus particulièrement l'application de ces comparateurs a un convertisseur analogiquenumérique comportant en parallèle un grand nombre de comparateurs dont les tensions de référence sont prélevées sur les prises intermédiaires successives d'un pont diviseur résistif de précision.

On décrira l'invention à propos d'un tel convertisseur, étant entendu que l'application du comparateur selon l'invention n'est pas limitée à ces convertisseurs.

Un convertisseur analogique-numérique rapide à structure parallèle est représenté à la figure 1.

Pour obtenir une conversion rapide, le convertisseur possède 2P comparateurs fonctionnant en parallèle, p étant le nombre de bits de sortie de convertisseur. Chaque comparateur reçoit d'une part la tension analogique Vin à convertir en une valeur numérique binaire de p bits et d'autre part une tension de référence respective qui est une fraction, exprimée en multiples de 1/2P, d'une tension de référence générale Vréf. Ainsi, par exemple pour un convertisseur huit bits (28 = 256), le premier comparateur reçoit comme tension de référence Vréf/256, le deuxième 2Vréf/256, le troisième 3 Vréf/256 etc., jusqu'au dernier qui reçoit Vréf.

Les comparateurs fournissent chacun un niveau logique de sortie binaire indiquant si la tension Vin est supérieure ou inférieure à leur tension de référence respective.

Les sorties de tous les comparateurs sont appliquées à un circuit logique de décodage DEC. Celui-ci reçoit donc 2P signaux logiques qui, si on les examine successivement, se présentent sous forme d'une serie de signaux logiques a un premier niveau (pour tous les comparateurs dont la tension de référence est inférieure à la tension a convertir), suivie d'une série de signaux logiques à un deuxième niveau (pour tous les autres comparateurs). Le circuit de décodage détermine la position du changement de niveau logique dans cette double série et fournit un mot de p bits représentant cette position, ou éventuellement une indication de dépassement de capacite du convertisseur.

Les tensions de référence sont établies à l'aide d'un pont diviseur résisté de grande précision, forme de 2P résistances en -seri, de valeur commune R et alimente par la tension de référence globale Vref ; une prise intermédiaire est prévue à chaque point de jonction de deux resistances R et cette prise est reliée alune entrée d'un comparateur respectif pour lui amener une tension de référence correspondante qui est une fractison, multiple de 1/2P, de Vréf.

Sur la figure 1, représentant schématiquement unQconver- tisseur à huit bits, les tensions de référence sont désignées par
V1, V2, ...Vr, ...V255, Vréf. Un seul comparateur 10 a été représenté, recevant une tension de référence Vr.

En technique de circuits intégrés, on travaille avec de faibles tensions et la tension de référence Vréf peut ne pas dépasser 2 volts. Par conséquent le pas élémentaire entre deux tensions de référence consécutives est de 2/256 volts soit environ 8 millivolts. I1 est donc impératif que l'on utilise comme comparateurs des amplificateurs différentiels à très faible tension de décalage à l'entrée, faute de quoi la comparaison n'aurait pas de signification.

C'est pourquoi on utilise des comparateurs associés à une capacité qui prend en mémoire la tension de décalage et la restitue en l'additionnant à la différence des tensions à comparer de telle sorte que le basculement du comparateur ne résulte que du signe de cette différence quelle que soit la valeur de la tension de décalage.

Le comparateur unique 10 représenté à la figure 1 est un comparateur de ce type, à élimination de tension de décalage. Il comprend un amplificateur-inverseur 12, une capacité d'entrée C dont une borne est reliée à l'entrez de l'amplificateur et des moyens de commutation (interrupteurs IE, IE', IC pouvant être des transistors à effet de champ à grille isolée) commandés par un circuit logique de commande non represente.

L'interrupteur IE permet de relier à l'autre borne de la capacité C la tension de référence Vr correspondant à ce comparateur ;
L'interrupteur IE' permet de relier a cette autre borne de la capacité C la tension analogique Vin à convertir
L'interrupteur IC permet de boucler en court-circuit la sortie de l'amplificateur 12 sur son entrée.

Le circuit logique de commande de commutation fonctionne périodiquement selon essentiellement deux phases.

Dans une première phase b l'interrupteur IE est fermé en dehors, il reste ouvert.
Dans une deuxième phase c, l'interrupteur IE' est fermé; en dehors, il reste ouvert. En pratique, les phases b et c sont complémentaires.

A l'intérieur de l'une de ces phases, en pratique durant une phase a qui coïncide essentiellement avec la première phase b mais qui doit impérativement se terminer legèrement avant elle, l'interrupteur IC est fermé. La phase a pourrait aussi à la rigueur coïncider avec la phase c et non la phase b.

Cette structure connue de comparateur fonctionne en éliminant l'influence de la tension de décalage. Toutefois) on va entrer dans le détail de son fonctionnement pour montrer comment apparait un effet parasite qui perturbe l'exactitude de la comparaison et qui, pour le convertisseur à structure parallèle ainsi décrit, perturbe la linéarité de répartition des tensions de référence prélevées sur le pont diviseur.

A la figure 2, on a représenté la même structure de comparateur qu'a la figure 1, mais en y rajoutant en pointilles une capacité parasite Cp qui représente la capacité d'entré de l'amplificateur 12.

Cette capacité n'est pas négligeable devant la capacité
C car cette derniere doit être choisie assez petite pour pouvoir travailler à très haute fréquence (plusieurs dizaines de mégahertz).

Durant la phase a, l'amplificateur bouclé sur lui-mSme présente à son entrée une tension qui est justement sa tension de décalage Vd.

L'interrupteur IE étant ferme et l'interrupteur lE' ouvert, la capacité C prend une charge C (Vd - Vr) La eapacité Cp prend une charge Cp Vd.

A la fin de la phase a, la somme de ces charges reste stockée sur la borne commune des capacités, reliée à l'entree de l'amplificateur 12. En effet, l'impédance d'entrée de l'amplificateur est tres élevée et aucun écoulement de charge ne peut avoir lieu.

Durant la phase c, la somme des charges stockées reste constante du fait de cet isolement, mais leur répartition est différente : la tension à l'entrée de l'amplificateur n';st plus
Vd mais une tension Ve (et selon le signe de Ve - Vd l'amplificateur basculera dans un sens ou dans un autre) ; d'autre part la tension appliquée à la capacité C n'est plus la tension de référence Vr mais la tension à convertir Vin. La capacité Cp prend donc une charge Cp Ve et la capacité C une charge C (Ve - Vin). La somme de ces charges est égale à la somme des charges précédemment stockées.

On en tire l'équation
(Ve - Vd) = (Vin - Vr)C/(C + Cp) (1)
Cette équation (1) montre bien que le sens de basculement du comparateur ne -dépend que du signe de la différence
Vin - Vr malgré l'existence d'une tension de décalage et malgré la présence de la capacité parasite Cp.

Cependant, le phénomène secondaire suivant se produit à la phase c, la capacité C est chargée à une tension Ve - Vin, tandis qutà la nouvelle phase b suivante elle va être chargée à
Vd - Vr. Sans la capacité parasite Cp ces deux différences seraient égales et il ntyeaurait pas de problème. Avec la capacité parasite Cp, il se produit entre les phases c et b une modifica tion de la répartition des charges entre les deux capacités d'une phase à la suivante. L'équation 1 permet de montrer que la différence entre l'ancienne charge C (Ve - Vin) à la phase C et la' nouvelle charge C (Vd - Vr) à la phase b suivante, est égale à
C (Vin - Vr) Cp/(C + Cp).

Il y a donc, lors de la fermeture de l'interrupteur JE, un appel de cette quantite de charges sur l'armature de la capacité C qui reçoit la tension de référence Vr. Cet appel de charges crée un courant transitoire qui ne peut venir que du pont de résistances de precision alimente par la tension Vréf.

Or le passage de ce courant transitoire, dé valeur mal définie mais non negligeable, passage qui est simultané pour tous les comparateurs, crée un jeu complexe de courants dans les differents éléments de resistance R : les courants sont de signes variés et d'amplitudes variées puisqu'ils dependent de Vin - Vr donc de la position du comparateur et de la tension analogique Vin à convertir.

Ce jeu de courants transitoires fait qu'il n'y à plus la relation linéaire voulue entre la position d'une prise intermédiaire et la tension de référence associée. On ne peut plus dire, pendant cette circulation transitoire que Vr est un multiple de VréflPP.

Comme on travaille à haute fréquence, la phase b se termine avant disparition des courants transitoires, donc à un moment ou les tensions de référence Vr n'ont pas les valeurs qui' conviendraient, faussant la linéarité de la conversion.

On pourrait pallier cet inconvénient en diminuant l'impédance du pont de résistances de précision, mais, pour des raisons de consommation d'énergie et de réalisation technologique, il est parfois difficile de réduire la valeur des résistances R au-dessous de quelques ohms, la précision de celles-ci tétant alors plus suffisante. Comme il y a 256 résistances pour un convertisseur à huit bits, la constante de temps de disparition des courants transitoires reste élevée.

On ne peut pas non plus, pour des raisons de place disponible en circuit intégré, et aussi pour des raisons de con sommation et surtout de précisionS prévoir un amplificateur d'adaptation d'j.mpédance entre chaque prise intermédiaire et l'interrupteur IE correspondant (ces amplificateurs ayant des tensions de décalage non nulles et variables)
C'est pourquoi la présente invention propose de faire fonctionner le comparateur avec une phase de commutation supplémentaire immédiatement avant la phase de convection de la tension de référence, pour effectuer pratiquement la totalité de la redistribution de charges nécessitée à cause de la présence de la capacité parasite, avant de reconnecter le pont de resistances aux comparateurs.

Les moyens de commutation et le circuit logique de commande sont donc agencés pour appliquer a la deuxième armature de la capacité C, pendant cette troisième phase précédant l'application de la tension de référence au comparateur, une tension de compensation proche de cette tension de référence mais qui n'est pas prelevée sur le pont de résistances de précision.

En pratique, il suffit d'effectuer la redistribution de charges de manière grossière et une même source de tension de comr pensation peut être appliquée à plusieurs capacités correspondant à des comparateurs voisins et donc à des tensions de référence voisines, la valeur de la tension de compensation étant choisie aux alentours de la moyenne de ces tensions de référence.

L'impédance de la source de compensation est choisie assez basse pour que la redistribution de charges se fasse en un temps suffisamment court. Cette impédance n'est pas limitée ici comme celle du pont par des impératifs de précision.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- les figures 1 et 2 déjà décrites représentent un convertisseur de la technique antérieure,
- la figure 3 représente un schéma de comparateur modifié selon l'invention,
- la figure 4 représente les phases de commutation des interrupteurs de la figure 3.

Sur la figure 3, on retrouve l'amplificateur inverseur 12 avec la capacité d'entrée C ayant une première borne reliée a l'entrez de l'amplificateur, le pont diviseur de précision établissant la tenson de référence Vr, et les interrrupteurs IE
IE' et IC fermés pendant les phases b > c et a respectivement.

De plus, on a maintenant prévu dans chaque période de commutation une phase de commutation d supplémentaire, précédant immédiatement la phase b d'application dela tension de référence
Vr à la deuxième borne de la capacité C. Dans la phase d, un interrupteur supplementaire- lE' se ferme pour relier la deuxième borne de la capacité C à une source de tension de compensation désignée par la référence 14.

Cette source de tension, à basse impédance de sortie, établit une tension de compensation Vc de l'ordre de Vr. Pour un convertisseur analogique-numérique comportant' plusieurs comparateurs. Par exemple, pour un convertisseur à huit bits donc à 256 comparateurs ayant 256 tensions de référence s'échelonnant de 0 à Vréf, on peut prévoir quatre sources de compensation établissant respectivement des tensions de compensation respectives sensiblement égales à
Vréf/8 pour les 64 eomparateurs dont les tensions de référence vont de O à Vréf/4 ;;
. 3 Vréf/8 pour les 64 comparateurs dont les tensions de référence vont de Vréf/4 à'Jréf/2 à Vref/2
5 Vréf/8 pour les 64 comparateurs dont les tensions de référence vont de Vréf/2 à Bref/4 7 7 Vréf/8 pour les 64 comparateurs dont les tensions de référence vont de 3 Vréf/4 à Vref.

La source de compensation 14 représentée comporte un pont diviseur 16 qui n'est pas un pont diviseur de précision et qui peut être commun aux differentes sources de compensation s'il y en a plusieurs, un amplificateur-adaptateur dtimpédance 18 et une capacité de stockage 20 en sortie de l'amplificateur 18. Cette capacité fournit les courants transitoires nécessaires à la redistribution de charges durant la phase d ; elle se recharge à la tension de compensation en dehors de cette phase d. Elle peut 8tre extérieure au circuit intégré constituant le convertisseur, et elle peut aussi etre complètement supprimee si lVamplificateur 18 a une grande vitesse de transition.

La figure 4 montre le diagramme des phases de commutation.du comparateur. La phase d se situe entre la phase c et la phase b. I1 est-à noter que la phase a coïncide avec la phase b (mais se termine légèrement avant). Toutefois, on pourrait aussi prévoir que la phase a coïncide avec la phase c (et se termine légèrement avant) ; les niveaux logiques de sortie du comparateur seraient alors inverses pour les mêmes tensions a comparer. Dans ce cas, la phase d doit toujours se situer immediatement avant la phase b car c'est à la phase b de fermeture de l'interrupteur IE qu'un courant transitoire risque d'entre appelé à travers le pont diviseur de précision.

La phase de lecture de la sortie du comparateur doit se situer pendant celle des phases b ou -c qui ne colncide-pas avec la phase a de bouclage de l'amplificateur 12 en court-circuittl
Avec le circuit de la figure 3, la capacité C se charge à la tension (Vd - Vc) pendant la phase d alors qu'elle était précédemment chargée à (Ve - Vin). Des courants transitoires cir culent alors pour effectuer cette redistribution de charge, mais ces courants viennent de la source 14 et non.du pont diviseur de précision.

A la phase b suivante, la tension de référence Vr est appliquée à la capacité C qui va donc -se charger a (Vd - Vr). Une nouvelle redistribution de charges a lieu mais (Vd - Vr) est très proche de la tension (Vd - Vc) existant précédemment aux bornes de la capacité et la charge déplacée est maintenant égale à
C (Vc - Vr)Cp/C+Cp. Les courants transitoires qui circulent, cette fois à travers le pont diviseur de précision, seraient nuls si pour chaque tension de référence Vr était prévue une tension de compensation Vc égale à Vr. En fait avec quelques sources de compensation réparties comme indiqué précédemment, Vc - Vr reste toujours suffisamment faible (au maximum égal à Vréf/8 dans l'exemple précisément décrit) pour que les courants transistoires soient devenus négligeables à la fin de la phase b.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Comparateur destiné à comparer une tension analogique (Vin) à une tension de référence (Vr) prélevée sur un pont diviseur de précision (R), comportant un amplificateur inverseur (12) à grand gain et impédance d'entre très élevée, une capacité (C) ayant une première borne reliée à l'entrez de l'amplificateur, des moyens de commutation (IE, IE', IC) et un circuit logique de commande de ces moyens fonctionnant périodiquement selon le cycle suivant

- pendant une première phase (a) de chaque période l'amplificateur est bouclé en court-circuit tandis que la tension de référence (Vr) (ou la tension analogique) est appliquée à l'autre borne de la capacité

- pendant une deuxième phase (c), l'amplificateur n'est plus bouclé en court-circuit, et la tension analogiqué (Vin) (ou la tension de référence) est appliquée à l'autre borne de la capacité ; le comparateur étant caractérisé en ce que les moyens de commutation et le circuit logique de commande sont agencés pour appliquer à l'autre borne de la capacité, pendant une troisième phase (d) précédant l'application de la tension de référence (Vr) à la capacité (C), une tension de compensation (Vc) proche de cette tension et prélevée non sur le pont diviseur de précision mais sur une source à basse impédance de sortie.

2. Comparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de tension de compensation est constituée par une capacité (20) alimentée par un amplificateur adaptateur d'impédance (18) dont l'entrée est reliée à un pont diviseur auxiliaire (16).

3. Convertisseur analogique-numérique caractérisé en ce qu'il comprend un pont diviseur de précision à prises intermédiaires multiples et une pluralité de comparateurs selon l'une des revendications 1 et 2, recevant tous une tension ana logique commune (Vin) et des tensions de référence prelevees sur les prises intermédiaires du pont diviseur le convertisseur comportant en outre un circuit logique de décodage (DEC) recevant les sorties des comparateurs pour de terminer entre quelles tensions de référence consécutives se situe la tension analogique.

4. Convertisseur analogique-numerique selon la revendication 3, caractérise en ce qu'une même source de tension de compensation est appliquée durant la troisième phase à plusieurs comparateurs correspondant a des tensions de référence voisines, la valeur de cette tension de compensation étant choisie aux alentours de la moyenne de ces tensions de référence.