Brevet FR2702611A1 — publié le 19940916

Codeur perfectionné à mise en forme du spectre de bruit, en particulier de type delta-sigma. L'invention concerne la conversion de signal et notamment la conversion delta-sigma Les codeurs de ce type sont utilisés classiquement pour la conversion analogique/numérique ou numérique/analogique. Lorsqu'un tel codeur ou convertisseur reçoit comme signal d'entrée un signal analogique, les variations de tension de ce dernier peuvent s'avérer incompatibles avec les excursions autorisées pour le convertisseur, notamment au niveau de son intégrateur Les codeurs delta-sigma classiques sont alors précédés d'un préamplificateur à gain variable afin d'adapter les variations du signal d'entrée dans une plage de tensions acceptables par le codeur Or, l'adjonction d'un tel préamplificateur, en amont de l'entrée du codeur delta-sigma, introduit une consommation supplémentaire de courant et prend de la place sur la pastille de silicium sur laquelle sont implantés les différents composants. L'invention vise à apporter une solution à ce problème. Un but de l'invention est de permettre l'adaptation des variations du signal d'entrée aux excursions autorisées pour le codeur delta- sigma d'une manière très simple en économisant de la consommation et de la place. L'invention propose donc un codeur à mise en forme du spectre de bruit, en particulier de type delta-sigma, comportant, en tête, un amplificateur à gain ajustable par capacités commutées. En d'autres termes, l'invention consiste à intégrer, au sein du codeur lui-même, c'est-à-dire en aval de son entrée, la fonction de gain ajustable. D'une façon particulièrement avantageuse, une partie au moins des éléments de l'amplificateur à gain ajustable forme également l'intégrateur à capacité commutée du codeur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le codeur comprend un amplificateur opérationnel entre la sortie et l'une des entrées duquel est connectée une capacité de contre-réaction, ainsi qu'une charge capacitive commutée, reliée à ladite entrée de l'amplificateur opérationnel, et ajustable pour prendre des valeurs capacitives différentes. Cette charge capacitive comporte de préférence au moins une capacité commandable pour prendre un état passif et un état actif vis- à-vis de l'amplificateur opérationnel. Par ailleurs, il est généralement préférable de travailler en entrée de l'intégrateur avec un signal différentiel afin de diminuer notamment le bruit généré par les alimentations et les harmoniques d'ordre pair. Or, on ne dispose souvent en entrée du codeur delta-sigma que d'un signal d'entrée unique Un autre but de l'invention consiste alors à élaborer de façon simple un signal différentiel attaquant l'intégrateur du codeur delta-sigma à partir d'un signal d'entrée unique On prévoit pour cela un étage d'entrée à capacités commutées par deux horloges non recouvrantes, dont les deux sorties sont reliées à l'intégrateur du codeur. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étage d'entrée comporte une première capacité susceptible d'être connectée entre l'entrée et la masse par un premier moyen de commutation commandable par la première horloge, et entre la masse et l'une des sorties par un deuxième moyen de commutation commandable par la deuxième horloge, ainsi qu'une deuxième capacité susceptible d'être connectée entre l'entrée et l'autre sortie par un troisième moyen de commutation commandable par la deuxième horloge. Les première et deuxième capacités sont avantageusement respectivement constituées de deux charges capacitives à valeurs ajustables; On réalise alors avec les mêmes éléments, à la fois la fonction de gain ajustable et celle de production d'un signal d'entrée différentiel pour l'intégrateur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen d'un exemple de réalisation nullement limitatif de l'invention illustré sur les dessins annexés sur lesquels: les figures 1 et 2 illustrent de façon schématique la structure générale d'un codeur à mise en forme du spectre de bruit, en particulier de type delta-sigma, - la figure 3 illustre schématiquement un montage à capacité commutée par deux horloges non recouvrantes, la figure 4 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un codeur selon l'invention, et la figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un codeur selon l'invention. La structure générale des codeurs à mise en forme du spectre de bruit, et notamment de type delta-sigma, a fait l'objet de nombreuses publications, en particulier le brevet français n 82 15857 dont le contenu est à toutes fins utiles incorporé à la présente description On va rappeler ici succintement la structure de tels codeurs, en se référant plus particulièrement aux figures 1 et 2. Le codeur représenté schématiquement sur la figure 1 reçoit un signal E(Z) échantillonné, auquel on soustrait un signal de sortie d'un filtre de contre-réaction C(Z) Le signal résultant, après passage dans un filtre B(Z) attaque un quantifieur commandé par la fréquence d'échantillonnage Fe du signal E(Z) La référence N(Z) représente le bruit propre à tout convertisseur qui s'ajoute au signal de sortie du quantifieur Le signal de sortie Y(Z) du codeur s'exprime classiquement par l'équation suivante: Y(Z) = B(Z) (E(Z) Y(Z) C(Z)) + N(Z) dans laquelle B(Z) et C(Z) représentent en fait les fonctions de transfert des filtres correspondants. Cette équation peut également s'écrire sous la forme: Y(Z) = E(Z) B(Z)/( 1 + B(Z) C(Z)) + N(Z)/( 1 + B(Z) C(Z)). On dit alors que l'on a un codeur à mise en forme du spectre de bruit quand B(Z) et C(Z) vérifient les équations suivantes B(Z)/(l+B(Z) C(Z)) = ZP 1 + B(Z) C(Z) = H(Z) Concrètement, le but d'un codeur à mise en forme du spectre de bruit est de repousser une partie de la puissance du bruit à l'extérieur de la bande passante du signal d'entrée, c'est-à-dire de procéder à une mise en forme du spectre de bruit Lorsque la fonction B(Z) est de la forme: 1/(l-Z-1)n, le codeur à mise en forme du spectre de bruit est alors un codeur de type delta-sigma, dont l'ordre est donné par la puissance N de la fonction B(Z). Un codeur delta-sigma d'ordre 1 est illustré sur la figure 2. L'additionneur d'entrée reçoit d'une part le signal E(Z) déjà échantillonné ainsi que le signal de sortie Y(Z) Le signal résultant attaque un intégrateur suivi d'un quantifieur recevant sur son entrée de commande le signal d'échantillonnage à la fréquence Fe. Il s'avère généralement intéressant de réaliser des codeurs (en particulier de type delta-sigma) utilisant des montages à capacités 1 commutées ce qui rend ces codeurs peu sensibles au bruit et permet par ailleurs d'obtenir des précisions sur les constantes de temps des intégrateurs, en général meilleures que 1 % La figure 3 rappelle la technique des capacités commutées par deux horloges non recouvrantes Hl et H 2. Le principe est de substituer à une résistance qui serait connectée entre deux bornes Bl et B 2, une capacité C dont une borne est reliée à la masse et dont l'autre est reliée respectivement aux deux bornes Bl et B 2 par deux commutateurs Ml et M 2, tels que des transistors à effet de champ à grille isolée commandés sur leur grille par des signaux cadencés par les horloges Hi et H 2 Ainsi, à l'instant t, Ml est par exemple passant et la capacité C est alors chargée par la tension Vi présente à la borne B 1 A l'instant t+tl le transistor MI est bloqué et le transistor M 2 est passant ce qui charge la capacité C par la tension V 2 présente à la borne B 2 Si "te" désigne la période d'échantillonnage, le courant équivalent passant de la borne Bl à la borne B 2 pendant cette période est égal à C (Vl-V 2)/te On définit ainsi en capacité commutée une résistance équivalente égale à l/Fe C. On a représenté ici à des fins de simplification des horloges Hi et H 2 exactement complémentaires c'est-à-dire avec les fronts montants de l'une correspondant aux fronts descendants de l'autre Néanmoins, il est possible de prévoir des horloges non recouvrantes définissant un temps mort pendant lequel aucun des deux commutateurs n'est passant (ou fermé). Le codeur delta-sigma d'ordre 1, représenté sur la figure 4, comporte un amplificateur opérationnel AO dont la sortie est reliée à l'entrée inverseuse par une capacité Cl de contre-réaction et dont l'entrée non inverseuse est reliée à la masse La sortie de cet amplificateur opérationnel AO est reliée à l'entrée d'un quantifieur Q dont la sortie matérialise celle du codeur delta-sigma Le signal de sortie Qi du quantifieur Q et son complément Ql B, sont utilisés pour commander deux commutateurs Il et I 2, tels que des transistors à effet de champ, permettant d'appliquer des tensions -Vref et +Vref à une capacité C 3 commutée par deux commutateurs I 3 et I 7 commandés respectivement par les horloges Hi et H 2 Cette capacité commutée C 3 est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel AO et va permettre d'ajouter au signal d'entrée les tensions Vref. L'étage d'entrée de ce codeur delta-sigma reçoit en sa borne d'entrée BE un signal d'entrée analogique Vin(t) qui, au niveau du noeud B 51 relié à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel AO, aura été échantillonné par l'intermédiaire de deux commutateurs I 8 et I 7 d'une charge capacitive commutée, formée ici de deux capacités C 2 et C 4 montées en parallèle L'une de ces capacités, par exemple la capacité C 4, est susceptible d'être reliée à la masse par l'intermédiaire d'un commutateur I 4 commandé par un signal de commande non représenté à des fins de simplification Ce commutateur I 4 peut être par exemple un transistor à effet de champ à grille isolée susceptible de prendre un état passant ou bloqué en fonction de la tension appliquée sur sa grille On peut remarquer d'ores et déjà que lorsque le commutateur I 4 est ouvert (transistor dans son état bloqué) la capacité C 4 est inactive vis-à-vis de l'amplificateur opérationnel AO alors qu'elle est active lorsque le commutateur I 4 est dans son état fermé (transistor dans son état passant). On va maintenant décrire le fonctionnement de ce codeur en supposant que le commutateur I 4 est ouvert, rendant la capacité C 4 inactive Lorsque les commutateurs 13 et I 8 sont fermés, les capacités C 2 et C 3 se chargent Lorsque les commutateurs B 3 et 18 sont ouverts et que les commutateurs I 7 sont fermés, la somme des charges des capacités C 2 et C 3 est injectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel AO Par ailleurs, le gain de cet étage d'entrée est proportionnel au rapport Cl/C 2 L'homme du métier remarque donc que l'intégrateur- sommateur de ce codeur delta-sigma se compose ici de l'amplificateur opérationnel AO et des capacités Cl, C 2 et C 3 Par ailleurs, l'amplificateur AO et les capacités Cl et C 2 forment un amplificateur à gain proportionnel au rapport C 1/C 2. Lorsque l'amplitude de la tension d'entrée Vin est susceptible de prendre des valeurs différentes, il se peut que la somme de cette tension d'entrée et de la tension de référence Vref ne soit pas compatible avec la plage de fonctionnement de l'amplificateur opérationnel AO Aussi, dans ce cas, on ajuste de façon très simple le gain de l'amplificateur en agissant sur la valeur capacitive de la charge capacitive de l'étage d'entrée, par exemple en rendant active par fermeture du commutateur 14, la capacité C 4 Le gain de l'étage d'entrée est alors proportionnel au rapport C 1/(C 2 +C 4) Bien entendu, on pourrait concevoir une charge capacitive commutée composée de plusieurs capacités commandables individuellement et montées en parallèle ce qui permettrait alors de sélectionner le gain de l'amplificateur parmi un jeu de valeurs prédéterminées. Sur la figure 5, l'étage d'entrée 1 du codeur 10 comporte une borne d'entrée BE pour le signal d'entrée Vin(t) et deux bornes de sortie BS i et B 52 pour un signal différentiel Cet étage d'entrée comporte, d'une façon générale, une première capacité susceptible d'être connectée entre l'entrée et la masse par un premier moyen de commutation commandable par la première horloge Hi, et entre la masse et l'une des sorties par un deuxième moyen de commutation commandable par la deuxième horloge H 2, ainsi qu'une deuxième capacité susceptible d'être connectée entre l'entrée et l'autre sortie par un troisième moyen de commutation commandable par la deuxième horloge H 2. Dans le cas présent, la première capacité est en fait constituée de la charge capacitive commutée de la figure 4 c'est-à-dire des deux capacités C 2 et C 4 montées en parallèle, la capacité C 4 étant commandable individuellement par le commutateur I 4 La deuxième capacité est une charge capacitive commutée analogue à celle évoquée précédemment sur la figure 4 et composée ici de deux capacités C 20 et C 40 en parallèle, la capacité C 40 étant commandable individuellement par un commutateur 140 analogue au commutateur 4. Par ailleurs, les deux bornes de la deuxième capacité sont susceptibles d'être connectées à la masse par un quatrième moyen de commutation commandable par la première horloge. Le premier moyen de commutation comprend ici un commutateur I 8, tel qu'un transistor à effet de champ à grille isolée, connecté en série entre une première borne de la capacité C 2 et la borne d'entrée BE ainsi qu'un autre commutateur 16 connecté en série entre la deuxième borne de la capacité C 2 et la masse. Le deuxième moyen de commutation comprend un commutateur 19 connecté en série entre la première borne de la capacité C 2 et la masse et ayant une borne commune avec le commutateur 18, ainsi qu'un commutateur 17 connecté en série entre la borne de sortie B 51 et la deuxième borne de la capacité C 2 et ayant une borne commune avec le commutateur Id. Le troisième moyen de commutation comprend un commutateur I 90 relié entre la borne d'entrée BE et une première borne de la capacité C 20 ainsi qu'un commutateur I 70 connecté en série entre la deuxième borne de la capacité C 20 et l'autre borne de sortie B 52. Le quatrième moyen de commutation comprend un commutateur connecté en série entre la masse et la première borne de la capacité C 20 et ayant une borne commune avec le commutateur I 90, ainsi qu'un commutateur 160 connecté en série entre la masse et la deuxième borne de la capacité C 20 et ayant une borne commune avec le commutateur I 70. D'une façon générale le fonctionnement de cet étage d'entrée est le suivant: lorsque les commutateurs 16 et I 8 sont fermés, les commutateurs 17 et I 9 étant ouverts, la capacité C 2 (ou C 2 + C 4) se charge par la tension d'entrée La capacité C 20 (ou C 20 + C 40) quant à elle est déchargée puisque ses deux bornes sont reliées à la masse par l'intermédiaire des commutateurs 180 et 160 Puis, lorsque les commutateurs précédents, commandés par l'horloge Hi, s'ouvrent et que les commutateurs 17, 19, 190 et 170 se ferment sous l'action de lhorloge H 2, la tension d'entrée est appliquée d'une part à la borne de sortie B 52 par l'intermédiaire de la capacité C 20 (ou C 20 + C 40) et, la tension présente en entrée lors de la charge de la capacité C 2 est restituée à l'autre borne de sortie B 51 Les deux signaux de tension délivrés aux deux bornes B 51 et B 52 sont donc en fait légèrement décalés l'un par rapport à l'autre compte tenu du décalage des horloges Hl et H 2. Les capacités C 3 et C 30, permettant l'adjonction à la tension d'entrée échantillonnée des tensions de référence + Vref, sont respectivement connectées aux bornes communes des commutateur 16, 17 et 160, 170 Les autres bornes respectives des deux capacités C 3 et C 30 sont reliées aux sources de tension de référence par des commutateurs 13 et 130, et à la masse par des commutateurs 15 et 150. Les deux bornes B 51 et B 52 sont respectivement reliées aux entrées inverseuses et non inverseuses de l'amplificateur opérationnel AO monté selon un montage différentiel et contre-réactionné par deux capacités de contre-réaction C 1 et C 10. L'homme du métier saura déduire le fonctionnement global de ce codeur delta-sigma à partir de celui explicité pour la variante de réalisation de la figure 4, en ajustant si besoin le gain de l'amplificateur de tête par l'insertion des capacités C 4 et C 40 On remarquera ici que les charges capacitives commutées C 2 et C 4 d'une part, et C 20 et C 40 d'autre part, contribuent à la fois à la fonction de gain ajustable et à la fonction de production d'un signal différentiel permettant d'attaquer l'intégrateur du codeur On réalise ainsi un gain de place supplémentaire Par ailleurs, dans les codeurs à mise en forme de spectre de bruit, et en particulier des codeurs de type delta- sigma, la fréquence d'échantillonnage est très nettement supérieure à la fréquence du signal d'entrée De ce fait, la distorsion induite par le léger décalage des signaux présents aux bornes BS 1 et B 52 se situe en dehors de la bande passante du signal et n'influe donc pas sur le bon fonctionnement du codeur. REVENDICATIONS 1 Codeur à mise en forme du spectre de bruit, en particulier de type delta-sigma, caractérisé par le fait qu'il comprend, en tête, un amplificateur à gain ajustable par capacités commutées (AO, Cl, C 2, C 4). 2 Codeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une partie au moins des éléments de l"amplificateur à gain ajustable forme également l'intégrateur à capacité commutée du codeur (AO, C 1, C 2). 3 Codeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un amplificateur opérationnel (AO) entre la sortie et l'une des entrées duquel est connectée une capacité de contre-réaction (CI, C 10), ainsi qu'une charge capacitive commutée (C 2, C 4, C 20, C 40), reliée à ladite entrée de l'amplificateur opérationnel (AO) et ajustable pour prendre des valeurs capacitives différentes. 4 Codeur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite charge capacitive comporte au moins une capacité commandable (C 4) pour prendre un état passif et un état actif vis-à-vis de l'amplificateur opérationnel (AO). 5 Codeur selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comprend un étage d'entrée ( 1) à capacités commutées par deux horloges non recouvrantes (HI, H 2), comportant une entrée (BE) pour un signal d'entrée et deux sorties (B 51, B 52) pour un signal de sortie différentiel, ces deux sorties étant reliées à l'intégrateur du codeur. 6 Codeur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'étage d'entrée ( 1) comporte une première capacité (C 2, C 4) susceptible d'être connecté entre l'entrée et la masse par un premier moyen de commutation ( 16, 18) commandable par la première horloge (Hi), et entre la masse et l'une des sorties (B 51) par un deuxième moyen de commutation ( 17, 19) commandable par la deuxième horloge (H 2), ainsi qu'une deuxième capacité (C 20, C 40) susceptible d'être connectée entre l'entrée et l'autre sortie (B 52) par un troisième moyen ( 170, 190) de commutation commandable par la deuxième horloge (H 2). 7 Codeur selon les revendications 3 et 6 prises en combinaison caractérisé par le fait que la première et la deuxième capacités sont respectivement constituées de deux charges capacitives (C 2, C 4; C 20, C 40) à valeurs ajustables. 8 Codeur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que les deux bornes de la deuxième capacité (C 20, C 40) sont susceptibles d'être connectées, à la masse par un quatrième moyen de commutation ( 160, 180) commandable par la première horloge (HI).