Brevet FR2744304A1 — publié le 19970801

La présente invention est relative à un convertisseur numérique-analogique différentiel et se rapporte plus particulièrement à un convertisseur numérique-analogique utilisant des sources de courant. D'une manière générale, les convertisseurs numérique-analogique utilisant la solution des sources de courant sont du type unipolaire, ce qui veut dire qu'une partie du réseau de sources de courant qui n'est pas utilisée au cours d'une conversion, est dérivée vers la masse et de ce fait jusqu'à 50% de l'énergie n'est pas utilisée et perdue. L'invention se propose de créer une nouvelle architecture de convertisseur numérique-analogique (CNA) réalisé avec des sources de courant qui ait la capacité d'intégrer la fonction précitée dans un circuit permettant une réduction de la surface de silicium utilisée et présentant des performances améliorées par rapport aux dispositifs connus. Elle a donc pour objet un convertisseur numérique-analogique, caractérisé en ce qu'il comprend des sources de courant associées chacune à un commutateur de liaison de la source de courant à un premier ou à un second puits de courant commun et un amplificateur différentiel destiné à convertir la différence entre les courants délivrés par des sources qui sont rendues actives par le signal numérique à convertir et les courants absorbés par les puits en une tension différentielle liée au signal numérique précité, les premier et second puits de courant absorbant une valeur constante du courant délivré par leurs sources respectives, ledit amplificateur différentiel-différentiel formant un filtre temporel actif dont la tension de sortie forme le signal analogique généré par le convertisseur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l est un schéma électrique d'un convertisseur numérique-analogique à un seul puits de courant; - la Fig.2 est un schéma électrique d'un convertisseur numérique-analogique suivant l'invention de type différentiel; - la Fig.3 est un schéma électrique d'une variante du convertisseur de la Fig.2; - la Fig.4 est un schéma électrique d'une autre variante du convertisseur de la Fig.2, mettant en évidence la possibilité d'auto-étalonnage de la tension de décalage; et - la Fig.5 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un convertisseur numérique-analogique et d'un filtre associé, utilisable pour un auto-étalonnage de la tension de décalage du système. La figure 1 montre une réalisation possible de la technique connue unipolaire. Le circuit représenté à la figure 1 comporte un ensemble de N sources de courant S1 à SN reliées chacune par l'intermédiaire d'un premier interrupteur Ill à I1 à la masse et par un second interrupteur 121 à I2N à un puits de courant P1. Les interrupteurs I1l, 121 .. I1N, 121 Les interrupteurs 121 à I2N sont en outre reliés à une première entrée d'un amplificateur Al dont une seconde entrée est reliée à une tension Vc, tandis que sa sortie est reliée à sa première entrée par l'intermédiaire d'une résistance R. Les bornes de commande des interrupteurs 1i1 à I,, et 121 à I2 sont connectées à une entrée pour le code numérique à convertir. Selon la nature des n bits du code numérique appliqué, il y a mise en conduction ou blocage des interrupteurs correspondants. Le courant qui apparaît à la première entrée de l'amplificateur Al est égal à (n-N/2)I. Dans le puits de courant P1 circule un courant égal à N/2 I, tandis qu'un courant égal à (N-n)I circule dans la connexion des interrupteurs Iii à I1N à la masse. A la sortie de l'amplificateur Al apparaît alors une tension V = V, - R x (n-N/2)I qui est le signal analogique de sortie du convertisseur. I1 résulte du fonctionnement du circuit de la figure 1 qu'une partie du courant débité par les sources S1 à SN est perdue lors de la conversion numériqueanalogique. La figure 2 montre la transposition du circuit décrit en référence à la figure 1 dans le mode différentiel. Le circuit représenté à la figure 2 est semblable à celui de la figure 1, de sorte que les mêmes composants de ces deux circuits portent les mêmes numéros de référence. I1 diffère du circuit de la figure 1 en ce qu'un second puits de courant P2 est connecté entre la série d'interrupteurs I1l, 111 Entre l'entrée positive et la sortie négative correspondante de l'amplificateur A2, est connectée une première résistance R1 tandis qu'entre l'entrée négative et la sortie positive de cet amplificateur, est connectée une seconde résistance R2 de même valeur que R1. Dans ces conditions, le courant NI délivré par les sources de courant S1 à SN est réparti en courants N/2 I parcourant par chacun des puits de courant P1, P2. Un courant (n-N/2)I est appliqué à l'entrée positive de l'amplificateur A2, tandis qu'un courant (N/2n)I est appliqué à son entrée négative. Aux sorties de cet amplificateur apparaissent alors des tensions V- = VZ - R(n-N/2)I et V+ = Va - R(N/2-n)I R étant la valeur de chacune des résistances R1 et R2. I1 en résulte qu'aux bornes de sortie de l'amplificateur, on dispose d'une tension V, = V+ - V- = -R(N-2n)I La solution différentielle permet d'optimiser l'énergie, elle donne la possibilité d'utiliser des sources de courant non utilisées dans la conception unipolaire, en tant que complément du réseau actif. Les sources de courant utilisées du convertisseur numérique-analogique unipolaire équivalent engendrent une polarité du signal différentiel, alors que les sources non utilisées du convertisseur numérique-analogique à une extrémité équivalent, engendrent l'autre polarité du signal différentiel. De plus, pour réduire le gaspillage d'énergie, la solution différentielle fournit les avantages suivants: 1) multiplication par deux de la dynamique du convertisseur, ce qui implique que le rapport signal/bruit est accru de 6 dB. 2) transformation des signaux parasites (bruits d'alimentation, signaux de couplage) en signaux de mode commun qui ne perturbent pas le signal différentiel. L'inconvénient de cette solution est la nécessité d'une source de courant à double puits. Selon l'invention, cet inconvénient est utilisé pour compenser la tension de décalage du convertisseur comme cela sera expliqué par la suite. En raison du fait que les signaux analogiques sont la plupart du temps utilisés sous forme de tension plutôt que sous forme de courant, la conversion couranttension est réalisée en injectant les courants différentiels dans un filtre temporel actif continu qui réduit le signal de haute fréquence engendré pendant l'échantillonnage du convertisseur. Comme on le voit dans l'agencement de la figure 2 qui vient d'être décrit, on ajoute au circuit de la figure 1, une seconde source de courant formant puits et on utilise un amplificateur différentiel-différentiel: à entrée différentielle et sortie différentielle. Cette transposition procure l'avantage de doubler l'excursion de sortie de l'amplificateur et de ce fait d'accroître dans un rapport de deux, la plage dynamique du convertisseur. Un accroissement de 6 dB pour le rapport signal/bruit est obtenu sans aucune pénalité d'énergie. Dans la solution unipolaire (Fig.l), l'amplificateur Al asservit le noeud commun des sources de courant du convertisseur numérique-analogique et des sources d'absorption à la tension de mode commun V appliquée à la borne positive de l'amplificateur. Dans la solution différentielle, l'amplificateur A2 n'a plus de borne de référence de tension de mode commun. Pour contrôler la tension de mode commun aux sorties positive et négative du convertisseur numériqueanalogique, un amplificateur supplémentaire est nécessaire. Comme représenté à la figure 3, cet amplificateur A3 qui a la particularité de présenter deux étages d'entrée, évalue la valeur moyenne de la tension appliquée aux noeuds S+ et s- qui sont communs au convertisseur numérique-analogique et aux deux puits de courant P1,P2, compare cette valeur moyenne à une tension de mode commun V, et commande le signal de polarisation des puits de courants P1,P2, afin de maintenir les noeuds S+ et S- à un potentiel qui dans l'idéal est égal à V > . En raison du fait que les différences de tension en + et E- sont minimisées par la boucle de réaction de l'amplificateur A2, des erreurs dans le calcul de la valeur moyenne de 5+ et S- du fait des non-linéarités de l'amplificateur A3, sont également réduites au minimum par cette boucle de réaction. Les inconvénients de l'addition d'un second puits de courant dans la solution différentielle décrite précédemment, peuvent être avantageusement utilisés dans un réseau de compensation de tension de décalage. On tire avantage de ce double puits de courant en utilisant les deux puits de courant pour réaliser un convertisseur numérique-analogique auxiliaire permettant de compenser la tension de décalage du convertisseur principal. La figure 4 montre la manière dont les deux puits de courant sont transformés en un convertisseur numérique-analogique auxiliaire pour la compensation de décalage. Le circuit de la figure 4 est semblable à celui de la figure 3. I1 diffère de celui-ci en ce qu'au lieu de commander directement les puits de courant P1, P2, la sortie de l'amplificateur A3 est connectée aux bornes de commande de plusieurs puits de courant comprenant les deux puits P1 et P2 connectés comme dans le cas de la figure 3, respectivement aux entrées négative et positive de l'amplificateur A2 et des puits de Pli à P1M formés par M sources, connectés entre les jonctions des interrupteurs I11, I1N et 121, I2 d'une part et la masse d'autre part, par l'intermédiaire de commutateurs formés dans le présent exemple d'interrupteurs supplémentaires I31 à I3 et I41 à 14M couplés deux à deux, commandés par un code numérique de décalage k, I1 résulte de ce montage que la combinaison de courants délivrés par les sources de courant S1 à Sg se répartit dans les puits de courant précités de la façon suivante. Le puits de courant P1 est parcouru par un courant (N-M)2 x I; Le puits de courant P2 est parcouru par un courant (N-M)2 x I; Le courant appliqué à l'entrée positive de l'amplificateur A2 est égal à : (n-k-(N+M)/2)I; Le courant appliqué à l'entrée négative de l'amplificateur A2 est égal à : -(n-k-(N+M)/2)I. Sur les sorties négative et positive de l'ampli- ficateur A2 apparaissent les tensions respectives suivantes V- = V - R (n-k-(N+M)/2)I V+ = Vcm + R (n-k-(N+M)/2)I La tension différentielle de sortie de l'amplificateur est Vdiff = V+ - V-. Ce nouveau convertisseur numérique-analogique permet de compenser la tension de décalage engendrée par les désaccords dans le convertisseur numérique-analogique et le convertisseur courant-tension et filtre sans perdre de dynamique au niveau du code numérique du signal utile. Enfin, pour réduire au minimum les erreurs de gain des résistances utilisées dans le filtre passe-bas continu, sont appariées à la résistance réglant le courant de référence du convertisseur numérique-analogique principal. Une réalisation possible est représentée à la figure 5. Ce circuit réalisé à partir du circuit de la figure 4 comporte, connecté aux puits de courants P1, P2, un amplificateur différentiel-différentiel A2 entre chaque entrée et chaque sortie correspondante duquel est connecté respectivement un condensateur C1,C2. Les sorties de l'amplificateur différentiel-différentiel A2 sont reliées chacune par l'intermédiaire d'une résistance R3, R4 aux entrées d'un amplificateur différentiel-différentiel A4 supplémentaire. La sortie négative de cet amplificateur A4 est connectée à son entrée positive par un circuit formé d'une résistance R5 et un condensateur C5 en parallèle. La sortie positive de l'amplificateur est connectée aux bornes d'un condensateur C6 et d'une résistance R6, tandis qu'à son entrée négative sont connectés les autres bornes de la résistance R6 du condensateur C6 en parallèle dont la connexion opposée à l'entrée négative de l'amplificateur A4 forme une seconde sortie du circuit. En outre, l'entrée positive de l'amplificateur A2 est connectée à la sortie négative de l'amplificateur A4 par une résistance R7, tandis que l'entrée négative de l'amplificateur A2 est connectée à la sortie du circuit formée par la connexion de la résistance R6 et du condensateur C6, par une résistance R8. Les sorties du circuit ainsi constitué sont connectées aux entrées d'un comparateur Cp dont la sortie est reliée à une boucle de compensation de décalage BCD. La sortie de la boucle BCD commande les interrupteurs supplémentaires 131 à I3M et 141, 14M Aux entrées de l'amplificateur A2 sont appliqués les courants (n-k-(N+M)/2) I et -(n-k-(N+M)/2)I. Dans les résistances R7 et R8 qui sont de même valeur, circulent respectivement les courants (n-k (N+M)/2)I et -(n-k-(N+M)/2)I. Sur la sortie négative de l'amplificateur supplémentaire A4 apparaît une tension V- = V, - R(n-k-(N+M)/2)I Sur la sortie formée par la connexion de la résistance R6 et du condensateur C6 apparaît une tension V+ = V, + R(n-k-(N+M)/2)I On dispose donc à la sortie du circuit d'une tension Vdiff = V+ - V-. L'adjonction d'un comparateur et d'un circuit de commande permet d'utiliser le convertisseur numériqueanalogique auxiliaire pour un auto-étalonnage de la tension de décalage du système comprenant le convertisseur numérique-analogique principal plus le filtre. REVENDICATIONS 1. Convertisseur numérique-analogique, caractérisé en ce qu'il comprend des sources de courant (S1 à SN) associées chacune à un commutateur (I11,I21, ... I1N,I2N) de liaison de la source de courant à un premier ou à un second puits de courant (P1,P2) et un amplificateur différentiel (A2) destiné à convertir la différence entre les courants délivrés par des sources (S1 à SN) qui sont rendues actives par le signal numérique à convertir et les courants absorbés par les puits (P1,P2) en une tension différentielle liée au signal numérique précité, les premier et second puits de courant (P1,P2) absorbant une valeur constante du courant délivré par les sources respectives, ledit amplificateur différentiel-différentiel (A2) formant un filtre temporel actif dont la tension de sortie forme le signal analogique généré par le convertisseur. 2. Convertisseur numérique-analogique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un amplificateur (A3) de commande de mode à deux entrées différentielles connectées chacune entre respectivement les premières et secondes bornes des commutateurs (I11, I1N--- ... I21, I2N) et une tension (V,,,,) de mode commun et dont la sortie commande le signal de polarisation des puits de courant ( P1, P2 3. Convertisseur numérique-analogique suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des puits de courant supplémentaires (P11, P1M) connectés entre les jonctions des commutateurs (I11, I21,...I21, I,) d'une part, et à la masse par l'intermédiaire de commuta-N teurs supplémentaires (I31 à I3MT 141 à I4M) commandés par un code numérique de décalage (k), les puits de courant supplémentaires et leurs commutateurs associés formant un convertisseur numérique-analogique auxiliaire de compensation de tension de décalage. 4. Convertisseur numérique-analogique suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de comparaison des signaux de sortie de l'amplificateur différentiel-différentiel (A2) et des moyens (BDC) de compensation de décalage délivrant des signaux de commande des commutateurs supplémentaires (I31 à I3MT I41 à 14M) du convertisseur numérique-analogique auxiliaire. 5. Convertisseur numérique-analogique suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre connecté aux sorties de l'amplificateur différentiel-diffrentiel (A2), un amplificateur différentiel-différentiel supplémentaire (A4) dont la sortie négative est connectée à l'entrée positive par une résistance (R5) et un condensateur (C5) en parallèle et dont la sortie positive est connectée à une borne d'un condensateur (C6) et d'une résistance (R6), l'entrée négative dudit amplificateur différentiel-différentiel supplémentaire (A4) étant connectée à l'autre borne de la résistance (R6) du condensateur (C6) branchés en parallèle, la sortie négative de l'amplificateur différentiel-différentiel supplémentaire (A4) et la connexion de la résistance (R6) et du condensateur (C6) opposée à l'entrée négative dudit amplificateur différentiel-différentiel supplémentaire (A4) formant les sorties dudit convertisseur numérique-analogique et en ce que des résistances (R7,R8) sont respectivement connectées entre les entrées positive et négative de 1 'amplificateur différentiel-différentiel (A2), la sortie négative de l'amplificateur différentieldifférentiel supplémentaire (A4) d'une part, et la connexion de la résistance (R6) et du condensateur (C6) connectés à l'entrée négative de l'amplificateur différentiel-différentiel supplémentaire (A4) d'autre part.