Brevet FR2785474A1 — publié le 20000505

La présente invention concerne un convertisseur analogique/numérique asynchrone à la fois rapide, de grande précision et d'encombrement réduit. Les convertisseurs analogique/numérique actuellement disponibles sont soit rapides et de faible résolution, soit précis mais très lents. Les différentes méthodes utilisées pour obtenir simultanément ces deux qualités (précision et rapidité) se traduisent toujours par une complexité et un encombrement plus grands, très souvent impossible à réaliser. Par ailleurs tous ces convertisseurs analogique/numérique sont synchrones, c'est-a-dire qu'ils fonctionnent avec une fréquence d'échantillonnage fixée par l'utilisateur, ce qui ne contribue pas à réduire leur consommation. Le convertisseur analogique/numérique selon l'invention permet de remédier à tous ces problèmes en conjuguant rapidité et précision sans augmenter la complexité du circuit, tout en étant asynchrone. En effet, pour un convertisseur n bits, elle ne nécessite que n comparateurs, n-1 amplificateurs différentiels analogiques et n-1 interrupteurs. Aucun autre élément n'est nécessaire si ce n'est une (et une seule) tension de référence, les valeurs numériques étant directement disponibles à la sortie des n comparateurs. Son fonctionnement est le suivant : le signal analogique vin à convertir est comparé à la moitié de la tension de référence (la valeur maximale de vin) vref/2 à l'aide du ler comparateur. Si vin (valeur de son alimentation négative), ce qui ouvre le premier interrupteur, mettant ainsi à la masse l'entrée-du premier amplificateur différentiel tandis que son entrée + est connectée en permanence à vin, qui se retrouve par conséquent à la sortie de l'amplificateur différentiel. Si vin > vref/2 la sortie du comparateur passe à 1 (valeur de l'alimentation positive), fermant ainsi l'interrupteur en connectant l'entrée -de l'amplificateur différentiel à vref/2. Dans les deux cas la sortie du comparateur donne la valeur exacte du bit n (bit de poids fort) et le signal issu de la sortie de l'amplificateur différentiel (supposé de gain unité) est un signal de n-1 bits qui doit normalement tre comparé avec vref/2**2 selon la mme technique que précédemment afin d'extraire le bit n-1. On évite cela en donnant à l'amplificateur différentiel (donc à chaque amplificateur différentiel) un gain égal à 2, ce qui permet d'utiliser la mme tension vref/2. Le processus se répète ainsi jusqu'au bit de poids faible (BIT 0) avec la mme tension de référence vref/2. Toutes ces opérations étant effectuées de façon purement analogique, le convertisseur analogique/numérique selon l'invention est très rapide et sa vitesse n'est limitée que par la bande passante des différents éléments analogiques utilisés. Réalisée dans une technologie appropriée elle peut permettre d'atteindre des vitesses de conversion de plusieurs dizaines de MHz voire de quelques centaines de MHz et mme plus. Par ailleurs, avec les technologies micro-électroniques actuelles et à venir, on peut facilement obtenir des précisions de l'ordre de 20 bits et plus tout en maintenant des vitesses de conversion citées ci-dessus. Il est clair que ce convertisseur est totalement asynchrone, c'est-à-dire que la conversion n'a lieu que si le signal analogique vin a varié d'une valeur supérieure à sa résolution (égale à vref/2**n). Ce qui évite l'utilisation de circuits échantillonneurbloqueurs et de génération d'horloge internes ou externes, et contribue à la réduction de la consommation du système où il est implanté. Selon des modes particuliers de réalisation : -un circuit échantillonneur-bloqueur peut tre ajouté à l'entrée du convertisseur analogique/numérique selon l'invention afin de rendre celui-ci synchrone. -afin d'avoir un convertisseur analogique/numérique le plus simple possible, on peut utiliser le mme bloc de circuit (comparateur, interrupteur, amplificateur différentiel) pour obtenir successivement les n bits en commençant par le bit de poids fort. Le fonctionnement étant synchrone, avec une vitesse de conversion n fois plus faible que celui obtenu en synchrone avec les n blocs au complet. -Un circuit numérique de conversion série/parallèle peut tre ajouté à la sortie du convertisseur analogique/numérique sériel ci-dessus décrit. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente un convertisseur 4 bits selon l'invention. La figure 2 représente une variante de ce mme convertisseur 4 bits. En référence à ces dessins, le circuit comprend 4 comparateurs (1), (5), (8) et (11) ; 3 interrupteurs (2), (6), (9) ; 3 amplificateurs différentiels (3), (7), (10) ; et une source de tension (4). Le signal analogique à convertir est appliqué à centrée + de l'amplificateur différentiel (3) et comparé à la valeur vref/2 de la source de tension (4) grâce au comparateur (1) qui délivre en sortie le bit de poids fort (BIT3). L'amplificateur différentiel (3) délivre en sortie soit 2*vin soit 2* (vin-vref/2) selon la valeur de BIT3 (qui ouvre ou ferme l'interrupteur (2)). La sortie de (3) est à son tour appliquée à l'entrée + de (7) et comparé de la mme façon à (4) grâce à (5) dont la sortie est le bit 2 (BIT2). De mme, la sortie de (7) est comparée à (4) grâce à (8) qui fournit en sortie le bit 1 (BIT1). Enfin, le bit 0 (bit de poids faible=BITO) est fourni par le comparateur (11) après comparaison de la sortie de (10) avec (4). Dans la forme de réalisation selon la figure 2, un seul comparateur (1), un seul amplificateur différentiel (3) et deux interrupteurs (2) et (12) sont utilisés. Par contre, 2 échantillonneurs-bloqueurs (13) et (14) sont nécessaires. Le premier (13) échantillonne et maintient le signal analogique à convertir à la fréquence d'échantillonnage choisie fe. Pendant cette période de maintien, l'échantillonneur-bloqueur (14) échantillonne et maintient le signal issu de l'amplificateur différentiel (3) n fois (pour un convertisseur n bits). Enfin, l'interrupteur (12) commandé par une horloge synchrone et complémentaire de celle qui commande (14) ré-injecte le signal échantillonné par (14) à l'entrée + de (3). Ainsi, pendant toute la période de maintien de (13) les n bits (pour un convertisseur n bits) du signal échantillonné par fe seront sortis en série du comparateur (1), le bit de poids fort en premier et le bit de poids faible en dernier. Il est clair que les deux horloges (15) et (17) cadençant les deux échantillonneurs-bloqueurs (13) et (14) et celle (16) qui pilote l'interrupteur (12) doivent absolument tre disjointes (jamais au niveau actif en mme temps). Selon une variante non représentée un circuit numérique de conversion série/parallèle (registre à décalage) peut tre ajouté à la sortie du convertisseur analogique/numérique sériel ci-dessus décrit afin d'obtenir une sortie parallèle des valeurs numériques ainsi obtenues. Le convertisseur analogique/numérique selon l'inventionl est particulièrement destiné aux applications large bande, grande précision et faible consommation d'une part, et aux systèmes sur puce (intégration micro-électronique) d'autre part. REVENDICATIONS 1) Convertisseur analogique/numérique rapide, de grande précision et de faible encombrement, et totalement asynchrone caractérisé en ce qu'il comporte, pour une résolution de n bits, n comparateurs ( (1), (5), (8) et (11) pour la version 4 bits) ; n-1 interrupteurs ( (2), (6) et (9) pour la version 4 bits) ; n-1 amplificateurs différentiels de gain 2 ( (3), (7) et (10) pour la version 4 bits) ; et une source de tension de référence (4) de valeur égale à la moitié de la valeur maximale du signal analogique à convertir. 2) Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un circuit échantillonneur-bloqueur est ajouté à son entrée afin d'obtenir un fonctionnement synchrone. 3) Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il ne comporte qu'un seul comparateur (1), un seul amplificateur différentiel de gain 2 (3), deux interrupteurs (2) et (12) et deux échantillonneurs-bloqueurs (13) et (14), permettant d'obtenir une précision arbitrairement élevée au prix d'une réduction proportionnelle de la rapidité, et fonctionnant de manière synchrone avec unencombrement faible et constant. Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 3 caractérisé par l'ajout d'un circuit numérique de conversion série/parallèle à la sortie du comparateur (1).