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ADC SAR vs delta-sigma vs pipeline vs flash : comparaison des architectures

Un convertisseur analogique-numérique (ADC) peut être réalisé de plusieurs façons, et chaque architecture fait un compromis entre vitesse et résolution. Les ADC flash sont les plus rapides, mais sur quelques bits seulement. Les ADC SAR sont petits, peu gourmands et constituent le choix généraliste pour les vitesses moyennes. Les ADC pipeline atteignent des vitesses élevées avec une résolution moyenne à élevée. Les ADC delta-sigma sacrifient la vitesse au profit de la résolution la plus élevée, ce qui est idéal pour l'audio et les capteurs de précision.

CritèreFlashSARPipelineDelta-sigma
Principe de fonctionnementCompare l'entrée à tous les seuils simultanément à l'aide de 2ᴺ − 1 comparateursRecherche dichotomique : un comparateur et un DAC interne déterminent un bit par cycle d'horlogeUne cascade d'étages, chacun résolvant quelques bits et transmettant un résidu amplifié au suivantSuréchantillonne avec un modulateur grossier qui met en forme le bruit, puis un filtre numérique produit la sortie
Résolution typique4 à 8 bits8 à 18 bits8 à 16 bits16 à 24 bits ou plus
Vitesse typiqueLa plus rapide : jusqu'à plusieurs GS/sDe quelques kS/s à quelques dizaines ou centaines de MS/sDe 10 MS/s à quelques centaines de MS/sLa plus lente : jusqu'à environ 1 MS/s
LatenceUn cycle d'horlogeN cycles d'horloge pour N bitsPlusieurs cycles d'horlogeLongue, en raison du filtre numérique
Consommation et surfaceAugmentent rapidement avec la résolution ; encombrant et gourmandTrès faible consommation et petite tailleModérées à élevéesModérées ; le filtre numérique occupe de la surface
Filtre anti-repliementNécessite un filtre raideNécessite un filtre raideNécessite un filtre raideExigences assouplies grâce au suréchantillonnage
Usages typiquesOscilloscopes rapides, récepteurs optiques et sans fil, sous-ADC dans les pipelinesADC de microcontrôleurs, capteurs IoT, acquisition de données généraleSystèmes vidéo, de communication et d'imagerieCodecs audio, balances, mesure de précision

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Flash
Lorsqu'il faut une vitesse extrême sur quelques bits seulement, ou un bloc rapide au sein d'une autre architecture.
SAR
Le choix par défaut pour une vitesse moyenne et une résolution moyenne à élevée, en particulier lorsque la consommation et la taille comptent.
Pipeline
Lorsqu'il faut à la fois une vitesse élevée et une bonne résolution, comme dans les récepteurs vidéo et radio.
Delta-sigma
Lorsque la résolution compte plus que la vitesse : audio, balances et capteurs basse fréquence.

Questions fréquentes

Quelle architecture d'ADC est la plus rapide ?

L'ADC flash. Il compare l'entrée à tous les seuils simultanément et peut atteindre plusieurs gigaéchantillons par seconde, mais avec une résolution de quelques bits seulement.

Pourquoi un ADC delta-sigma est-il si précis ?

Il suréchantillonne avec un modulateur grossier et repousse le bruit de quantification vers les hautes fréquences, où un filtre numérique l'élimine. Cela donne une résolution de 16 à 24 bits à basse vitesse.

Qu'est-ce qu'un ADC SAR ?

Un ADC à approximations successives trouve la valeur d'entrée par recherche dichotomique, à l'aide d'un comparateur et d'un DAC interne, en déterminant un bit par cycle d'horloge. Il est petit, peu gourmand et courant dans les microcontrôleurs.

Pourquoi un ADC flash nécessite-t-il autant de comparateurs ?

Un ADC flash de N bits nécessite 2ᴺ − 1 comparateurs, par exemple 255 pour 8 bits : sa taille et sa consommation augmentent donc rapidement avec la résolution.

Vérifier vos connaissances

Quelle caractéristique d'un CAN de type flash est correcte ?

  1. AIl est rapide car de nombreux comparateurs disposés en parallèle convertissent en une seule fois, mais la taille du circuit augmente fortement avec la résolution
  2. BIl compare bit par bit successivement, ce qui le rend lent mais compact
  3. CIl intègre la tension d'entrée sur une longue durée, ce qui le rend précis mais lent
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Réponse : A. Il est rapide car de nombreux comparateurs disposés en parallèle convertissent en une seule fois, mais la taille du circuit augmente fortement avec la résolution

Le CAN flash compare simultanément l'entrée à tous les seuils au moyen de 2ᴺ−1 comparateurs ; la conversion s'achève en une seule comparaison, ce qui en fait l'architecture la plus rapide (de l'ordre de plusieurs GS/s). En contrepartie, N bits exigent 2ᴺ−1 comparateurs, soit 255 pour 8 bits et 1023 pour 10 bits, d'où une forte hausse de la surface, de la consommation et de la capacité d'entrée. Il est donc utilisé pour des applications très rapides de 6 à 8 bits environ, ainsi que comme sous-bloc des CAN pipeline ou à sous-gammes.

Quel fonctionnement d'un CAN à approximations successives (SAR) est correct ?

  1. AIl intègre la tension d'entrée pendant un temps fixe et mesure le temps de décharge
  2. BEn partant du bit de poids fort, il compare la sortie d'un CNA interne à la tension d'entrée et détermine les bits un par un
  3. CIl obtient une haute résolution par suréchantillonnage et mise en forme du bruit
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Réponse : B. En partant du bit de poids fort, il compare la sortie d'un CNA interne à la tension d'entrée et détermine les bits un par un

Le CAN SAR compare, en partant du bit de poids fort, si l'entrée est supérieure à la sortie du CNA interne, et détermine les bits un par un à la manière d'une recherche dichotomique. Une conversion sur N bits demande N comparaisons et un seul comparateur suffit. Il offre un bon compromis entre vitesse (de quelques kS/s à quelques dizaines de MS/s), précision (8 à 18 bits) et consommation, et domine parmi les CAN intégrés aux microcontrôleurs. L'intégration correspond au CAN double rampe, le suréchantillonnage au CAN ΔΣ.

Quelle caractéristique d'un CAN ΔΣ (delta-sigma) est correcte ?

  1. ALe suréchantillonnage et la mise en forme du bruit permettent d'obtenir facilement une haute résolution
  2. BC'est l'architecture la plus rapide de toutes
  3. CUne conversion sur N bits nécessite 2ᴺ−1 comparateurs
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Réponse : A. Le suréchantillonnage et la mise en forme du bruit permettent d'obtenir facilement une haute résolution

Le CAN ΔΣ échantillonne à une fréquence bien supérieure à la bande du signal (suréchantillonnage), repousse le bruit de quantification vers les hautes fréquences par une boucle de rétroaction (mise en forme du bruit) puis l'élimine par un filtre numérique. Même avec un quantificateur grossier de 1 bit, il atteint plus de 20 bits de résolution aux basses fréquences et dépend peu de la précision des composants analogiques. Il est utilisé en audio, en mesure et pour la lecture de capteurs, mais sa latence élevée le rend peu adapté aux applications rapides.

  1. Combien de comparateurs faut-il pour un CAN flash de 3 bits ?
  2. Combien de comparaisons un CAN SAR de N bits effectue-t-il fondamentalement par conversion ?
  3. Dans un CAN ΔΣ, quel circuit numérique convertit la sortie quantifiée rapide et grossière en données haute résolution à faible fréquence d'échantillonnage ?

Questions d'entraînement sur Conversion A/N et N/A

Termes clés expliqués

CAN à approximations successives (SAR)
CAN qui détermine les bits un par un à partir du bit de poids fort à l'aide d'un CNA interne et d'un comparateur. Bon compromis entre vitesse, précision et consommation.
ADC ΔΣ
ADC qui suréchantillonne à haute fréquence, repousse le bruit de quantification vers les hautes fréquences puis le filtre. Utilisé pour les applications haute résolution comme l'audio et la mesure.
CAN flash
Convertisseur analogique-numérique le plus rapide, comparant l'entrée en une fois à l'aide de nombreux comparateurs. N bits nécessitent 2ᴺ − 1 comparateurs, si bien que le circuit grossit rapidement avec la résolution.
ADC pipeline
Convertisseur A/N qui répartit la conversion sur plusieurs étages travaillant à la chaîne : chaque étage détermine quelques bits et transmet l'erreur résiduelle à l'étage suivant. Allie grande vitesse et résolution moyenne à élevée.

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