A New ADC topology for reliable conversion in the automotive environment

Analyse d’une nouvelle topologie fiable de convertisseur analogique-numérique pour l’environnement automobile La tendance du secteur automobile à développer des capteurs etactionneurs intelligents, faire cohabiter l’électronique analogique et l’électroniquenumérique devient un art. Placé au sein des actionneurs, pour la sécurité et le confortdes passagers, les convertisseurs analogique-numérique (CAN) sont les composantsclés de ces systèmes intelligents. Un CAN rapide, précis, et peu cher serévèle être un précieux allié pour les équipementiers automobiles. Pour diminuerles coûts, et faciliter l’utilisation de ce bloc, la surface de silicium occupée doit êtreconsidérablement réduite à moins de 0.5mm2. Quant à la précision du convertisseur,12-bits tous les 5 coups d’une horloge de 100 MHz sont nécessaires pour unetempérature de -40°C à 175°C.Ce travail de recherche se focalise sur l’amélioration de l’efficacité énergétiquesous les contraintes que l’environnement automobile représente. Notre principalecontribution réside dans le développement par une approche top-downd’une nouvelle architecture à 3 étages de topologies différentes. Le premier étageest un ΣΔ-Incrémental intrinsèquement linéaire. Le second étage est un algorithmiquepour augmenter rapidement la résolution. Enfin, un SAR accroît la résolutionavec faible consommation de puissance et surface de silicium.Suite à l’analyse de 40 années d’état de l’art, la nouvelle architecture proposéefut validée par vérification des non-linéarités statiques (DNL, INL) à différentsniveaux de modélisation. Commençant par un modèle MATLAB sans leslimitations analogiques, le niveau de modélisation se raffine petit à petit jusqu’auniveau transistor du convertisseur. Un modèle Verilog-A permit la déterminationdes spécifications minimales des briques de base analogiques: les comparateurs etles amplificateurs à transconductance. La sensibilité de ces derniers à la températurefut analysée pour limiter les erreurs commises sur les tensions analogiques.Une fois dessinés et les parasites extraits, les modèles variant avec la températureremplacent leurmodèle Verilog-A respectif afin d’obtenir les performances finales.Parallèlement, deux architectures de comparateurs ont été évaluées en températureau sein d’une première puce de test. Deux méthodes ont été utilisées pour estimerl’offset des comparateurs, et un nouveau circuit asynchrone estime le délai.Une seconde puce de test permet de vérifier la sensibilité du SAR à la températuremalgré un fonctionnement pseudo-asynchrone.Pour les comparateurs, le nouveau circuit de mesure différentielle du retardmontre une précision de 60 ps dans le pire des cas, pour la plus petite surface surpuce connue en considérant la technologie utilisée. Comme la variation du retardest dépendante de la température, le choix d’un Strong-ARM (SA) ou d’un Double-Tail (DT) dépendra du bruit, de la puissance, de la tension d’alimentation, et de laspécification de kickback. Pour une tension d’alimentation standard, les SA comparateursciblent les systèmes à faible consommation avec une tolérance élevéepour le kickback différentiel. Au contraire, les DT comparateurs acceptent uneplage de tension d’alimentation plus faible, et présentent un faible kickback différentiel,mais un bruit plus important. Testé de -40°C à 200°C, le dernier étagedu CAN proposé, n’a pas besoin d’être calibré jusqu’à 180°C. Les résultats encourageantssur cet étage permettent la réutilisation de celui-ci pour calibrer les étagesprécédents. Et pour le CAN, nous estimons une résolution possible de 11,2 bitsen 5 cycles d’horloge par échantillon avec une extension à 13,3 bits en 6 cyclesd’horloge. La surface estimée est de 0,12mm2.La puce de test pour le CAN est en cours de finalisation, une première étapesera sa caractérisation. Les résultats de cette session de mesure détermineront s’ilest possible de pousser l’architecture à des fréquences plus élevées pour ensuitetirer parti du traitement numérique pour conserver les performances.