Évaluation des convertisseurs analogique numériques pour le

Évaluation des convertisseurs
analogique numériques pour le
secteur automobile
L. CRON1,2 , P. MARIS FERREIRA1 , P. LAUGIER2 , F. VINCI DOS SANTOS3 , P. BENABES1
1 GeePs, UMR CNRS 8507 Département de Systèmes Électroniques – CentraleSupélec Campus Gif
2 Melexis NV, Digital Competence Center – Courbevoie France
3 Équipe Systèmes Analogiques Avancés – CentraleSupélec
E-mail: [email protected]
et article présente une revue des différentes architectures des convertisseurs
analogique/numérique dans le secteur
automobile. Ce secteur mettant l’électronique à rude épreuve en ayant de fortes variations de température et de la tension d’alimentation, il est par conséquent nécessaire
pour les convertisseurs d’avoir une bonne linéarité sur l’ensemble de la plage de températures. Du plus, le coût du composant devant
être le plus bas possible, la surface de silicium utilisée doit être minimisée. Ainsi, l’objectif est de comparer les différentes technologies utilisées pour la conception de circuit en
haute température et de comparer les principales architectures de convertisseurs analogique/numérique du secteur automobile. Et
ceci a pour but de mettre en valeur les architectures permettant de réduire la surface du
die pour un convertisseur de 12 bits effectifs.
C
1 Introduction
Alors que le secteur automobile se concentre autour du service auprès de l’utilisateur, l’électronique
embarquée se trouve de plus en plus proche des actionneurs afin d’accroître la modularité et l’efficacité
de ceux-ci. Que cela soit pour des radars de recul, l’asservissement des actionneurs ou pour des capteurs,
l’utilisation des convertisseurs analogique/numérique
(CAN) est généralisée. De plus, pouvant être utilisés
à coté d’un capteur de température, de pression des
pneumatiques, ou pour des systèmes de sécurité actifs, les performances de ces derniers ne doivent pas
faiblir.
Les performances nécessaires dans un futur proche
imposent d’avoir un convertisseur d’au minimum 12
bits effectifs et 20 Méga-échantillons par seconde avec
un DNL et INL compris entre ± 0,5 LSB.
Son utilisation dans les boucles d’asservissement
impose que les composants soient suffisamment précis, stables et robustes. D’après l’étude de grands
constructeurs automobiles tels que Daimler Chrysler,
General Motors, et Delphi Delco, il est courant que la
température soit supérieure à 125◦ C (allant jusqu’à
200◦ C) [1] ; ce qui contraint fortement la conception
des systèmes électroniques.
En effet, les courants de fuites des transistors augmentent et le bruit en température varie fortement.
De surcroît, la précision ne devient plus seulement
limitée par la fréquence de commutation mais aussi
par la fréquence d’échantillonnage. L’accroissement
du bruit est un facteur limitant pour la résolution. De
plus, l’augmentation de la température augmente les
non-linéarités des transistors ce qui augmente donc
la non-linéarité globale du convertisseur. Ce dernier
point n’étant pas souhaitable pour le feedback d’une
loi de commande nécessitant une réponse linéaire
de la sortie à contrôler fournie par le capteur, ces
non-linéarités doivent à minima se compenser.
À cela s’ajoute que d’un point de vue économique,
la production en masse fait chuter le prix des composants d’une manière drastique. Et par conséquent
la réalisation d’un convertisseur doit coûter le moins
possible en assurant les performances requises. Ainsi,
le choix de la technologie et du type de convertisseur
est primordial pour diminuer la surface de silicium
occupée, ce qui diminue le coût, et pour diminuer
les courants de fuites afin d’améliorer la stabilité en
température.
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2 Les technologies
2.2 Carbure de Silicium - SiC
2.1 Silicium sur Isolant - SOI
Alors que la précédente technologie conserve le
silicium et ne vient ajouter qu’une couche supplémentaire, ici, le matériau utilisé change au profit
d’un semi-conducteur avec une bande interdite plus
large. En effet, le phénomène de courant de fuite
en haute température vient essentiellement du fait
que les niveaux de Fermi se rapprochent. La bande
interdite diminuant, il est plus facile pour les électrons de passer de la bande de valence à la bande
de conduction. De ce fait, une bande interdite plus
large permet donc de garder l’effet semi-conducteur
sur une plage de températures plus importantes.
Bénéficiant d’une conductivité thermique plus importante, un circuit en SiC est moins à même de
souffrir de phénomène lié à l’auto-échauffement 2 .
Concernant son utilisation radiofréquence, l’augmentation de la densité de puissance offerte par le carbure
de silicium permet de diminuer la taille des transistors et donc de diminuer les capacités parasites. Ceci
offre donc la possibilité de diminuer la surface et
d’augmenter la vitesse du circuit. Par l’ajout de carbone au sein du silicium, la conductivité thermique
s’en trouve améliorée, procurant ainsi la possibilité
de diminuer la taille des dissipateurs thermiques sur
les circuits électroniques.
Néanmoins, la production de wafer SiC n’est pas
chose aisée. Bien que Cree, Dow Corning, SiCrystal et d’autres fabricants ont fait d’énormes travaux
pour accroître la taille possible du wafer, le carbure
de silicium ne possède pas de phase liquide. L’accroissement de couche en couche du cristal se fait par
vaporisation à près de 2500◦ C. Ce processus étant
difficile à contrôler, de petites tornades sont dues à
la dislocation du cristal très tôt dans la formation
du wafer, Figure 2. Par conséquent, le prix du circuit
s’en trouve augmenté.
Apparue dans les années 80 pour des applications
militaires rad-hard 1 [2, 3] et pour des applications
VLSI [4], cette technologie est actuellement utilisée
à des fins de concurrencer le silicium traditionnel sur
les applications RF, analogique, ou basse consommation. Le principe sous-jacent est d’isoler le caisson du
substrat par l’ajout d’une couche d’oxyde de silicium.
Cette couche supplémentaire diminue donc les courants de fuites importants en haute température[5],
d’habitude présents avec une technologie silicium
classique. De même, la tension de breakdown est
plus élevée lors de l’utilisation d’une technologie SOI
avec Deep Trench Isolation (DTI) comparée à une
technologie silicium classique. L’isolation par DTI
permet en plus d’éviter le phénomène d’avalanche
latérale en "coupant" le champ électrique accélérant
les électrons[6]. De ce fait, la fiabilité en haute température est accrue et les propriétés du matériau utilisé
restent les mêmes que ceux du silicium. La figure 1
met en valeur les modifications que cela engendre sur
la structure d’un transistor.
Figure 1 – schématique d’une vue en coupe
d’un transistor SOI avec DTI comparé
à un procédé classique
Concernant, les caractéristiques DC d’un transistor SOI le courant maximal en saturation est plus
important. Mais cette technologie présente l’avantage en RF d’avoir le même gain S11 que celui d’un
procédé silicium classique équivalent, et un gain S21
plus important avec la température. Ainsi, un layout
fait pour une technologie silicium s’adapte plus facilement à cette technologie pouvant fonctionner jusqu’à
250◦ C [7].
Enfin, le coût lié à la production de circuit SOI
par rapport à un circuit silicium, se trouve limité car
il suffit juste d’ajouter une couche entre le caisson et
le substrat. Bien évidemment, l’isolant pouvant être
du saphir, de l’air ou du dioxyde de silicium, le prix
au millimètre carré sera différent.
1. résistant aux particules ionisantes
2.3 Silicium Germanium - SiGe
Bien qu’à priori cette technologie soit préférentiellement réservée pour la conception analogique, RF,
et autres applications à ondes sub-millimétriques,
des investigations ont été menées afin d’entrevoir une
possible utilisation en température. D’un point de
vue DC, les performances bien que dégradées sont
similaires à une technologie silicium équivalente à
une température de 300◦ C[8, 9].
Il se trouve que le bruit en 1/f diminue avec la
2. L’auto-échauffement dans un dispositif est l’élévation
de température due à une dissipation locale de puissance qui
entraîne la réduction de la mobilité
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3 Les principales architectures
3.1 Successive Approximation Register
Figure 2 – micropipes devant être éliminés afin
d’accroître le rendement de fabrication et
de faire baisser le coût des circuits
électroniques SiC issue de CREE
température. De plus, en prenant soin de créer un
canal en SiGe enterré dans du silicium, les capacités
de grille diminuent et la mobilité des électrons du
canal est accrue. Il est donc possible de l’utiliser en
RF[10].
Malheureusement, supportant mal les conditions
de stress qui dégradent le matériau, en haute température la fiabilité n’est pas assurée.
Ce type de convertisseur basé sur l’algorithme de
dichotomie, compare la tension d’entrée avec la tension générée par un DAC, le plus souvent capacitif.
En supposant que le switch chargeant une des capacités des DAC est équivalent à un système RC d’ordre
1, la variance du bruit équivaut à kB T /C, où C est
la capacitance de la capacité chargée. Ainsi, cette
équation permet de calculer la capacité minimale
pour réaliser le DAC sachant que l’erreur commise
par le bruit doit être inférieure à la résolution du
convertisseur souhaitée à la plus haute température.
Pour une résolution de 12 bits, la capacité minimale
que l’on peut nommer C0 est de 100fF. En se basant sur le principe de superposition, l’architecture
classique d’un DAC capacitif de N bits donne une
capacité totale de :
CT OT =
N
−1
X
!
i
2
C0
(1)
i=0
2.4 Comparaison des technologies
Par conséquent, en se basant sur les valeurs de
la table 1 et des remarques concernant le coût de
fabrication, il est plus judicieux dans le secteur automobile de s’orienter vers une technologie SOI bien
moins chère présentant des résultats équivalents au
silicium pour une température plus élevée.
Table 1 – propriétés électroniques des matériaux présentés. Pour SiGe les valeurs dépendent de
la concentration de Germanium[10, 11]
Propriété des
matériaux
Bande Interdite [eV]
Champs
critique
[MV/m]
Mobilité [cm2 /V.s]
Vitesse des électrons en saturation
[km/s]
Conductivité thermique [W/cm2 K]
Si/SOI
4H-SiC
SiGe
1,1
0.2/3
3,2
3,5
≈0,83
2,7
1350
10
800
22
1850
-
1,5
5
1,1
Ayant maintenant choisi la technologie SOI afin
de réaliser un convertisseur analogique numérique, la
suite de cet article présente les architectures les plus
utilisées au sein du secteur automobile.
On comprend donc que pour une résolution de
12 bits, la capacité totale CT OT est de 4096 C0 et
pour fonctionner à 175◦ C, CT OT = 409.6pF . Il est
donc nécessaire de réduire la taille de la capacitance
globale pour réduire la surface. Qui plus est, le temps
de chargement du DAC en mode redistribution de
charge limite donc la fréquence d’entrée du signal.
Les deux grandes méthodes pour réduire la taille
du DAC sont split-capacitor et split-junction. Splitcapacitor permet de découper le DAC en deux et
de pondérer l’influence d’un des DAC en ajoutant
une capacité en série du DAC pondéré. La valeur
de la capacité choisie doit être précise pour assurer
un ratio précis [12, 13, 14]. Une dernière variante
consiste à diviser la taille de certaines capacités d’un
facteur p et à les charger à une tension Vref /p au
lieu de Vref . Ainsi, on change le ratio de certaines
capacités et la précision est assurée par la précision
du mismatch entre capacités et la précision de la
génération de la tension [15]. Split-junction, quant
à lui Figure 3, génère la tension de comparaison en
commutant des sections de capacités en parallèle. Il
y a donc plus de switches et de bruit introduit par
eux, mais assure un ratio précis avec moins de pertes
énergétiques possibles lors de la conversion.
Concernant le comparateur générant les bits, deux
paramètres doivent être pris en compte : l’offset du
comparateur et un effet de retour de la tension due
au couplage entre la sortie et les tensions d’entrées.
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Figure 3 – principe d’un junction-splitting DAC
pour un convertisseur SAR [16]
pour le signal d’entrée faible – mais ceci diminue
d’autant le bruit et l’erreur commise par le comparateur donnant les bits–. Il est donc intéressant
de pouvoir appliquer les techniques de modulateurs
à faible OSR (oversampling ratio), dans le secteur
automobile et d’utiliser le résidu du convertisseur
comme signal d’entrée d’un second convertisseur.
Étant donné que la puissance du bruit est diminuée
par le premier étage, les éléments capacitifs du second
étage peuvent être diminués. Cela permet donc de
réduire la surface occupée. En cascadant alors des
étages de convertisseurs Σ∆ d’ordre 1 avec un faible
OSR, les MASH sont donc une option viable.
On s’approche donc des convertisseurs pipelines
dont au moins un des étages est un modulateur Σ∆.
On peut aussi noter que, au cours des 5 dernières
années, très peu de convertisseurs pipelines ont été
publiés pour la haute température.
Ce couplage fait donc fait chuter la tension d’entrée
et déchargent les capacités du DAC.
L’avantage du SAR tient au fait que la précision
du convertisseur vient essentiellement de la précision
du layout du DAC et de la réalisation du comparateur. N’ayant que ces deux composants, le second
avantage est une consommation diminuée puisque
les seuls éléments actifs sont la logique numérique
et le comparateur. Pour limiter les erreurs, de la re- 3.3 Comparaison des architectures
dondance peut être introduite pour limiter l’impact
d’un mauvais bit de sortie du comparateur. Cette
limitation de l’impact vient du fait que le poids de Table 2 – Comparaison des convertisseurs SAR et Σ∆
pour la haute température
chaque bit est ajusté afin que les bits qui suivent
Paramètres
[12] [13] [14] [15] [19]
l’erreur soient prépondérants [17].
Ce type de convertisseur est donc intéressant pour Résolution [bits] 11
11
12
10
diminuer la consommation, et la variabilité due à la OSR
12
12
12
10
625
faible présence d’éléments actifs.
ENOB [bits]
9,7 > 9
12,4
Surface [mm2 ]
2,04 10,2 0,19
0,1
3.2 Convertisseurs Σ∆
Processus [nm]
500 800
28
65
160
Fclock [MHz]
5
0,3 5520 500
75
Parmi les différentes topologies de convertisseur
1
2
INL [LSB]
analogique numérique, seuls les convertisseurs basés
DNL [LSB]
1,2
1
sur la modulation Σ∆ permettent d’atteindre une
grande précision malgré la température. En se basant
sur le principe de sur-échantillonnage et de mise en
forme du bruit, ils sont parfaitement adaptés pour 4 Conclusion
ce genre de situation où le bruit augmente fortement
avec la température. Ils permettent donc de réduire
Après avoir comparé les différentes technologies
les exigences des composants utilisés et de diminuer de fabrication de circuits en haute température, la
le bruit intrinsèque.
solution la plus viable pour le secteur automobile
Le principe de base est de faire l’intégration de la serait une technologie Silicium sur Isolant (SOI). Et
différence entre les bits de sortie et la tension d’en- en passant en revue les principales architectures de
trée afin que la somme des bits de sortie pondérée convertisseur pour les milieux haute température,
équivaille à la tension d’entrée. Ayant un seul inté- le développement d’architecture pipelines nécessite
grateur, l’ordre du modulateur est 1. Avec des ordres d’être développé, et ce, en bénéficiant des atouts des
supérieurs de modulateur, la stabilité doit être étu- convertisseurs Σ∆ et des SAR pour atteindre les
diée. Bien que cela existe [18], il est plus courant de futurs objectifs du milieu des convertisseurs analovoir des modulateurs d’ordre 1 en raison du critère giques numérique automobile.
précédent.
Du fait qu’une résolution importante s’obtient en
La tendance est donc de réaliser un convertisseur
ayant un nombre de coups d’horloge important, le analogique numérique de 12 bits d’ENOB sur l’enprincipal défaut est d’avoir une fréquence maximale semble de la plage de températures avec une bande
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passante de 20MHz. On s’oriente donc vers une archi- [10] C. Weitzel and K. Moore, “Performance compatecture low-osr pour les Σ∆ et SAR pour une faible
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