- Les appareils alimentées par batterie exigent une gestion fine de leur consommation.
- Analog Devices explique pourquoi un compromis entre économie d’énergie et précision n’est pas nécessaire.
- En utilisant correctement la broche de désactivation (Disable pin) d’un amplificateur, Analog Devices explique à travers cette note d’application comment réduire la consommation d’énergie sans compromettre les performances.
Auteur : Thomas Tzscheetzsch, responsable des ingénieurs d’application terrain pour l’Europe centrale, Analog Devices.
Certains amplificateurs opérationnels disposent d’une broche de désactivation (« disable pin ») qui, lorsqu’elle est utilisée correctement, permet de réaliser jusqu’à 99% d’économie d’énergie sans compromettre le niveau de précision. Cette broche est principalement utilisée en mode opératoire statique (veille), où tous les circuits intégrés sont commutés sur un état « basse consommation », sans que le système soit utilisé pour le traitement du signal. Cette approche réduit la consommation d’énergie de plusieurs ordres de grandeur.
Pour remplir sa fonction, un amplificateur opérationnel utilisé en tant qu’amplificateur tampon (« buffer amplifier ») d’un convertisseur analogique/numérique (figure 1) doit être actif. Toutefois, la consommation d’énergie peut être maintenue à un niveau peu élevé si l’ampli est commuté en mode « power-down » au moyen de la broche Disable. De manière générale, le mode « power-down » est utilisé lorsque le convertisseur analogique/numérique n’est pas amené à lire de nouvelles valeurs dans son échantillonneur-bloqueur (S&H).
Figure 1. Synoptique de l’étage d’entrée d’un convertisseur analogique/numérique (ADC) avec circuit de commande de convertisseur et tampon de référence.
Le moyen le plus simple de mettre ce schéma en œuvre consiste à utiliser la commande de démarrage (start) de la conversion. Dans un convertisseur analogique/numérique standard, le condensateur d’entrée (échantillonneur/bloqueur) est tout d’abord chargé sur la valeur à mesurer et ce, jusqu’à ce que le signal soit envoyé au convertisseur analogique/numérique pour conversion. Le condensateur d’entrée est ensuite isolé et raccordé aux entrées de l’étage de conversion, c’est-à-dire au moment où la conversion débute. Une fois la conversion terminée, un signal fini est fixé, lequel varie en fonction du type de convertisseur. Se pose à présent la véritable question : à quel moment l’amplificateur opérationnel doit-il être actif ? En fait, pour garantir que le condensateur d’entrée interne utilise la même valeur que le signal à mesurer, l’ampli-op doit être actif suffisamment longtemps en amont du signal de démarrage de la conversion. Le délai varie en fonction de facteurs tels que la taille du condensateur d’entrée, le niveau de la tension à mesurer ou la vitesse à laquelle l’ampli-op peut attaquer une charge capacitive.
La fiche technique de notre convertisseur analogique/numérique AD7980 spécifie une valeur de 30 pF pour la capacité d’entrée en série avec une impédance de 400 Ω. Mais avec l’amplificateur opérationnel, ce n’est pas aussi simple. Une charge capacitive de 15 pF est indiquée dans la table des paramètres, mais il est possible de faire davantage, comme le montre la figure 2 ci-dessous. Le filtre passe-bas à 2,7 nF et 20 Ω doit également être pris en compte.
Figure 2. Réponse en fréquence de l’amplificateur ADA4807
Ce schéma montre que le module peut attaquer des charges capacitives suffisamment élevées. Après une désactivation, environ 500 ns sont nécessaires à l’amplificateur pour s’établir au niveau de sortie maximum, qui est dans notre cas de 5 V ou 4,096 V.
Pour des raisons de sécurité, nous suivons l’hypothèse selon laquelle l’amplificateur est activé 750 ns avant le début de la conversion. Les données extrapolées pour 1 kéch/s et 1 Méch/s sont comparées.
Le gain potentiel est compris entre 99,83 % (consommation totale de 0,02 mW) à la fréquence d’échantillonnage de 1 kéch/s et 92,41 % (consommation totale de 10,75 mW) à 1 Méch/s. Il s’agit uniquement des gains réalisés grâce au circuit de commande du convertisseur analogique/numérique, et il convient de préciser que le tampon de référence présente également des économies potentielles.
Cet exemple montre ce dont les composants modernes sont capables. À la vitesse d’échantillonnage minimale de 500 ns, l’écart du rapport SINAD (signal+bruit+distorsion) était inférieur à 0,5 dB. Dans le cas du circuit de commande, il convient de se concentrer sur des solutions dérivées plus rapides et de les utiliser en mode dynamique. Nous avons uniquement considéré l’application en tant que tampon (gain = 1). Avec un amplificateur inverseur ou autre, les économies varieront en fonction des conditions opérationnelles. Des mesures devront être effectuées à cet effet.
