Impact du bruit d'alimentation sur la précision de conditionnement des signaux

Dans les systèmes électroniques modernes, le conditionnement des signaux est le pont critique entre les sorties brutes des capteurs et les données fiables et propres que les microcontrôleurs et les processeurs numériques doivent analyser et prendre de façon précise. Les circuits de conditionnement des signaux – amplificateurs, filtres, convertisseurs analogiques à numériques (CDA) et références de tension – sont conçus pour traiter les signaux analogiques de faible niveau avec une grande précision. Pourtant, même la chaîne de conditionnement la plus soigneusement conçue peut être sabotée silencieusement par le bruit sur les rails d'alimentation.

Qu'est-ce que le bruit d'alimentation?

Le bruit d'alimentation comprend tout composant AC non désiré superposé à la tension ou au courant CC prévu livré à un circuit. Il peut apparaître comme ondulation périodique, fluctuations aléatoires (bruit) ou pics transitoires.

  • Les régulateurs de commutation:[ Les convertisseurs de commutation (bouc, boost, flyback) génèrent des ondulations à la fréquence de commutation et à ses harmoniques.
  • Perte transitoire:[ Des changements rapides dans le tirage du courant (p. ex. lorsqu'un processeur numérique se réveille du sommeil) provoquent des inclinaisons ou des dépassements de tension dus à la bande passante finie de la boucle et à l'impédance de sortie de l'alimentation.
  • Interruption électromagnétique (IME):[ Les champs externes provenant de moteurs, de radios ou de bus numériques à proximité induisent des courants et des tensions sur les traces d'alimentation.
  • Loops rondes:[ Les différences de potentiel de sol entre les sous-systèmes créent des courants circulants qui se manifestent par le bruit sur les lignes d'alimentation et de signal.
  • Le bruit inhérent des régulateurs linéaires:[ Même les régulateurs à faible écoulement (LDO) contribuent au bruit thermique et au bruit de tir, bien qu'à des niveaux beaucoup plus bas que les commutateurs.

Pour le conditionnement de précision des signaux, le rapport de rejet de l'alimentation électrique (RSAP) de chaque composant détermine la quantité de bruit d'alimentation réellement présent à la sortie. Le SRAP est fonction de la fréquence, il se déroule à des fréquences plus élevées, ce qui rend le bruit à haute vitesse particulièrement problématique.

Comment l'alimentation électrique le bruit dégrade la performance de conditionnement du signal

Les circuits de conditionnement de signaux supposent une source d'énergie idéale et silencieuse. Toute déviation de cet idéal corrompt directement le chemin du signal. Les effets sont à la fois subtils et sévères:

Réduction de la résolution efficace des CAD

Si le bruit d'alimentation se combine à la référence ou au circuit d'échantillonnage, il apparaît comme des erreurs de code et un plancher de bruit accru, convertissant ainsi une partie de la gamme dynamique d'ADC en bits inutilisables. Pour un ADC de 16 bits, même quelques millivolts d'ondulation d'alimentation peuvent réduire le nombre effectif de bits (ENOB) d'un ou plusieurs bits, transformant une partie haute résolution en un module médiocre. L'impact est pire pour les convertisseurs de registres d'approximation successifs (SAR), sensibles aux transitoires pendant la phase de conversion, et pour les modulateurs sigma-delta qui intègrent le bruit sur une large bande passante.

Distorsion dans les circuits d'amplificateurs opérationnels

Lorsque le bruit d'alimentation apparaît à l'entrée de l'ampli-op, il est amplifié avec le signal désiré. Pour les circuits à gain élevé (p. ex., un gain de 1000), même un bruit d'alimentation de 1 μV, mentionné à l'entrée, devient une erreur de 1 mV à la sortie, plus qu'assez pour saturer un ADC ou masquer un signal de capteur de 1 mV. De plus, le bruit d'alimentation peut causer un mélange non linéaire (distorsion d'intermodulation) lorsque l'ampli-op conduit de grands signaux, créant des harmoniques qui ne peuvent être filtrées.

Plancher de bruit accru et portée dynamique réduite

Pour les mesures sensibles – comme les signaux de jauge de contrainte, de thermocouple ou de photodiode – le plancher de bruit détermine le signal détectable minimum. Si l'alimentation injecte 10 μV de bruit dans une trajectoire de signal de 1 V, le rapport signal-bruit (SNR) baisse de façon spectaculaire, rendant les signaux faibles indistincts du bruit. Ceci est particulièrement problématique dans l'instrumentation médicale, le pesage de précision et la surveillance sismique.

Erreurs dans les références de tension et de courant

Les références de précision sont conçues pour être à l'abri des variations d'approvisionnement, mais aucune référence n'est parfaite. Le Ripple sur l'entrée de la plupart des références de série sera atténué par le PSRR de la référence elle-même, généralement de 60 dB à 100 dB à DC, mais en tombant à 30 dB ou moins au-dessus de 10 kHz. Dans les références de bandegap, le bruit d'approvisionnement peut moduler l'inadéquation de tension de base-émateur, entraînant dérive et inexactitudes.

Dégradation de la réponse active au filtre

Les filtres actifs (par exemple, Sallen-Key, plusieurs rétroactions) dépendent d'amplis op dont le gain et la réponse de phase sont affectés par la tension d'alimentation. Le bruit sur l'alimentation peut déplacer la fréquence de coupure du filtre, augmenter l'onduleur de bande passante et dégrader le rejet du bouchon.

Stratégies d'atténuation : Meilleures pratiques pour une alimentation propre en conditionnement des signaux

Bien que l'élimination complète du bruit d'alimentation électrique soit impossible, une conception soignée peut réduire son impact à des niveaux négligeables.

1. Choisissez la bonne topologie de l'alimentation électrique

Pour les phases analogiques sensibles, les régulateurs linéaires (LDO) sont généralement préférés aux régulateurs de commutation en raison de leur ondulation et bruit de sortie beaucoup plus faibles. Les régulateurs linéaires modernes (par exemple, l'ADM7150 des appareils analogiques ou l'ATL3045 de la technologie linéaire) produisent un bruit de sortie inférieur à 1 μV RMS sur une large bande passante. Cependant, les régulateurs linéaires sont inefficaces lorsque des baisses de tension importantes sont nécessaires. Dans les systèmes à signal mixte ou à batterie, une approche en deux étapes fonctionne : un prérégulateur de commutation suivi d'un LDO. Le commutateur descend efficacement la tension et le LDO nettoie l'ondulation. Il faut veiller à localiser l'ODL près de la charge analogique et à utiliser un filtrage d'entrée approprié (par exemple, une perle ferrite et un condensateur) entre l'interrupteur et l'ODL.

2. Capacitateurs de découplage et de contournement

Chaque composant actif du circuit de conditionnement du signal doit être muni de condensateurs de découplage locaux le plus près possible de sa puissance et de ses broches au sol. La combinaison classique d'une céramique de 0,1 μF pour le contournement à haute fréquence et d'un électrolytique ou céramique de 10 μF (ou plus) pour le découplage en vrac est un bon point de départ, mais les valeurs et types doivent être choisis en fonction du spectre sonore. Pour un découplage efficace au-dessus de 100 MHz, utiliser 10 nF ou même 1 nF en 0402 ou 0201 pour minimiser l'induction parasitaire.

3. Mise en place et mise à la terre prudentes des BPC

Un plan sol solide est le fondement d'un design analogique à faible bruit. Les fractionnements dans le plan sol sous des circuits analogiques à haute vitesse créent des discontinuités de trajectoire de retour qui rayonnent et qui font du bruit. N'utilisez que des plans sol analogiques et numériques séparés si nécessaire, et connectez-les en un seul point sous la section ADC ou à faible bruit.

4. Filtrage d'entrée et de sortie

Les filtres à CL (p. ex. un inducteur de 10 μH avec un condensateur de 10 μF) à la sortie d'un régulateur de commutation peuvent atténuer les ondulations de 40 dB ou plus. Les billes de ferrite sont efficaces pour supprimer le bruit à haute fréquence (1 MHz à 100+ MHz) sans dissiper la puissance en courant continu, les placer en série avec des traces de puissance alimentant des stades analogiques.

5. Bouclier et disposition pour l'immunité EMI

Le bruit d'alimentation peut également s'associer à des circuits de conditionnement de signaux par des champs électriques et magnétiques irradiés. Le blindage de toute la section analogique avec un métal peut être relié au plan de masse réduit le couplage capacitif. Gardez la puissance et les traces de signal courtes et directes.

6. Utilisation des techniques d ' isolement

Dans les systèmes où le circuit de conditionnement du signal doit être isolé galvaniquement d'un système numérique bruyant (p. ex., dans les moteurs ou la surveillance du patient), utiliser des convertisseurs DC-DC isolés avec faible capacité d'accouplement et une immunité transitoire à mode commun élevée (ICMT). Suivez le convertisseur avec un DL et un filtrage supplémentaire sur le côté isolé.

Exemple pratique : Puissance de nettoyage pour un système d'acquisition de données de précision

Considérez une chaîne de conditionnement de signal comprenant un amplificateur d'instrumentation stabilisé par hélico (INA188) et une référence de 2,5 V (REF5025). Si l'alimentation analogique (+5 V) provient d'un régulateur de commutation avec une ondulation de 20 mV de crête à crête à 500 kHz, la PSRR de l'INA188 à 500 kHz n'est généralement que de 40 dB, ce qui signifie que 200 μV de l'ondulation apparaissent à la sortie – dix fois plus grande que le signal désiré. L'ajout d'un régulateur linéaire (LT3045) après que le régulateur de commutation a réduit le bruit de sortie à 0,8 μV RMS. Le découplage céramique (10 μF + 0,1 μF) à chaque épingle d'alimentation IC= et un inducteur de 10 μH + 10 μF à la sortie de l'ODD amène le bruit d'alimentation à sous le bruit de quantification ADC=1.

Sélection des composants avec rejet d'alimentation élevée

Pour les apps, recherchez des pièces avec PSRR > 100 dB à DC et > 60 dB à 100 kHz (p. ex. OPA827, ADA4077). Pour les apps, choisissez des appareils avec des broches d'alimentation analogiques et numériques distinctes et des PSRR élevés sur l'entrée de référence. Pour les références, considérez les références de chasse (p. ex. LT6655) qui ont intrinsèquement plus de PSRR que les séries supérieures à 10 kHz. Compte tenu toujours du fait que PSRR se dégrade avec fréquence et que l'offre peut contenir des harmoniques haute fréquence mal rejetées.

Références externes

Pour plus de détails sur l'analyse et l'atténuation du bruit de l'alimentation électrique, consultez ces ressources faisant autorité :

  • AN-1227: Alimentation en courant bruit et conditionnement du signal — Note d'application des appareils analogiques qui fournit une plongée profonde dans les spécifications de bruit et les techniques de mesure. Lire la suite.
  • Conception d'alimentation à faible bruit pour systèmes analogiques de précision[ — Tutoriel de Texas Instruments couvrant la sélection, le filtrage et les meilleures pratiques de mise en page. Télécharger PDF.
  • Ratio de rejet de l'alimentation (RRFP) des amplificateurs opérationnels — Article détaillé sur la façon d'interpréter et d'utiliser les spécifications du RRFP des appareils analogiques. Voir l'article.
  • Découplage de la sélection et du positionnement des condensateurs — Un guide pratique de Rohm Semiconductor qui explique comment les parasites du condensateur affectent l'efficacité du découplage. En savoir plus.

Conclusion

Le bruit d'alimentation n'est pas seulement une nuisance, mais il est une limitation fondamentale de la précision des systèmes de conditionnement des signaux. De la réduction de la résolution ADC à la distorsion des sorties de l'amplificateur et à la corruption des références de tension, le bruit sur les rails de puissance sape toute la chaîne de mesure. Heureusement, avec une sélection topologique soignée, un découplage approprié, une disposition des PCB réfléchie et une sélection des composants qui tient compte de la PSRR sur la fréquence, les ingénieurs peuvent supprimer le bruit d'alimentation à des niveaux inférieurs au plancher sonore du système.