SAR – Registre à Approximation Successive : Principe et Fonctionnement

SAR – Registre à Approximation Successive : Principe et Fonctionnement

Aujourd’hui on va découvrir en détail le SAR, ou registre à approximation successive, un composant clé des convertisseurs analogique-numérique (CAN) utilisés dans de nombreux circuits électroniques modernes.

Qu’est-ce qu’un SAR ?

Le SAR (Successive Approximation Register) est un type de convertisseur analogique-numérique (ADC) qui convertit un signal analogique en une valeur numérique en effectuant une série de comparaisons successives. Ce procédé repose sur un registre qui guide les approximations binaires jusqu’à obtenir une représentation numérique précise du signal d’entrée.

Le principe de fonctionnement

Le SAR convertit une tension analogique en une valeur numérique en suivant une méthode itérative :

1. Le registre initialise la valeur numérique à la moitié de sa pleine échelle (par exemple, 1000…0 en binaire).
2. Un DAC interne convertit cette valeur numérique en une tension de comparaison.
3. Cette tension est comparée au signal analogique d’entrée par un comparateur.
4. Si la tension de sortie du DAC est inférieure au signal d’entrée, le bit testé reste à 1 ; sinon, il est mis à 0.
5. Le SAR passe au bit suivant et répète le processus, ajustant la valeur approximative jusqu’à ce que tous les bits soient déterminés.

Cette méthode permet de converger rapidement vers une valeur numérique précise, avec un compromis efficace entre vitesse et précision.

Architecture d’un SAR ADC

• Comparateur : élément clé qui compare la tension analogique d’entrée à la tension issue du DAC.
• DAC (Digital-to-Analog Converter) : transforme la valeur numérique actuelle du registre en tension analogique pour la comparaison.
• Registre à Approximation Successive : mémorise et ajuste les bits successifs selon les résultats des comparaisons.
• Contrôleur de séquence : gère l’enchaînement des étapes pour chaque bit.

Avantages du SAR

• Bonne rapidité : le SAR peut atteindre des taux d’échantillonnage moyens à élevés, adaptés à de nombreuses applications.
• Efficacité énergétique : par rapport aux ADC flash, le SAR consomme moins d’énergie.
• Précision : grâce à une méthode binaire successive, la précision est souvent excellente, surtout pour des résolutions de 8 à 16 bits.
• Complexité modérée : l’architecture reste simple comparée à d’autres types d’ADC plus rapides.

Limites et contraintes

• La vitesse maximale est limitée par la rapidité du comparateur et du DAC.
• La précision dépend de la qualité du DAC interne et du bruit du comparateur.
• Des problèmes comme les décalages et les non-linéarités peuvent affecter les mesures, nécessitant des calibrages.

Exemple simplifié d’opération d’un SAR 4 bits

Supposons que le signal d’entrée soit une tension analogique correspondant à environ 9 sur une échelle 0-15 (4 bits) :

1. Initialisation du SAR : 1000 (valeur 8)
2. Comparaison : 8 < 9, on garde le bit à 1.
3. Test du bit suivant : SAR teste le bit 2 (0100), valeur candidate 1100 (12) > 9, bit remis à 0 → SAR = 1000
4. Test du bit suivant : bit 1 (0010), 1000 + 0010 = 1010 (10) > 9, bit remis à 0 → SAR = 1000
5. Test du bit final : bit 0 (0001), 1000 + 0001 = 1001 (9) = 9, bit gardé à 1 → SAR = 1001

Le SAR a convergé vers la valeur 9, qui est la meilleure approximation binaire.

Applications courantes du SAR

• Acquisition de données dans l’électronique embarquée et industrielle.
• Traitement du signal audio et instrumentation.
• Systèmes de contrôle et mesures où le compromis vitesse/consommation est important.

Tableau récapitulatif des caractéristiques du SAR ADC

Le SAR est une solution idéale lorsque l’on cherche un ADC équilibré, rapide et peu gourmand en énergie. Pour approfondir vos connaissances en conversion analogique-numérique, n’hésitez pas à découvrir notre article sur les convertisseurs delta-sigma.