Brevet FR2009520A1 — publié le 19700206

i 2009520 La présente invention concerne les circuits amplificateurs à transistors, et plus particulièrement un préamplificateur pour photodiode d'un système de lecture optique. Les circuits préamplificateurs pour photodiodes habituels 5 comprennent par exemple une résistance et une photodiode connectées en diviseur de tension pour que la photodiode répondant à la lumière provoque une variation de la tension du fait de la présence d'un trou ou d'une marque sur une carte lue. Cette variation de la tension produit une variation correspondante de la tension à la sor-10 tie de l'amplificateur pour indiquer la présence du trou ou de la marque sur la carte lue. Cependant, les circuits amplificateurs de ce type antérieur n'assurent pas la compensation pour les variations de la lumière réfléchie par la carte lue, du fait des imperfections dans la matière de la carte, de la sensibilité de la 15 diode, des variations de la température et d'autres imperfections du système provoquant une variation de l'impédance de la photodiode. Dans ces circuits antérieurs, le niveau en courant continu à l'entrée de l'amplificateur varie ainsi entre certaines limites, et cette variation peut être différente d'un amplificateur à un au-20 tre, dans un système particulier de lecture de carte. Par exemple, du fait du vieillissement des photodiodes ou de la présente de poussière sur les photodiodes, il est nécessaire de les réajuster soit en modifiant le diviseur de tension, soit en modifiant autrement le niveau de la tension en courant continu en un point 25 convenable du circuit amplificateur. L'inconvénient de cette nécessité est évident, en particulier dans le cas d'un système comportant de nombreux circuits amplificateurs devant ainsi être ajustés constamment. Un autre type de circuit amplificateur pour photodiode 30 pour la lecture de trous et de marques sur des cartes comporte un couplage du type pour courant alternatif entre la photodiode et l'entrée du circuit amplificateur pour éliminer les variations indésirables indinuées ci-dessus du niveau en courant continu résultant des différents paramètres mentionnés. Cependant, dans ce type 35 de circuit, le condensateur de couplage en courant alternatif est chargé à la valeur moyenne de signaux et,par suite, le signal sortant du condensateur de couplage change pendant le cycle d'une carte. Si la constante de temps du couplage en cour?^ " alternatif 69 17436 2 2009520 est réduite pour différencier efficacement le signal produit par la diode, (avec une charge pour chaque marque de la carte telle que les signaux pour toutes les marques soient égaux) l'amplitude du signal sortant du condensateur varie considérablement ~ d'après la dimension des marques et la vitesse de passage des marques devant la diode. La présente invention a pour objet un préamplificateur de photodiode perfectionné ne nécessitant pas le couplage en courant alternatif. 10 L'invention a aussi pour objet un nouveau préamplifi cateur de photodiode variant constamment pour compenser les variations du niveau de seuil au dispositif de sortie du circuit. De cette façon, pendant l'absence d'un trou ou d'une marque sur une carte lue passant à côté de la photodiode, une compensation à 15 lieu constamment sur la borne d'entrée du circuit vers un niveau constant en courant continu. Ce niveau en courant continu reste constant pour n'importe quelle température donnée, et le mot "constant" signifie la constance par rapport à une tension constante donnée d'une jonction sortante PN qui elle-même dépend de 20 la température. Cependant, comme le niveau de tension de seuil de la jonction PN sortante varie avec la température, la tsision du signal entrant sur les bornes d'entrée varie et maintient une différence de potentiel constante entre les bornes d'entrée et une tension de seuil PN constante du dispositif de sortie. 25 Une caractéristique de la présente invention est un circuit de commande de niveau de référence connecté entre le transistor de commande du préamplificateur et la borne de sortie de celui-ci. Ce circuit de commande établit un niveau par rapport au niveau de seuil fixé de l'amplificateur. Comme le niveau de seuil 30 est fixé, et est égal pour toutes les photodiodes, il est possible d'utiliser pour toutes les diodes du lecteur de cartes une commande commune de niveau de référence. Le circuit de commande de niveau de référence répond aux variations de la conduction d'un transistor de commande pour maintenir un niveau constant detensien en 35 courant continu sur la hoim d'entrée de l'amplificateur pour les variations de la lumière réfléchie par la carte lue, les variations de la sensibilité de la diode et des différences analogues,, 69 17 436 5 2009520 Une autre caractéristique de l'invention est l'utili£ Une autre caractéristique de l'invention est l'utilisation d'un dispositif emmagasineur de charge connecté entre la borne de tension d'alimentation et la borne de sortie de l'amplificateur. Ce dispositif emmagasineur de charge maintient constant. 10 le courant de la photodiode quand celle-ci effectue la lecture d'un trou ou d'une marque sur la carte lue. 'Jr.e autre caractéristique de l'invention est i'utilisation d'un dispositif de réaction régénérateur connecte entre la borne de sortie de l'amplificateur et le transistor de commande. 15 Ce circuit de réaction sert à augmenter les vitesses de commutation des transistors de sortie et de commande et à réduire le rapport sigra .-à-bruit qui existerait sans cette reaction. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plu.1: pari icui ièrement de la description suivante, donnée à titre 20 pie, et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel: La figure unique est le schéma du circuit d'un amplificateur à transistors pour une photodiode selon un mode de mise en oeuvre de 1'invention. D'une façon générale, un circuit amplificateur selon 1?. 25 présente invention comprend des transistors d'entrée et de sertie connectés en série entre les bornes d'entrée et de sortie du circuit, ces transistors répondant aux variations de l'impédance de la photodiode pou." produire un signal sortant binaire. Le cire lit de commande du niveau de référence est connecté entre le 30 transistor de commande et la borne de sortie et répond aux variations indésirables ds la conductivité de la photodiode en produisant un courant de compensation pour la photodiode. Ce courant de compensation maintient le niveau de la tension en courant continu à l'entrée du transistor amplificateur de seuil 10 sensi-^5 blement constant dans une plage large des variations de la lumière, des imperfections des cartes lues, des variations de la sensibilité de la photodiode et de paramètres analogues. Les transistors de sortie et de commande u 1P connectés en cascade base-collecteur entre la borne d'entrée 1- 69 17436 4 2009520 et la borne de sortie 46. Une résistance de charge de collecteur 20 est connectée entre une borne de tension d ' ai imentat ion 22 et la borne de sortie 46 et une résistance de réaction 30 est connectée entre la borne de sortie 46 et la base ou électrode de commande du transistor de commande 12. Les résistances 2c et 28 sent connectées à l'émetteur et au collecteur du transistor 12 et une résistance d'entrée 40 est connectée aux bornes d'entrée 14 et 24 pour égaliser les caractéristiques de la diode 18 ainsi que pour polariser le transistor 3^ à- un courant de collecteur prédéterminé pour lequel le facteur 0 (gain de courant en émetteur à la masse) est élevé. Une photodiode 18 est connectée aux bornes d'entrée 14 et 24 et répond aux variations de la lumiere reçue pour faire varier le niveau de tension sur l'électrode de commande ou base d': transistor de commande 12 et changer ainsi le niveau binaire sur la borne de sortie 46. L'impédance de la photodiode 13 est relativement faible en l'absence d'une marque eu d'ur. trou sur la carte lue et relativement élevée en prér-er-:-? l'un treu ou d'une ~arque absorbant de la lumière. Le circuit de coramande de niveau de référence 16 comprend un premier et un second transistors J2 et 3-- connectés entre l'émetteur ou électrode d'entrée du transistor de commande 12 et la borne d'entrée 14. Une résistance 36 et un condensateur jd sont connectés en parallèle entre l'électrode de commande du trar.sls-to r 3 4 et la borne de tension d'alimentation 22. I:électrode de commande du transistor 32 est connectée au curseur 44 d'un potentiomètre 42. La tension de commande ou de réglage apparaissant sur le curseur 42 détermine la'sensibilité du circuit de la façon décrite en détail ci-après. Pour la lecture de marques sur une carte il est essentiel qu'une haute sensibilité aux variations de la lumière soit disponible afin que le type de marque de la carte r.e représente pas une condition critique. Cette sensibilité élevée ne doit pas provoquer la lecture d'une information fausse. En conséquence, il est nécessaire qu'en l'absence d'une marque sur une carte lue un niveau de tension de sortie soit établi par rapport à un niveau de seuil fixé. La différence entre ce niveau de référence et le seui 1 fixé est inversement proportionnelle à la sensibilité ae 1!amr.:f!ca-teur. En raison de la gra^Ho sensibilité nécessaire, c ai te oii'r"- 69 17436 5 2009520 rence doit être faible, et cela signifie que le circuit devient extrêmement sensible aux variations de la tension de référence. En conséquence, la tension de référence doit être établie et être maintenue pour chaque carte parce que les différences pour différentes cartes, telles que les différences d'intensité lumineuse et autres, provoqueraient autrement des signaux sortants pouvant dépasser le seuil fixé. Quand une carte à lire pénètre dans le lecteur de cartes dont le préamplificateur selon l'invention fait partie, la carte réfléchit de la lumière d'un niveau d'intensité donné vers la photodiode 18. La photodiode 18 est alors conductrice d'un courant d'une valeur donnée et présente une impédance relativement faible en l'absence sur la carte lue d'un trou ou d'une marque pouvant absorber une partie de la lumière réfléchie. Pour certaines variations de la matière de la carte, de la lumière ambiante ou de la sensibilité de la photodiode, la photodiode 18 a tendance à être plus ou moins conductrice et à présenter une impédance différente de celle présentée en l'absence de ces variations. Cependant, conformément à la présente invention, le niveau de la tension à la base du transistor 10 est établi à un niveau de seuil fixé à l'instant de l'entrée de la carte dans le lecteur. Cette stabilisation du niveau de référence est assurée de la façon suivante. En l'absence d'un trou ou d'une marque sur la carte lue, le transistor de commande 12 est normalement conducteur, le signal sur la base du transistor de sortie 10 est au niveau élevé, le transistor de sortie 10 est aussi conducteur et le signal sur la sortie 46 est au niveau le plus bas de ses deux niveaux de tension binaire. Autrement dit, le niveau de tension sur la borne de sortie 46 est égal à la tension collecteur-émetteur du transistor de sortie 10. Il sera supposé maintenant qu'en raison d'une variation de la matière de la carte la photodiode 18 devient plus conductrice et abaisse la tension en courant continu de la borne d'entrée 14 en dessous de la valeur établie précédemment. Cette chute de la tension en courant continu sur la base du transistor de commande 12 tend à augmenter la conduction de ce transistor et à réduire la tension sur l'émetteur du transistor 32 du circuit de commande de niveau de référence 16. Cette action 69 17436 6 2009520 polarise le transistor 32 à la conduction, abaisse la tension de la base du transistor 34 et augmente la conduction de celui-ci. De ce fait, le transistor 34 fournit du courant additionnel à la photodiode 18 et élève la tension sur la borne d'entrée 14 à un 5 niveau juste suffisant pour maintenir l'émetteur du transistor de commande 12 d'un décalage de diode en dessous du potentiel de la base du transistor 32. Ce potentiel de référence peut être typiquement compris entre 1 et 4 V et il établit à travers la résistance 26 une tension provoquant la conduction du tran-10 sistor 32. Comme la tension aux bornes de la résistance 26 est proportionnelle au courant de l'émetteur du transistor de commande 12 et comme la relation entre ce courant de 1'émetteur Ig par rapport au courant du collecteur IQ est donnée par l'équation I = t(i ) ies deux courants I„ et I seront approximati-c l + p e £. c 15 vement égaux pour un transistor 12 à 0 élevé. Le courant du collecteur Ic produit aux bornes de la résistance 28 une tension qui est le seuil fixé considéré ci-dessus (ou là tension de seuil décalée de Vgg du transistor 10. En conséquence, la tension de référence déterminée par la résistance 42 établit sur 20 la base du transistor 10 une tension juste au-dessus de la tension décalée du transistor 10, de la valeur désirée. Quand une marque ou un trou passe devant la photodiode 18, l'impédance de celle-ci augmente et la tension augmente sur la base du transistor de commande 12, ce qui réduit 25 le courant à travers le transistor 12. Quand le courant dans le transistor 12 abaisse le potentiel de la base du transistor de sortie 10 à un point insuffisant pour le maintien de la conduction du transistor de sortie 10, le signal sortant sur la borne 46 passe vers le niveau 5 V de la borne d'alimentation 22. 30 Quand l'impédance de .la photodiode augmente du fait de la détection d'un trou ou d'une marque sur la carte lue, le condensateur accumulateur 38 maintient à travers le transistor 34 un courant pratiquement constant dans la photodiode et ce courant de décharge assure une excursion maximale de la tension sur la 35 base du transistor de commande 12. La résistance 36 connectée directement en parallèle du condensateur 38 sert à la compensation dans le cas d'un 0 extrêmement élevé pour le transistor 34, La décharge du condensateur 38 est nécessaire parce que c'est cette décharge qui maintient le niveau de tension sur la base du 69 17436 7 2009520 transistor 10 quand l'intensité de lumière décroît ou quand la résistance de la diode augmente. Autrement dit; si le 0 du transistor jH (c'est-à-dire le gain en courant) est faible la décharge du condensateur 38 a lieu principalement dans la base 3 du transistor 3^ de la façon décrite ci-dessus. Far contre* si le transistor 34 se trouve être un transistor à £ très élevé ou si le niveau d'intensité lumineuse sur la photodiode ib est extrêmement faible, le condensateur 38 ne se déchargerait pas suffisamment vite après la lecture d'une carte pour être prêt pour 1C la lecture de la carte suivante en l'absence de la résistance 3-: dans le circuit. Autrement dit, le condensateur 38 doit être partiellement déchargé et être prêt pour la carte suivante arrivant dans le lecteur après la lecture d'une carte. Le condensateur 38 maintient le courant de la photodiode pendant les ±i périodes des marques sur la longueur de la carte lue et la constante de temps du condensateur 38 et de la résistance a travers laquelle 11 se décharge est suffisamment longue pour maintenir à travers la photodiode 18 un courant à peu près constant pour la vitesse de carte la plus faible et pour la combinaison de 20 marquage la plus lente. La résistance de réaction 30 connectée entre la borne de sortie 4b et la base du transistor 12 établit un signal de réaction régénératrice au transistor 12 pour la commutation rapide à la conduction et à la non-conduction des transistors 10 25 et 12. Cette réaction positive améliore le fonctionnement du circuit par réduction au minimum des temps de commutation des transistors 10 et 12. Cette régénération assure aussi que le signai à la sortie ne saute pas au niveau élevé et au niveau bas quand le signal est près du niveau de seuil. Le rapport 30 signal à bruit est, par suite, amélioré par cette régénération. une caractéristique importante et nouvelle de la présente invention est la compensation pour la température du transistor de commande 12 par le premier transistor 32 du circuit de commande de niveau de référence 16. Comme les courants 35 de l'émetteur et du collecteur du transistor de commande 12 sont approximativement égaux, la tension sur la base du transistor de serti- 10 e:t établie à une tension référencée à son émetteur, la tension de la Jonction PN émetteur-base du transistor 32 69 17436 8 2009520 compense le décalage de la tension de la jonction PN émetteur-base du transistor 10 pour maintenir constante la tension de la base du transistor 10 en l'absence d'une marque. Comme la tension de seuil établie par la jonction PN du transistor 10 5 décroît avec la température, il en résulte une réduction presque égale de la tension de la Jonction PN du transistor 32. En conséquence, le courant décroît dans l'émetteur du transistor 12 en abaissant ainsi la tension de la base du transistor 10 et en compensant cette variation de la tension de seuil. 1C Comme les variations de la température produisent une variation d'environ 2 mV par degré centigrade des tensions des jonctions PN, la caractéristique de compensation de la température décrite ci-dessus est très importante pour le fonctionnement du circuit entre des températures extrêmes largement différentes. Le cir-15 cuit représenté et décrit ci-dessus a fonctionné d'une façon satisfaisante au cours d'essais entre -5?°^ et +92°C avec une variation négligeable de la sensibilité. Le circuit préamplificateur à photodiode décrit ci-dessus peut ainsi détecter des variations de l'intensité lumi-20 neuse résultantfiar exemple de marques au crayon sur ur.e carte lue pendant le passage de la carte à coté ou devant la photodiode. Cependant, ce circuit araplificateur rejette en même temps les variations d'intensité lumineuse ne pouvant pas être facilement contrôlées, par exemple les variations de la lumière 25 ambiante, les variations du pouvoir réfléchissant des cartes, les variations de la sensibilité de la photodiode dans les tolérances de fabrication, les variations dues au vieillissement, "lfes variations de la température ambiante.- les variations de l'intensité lumineuse en raison du vieillissement de la lampe 30 d'éclairage ou de la poussière et des variations ayant d'autres causes. Des valeurs des éléments d'un circuit construit réellement et essayé avec succès ainsi que le.: tensions utilisées et les caractéristiques des transistors sent données ci-après 35 à. citre d'exemple. 69 17436 9 2009520 Résistances R20 R28 5 RJ>0 R26 R46 R40 1 000 ohms 2 200 " 2 200 000 " 2 700 " 2 200 " 470 " 10 15 Condensateur C38 Tension d'alimentation Tension sur le curseur du potentiomètre 42 Transistors 12 et 34 10 et 32 47 microfarads 5 volts 3 à 5 Type PNP NPN volts Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 69 17436 10 2009520 revendications 1 - Circuit amplificateur caractérisé par un transistor de sortie connecté entre une borne de tension d'alimentation et un point de potentiel de référence et comportant une borne de sortie sur laquelle apparaît un signal à l'un ou l'autre 5 de deux niveaux binaires pour indiquer la présence ou l'absence d'un trou ou d'une marque sur une carte lue, un transistor de commande connecté entre le transistor de sortie et une borne d'entrée et répondant à un changement de la tension à cette borne d'entrée en changeant l'état de conduction du transistor de 10 sortie et un dispositif de commande de niveau de référence connecté entre une électrode du transistor de commande et la borne d'entrée et répondant à une variation de la tension sur cette électrode du transistor de commande en provoquant une variation de décalage de la tension sur le transistor de com-15 mande, cette variation de décalage de la tension maintenant un courant sensiblement constant à travers le transistor de commande 12 et maintenant ainsi un niveau constant de tension en courant continu sur la borne d'entrée 14 par rapport au niveau de tension de seuil du transistor de sortie. 20 2 - Circuit amplificateur selon la revendication 1, caractérisé par un élément de réaction entre la sortie du transistor de sortie et l'entrée du transistor de commande pour fournir au transistor de commande un signal de réaction régénératrice pour provoquer le changement rapide des états de 25 conduction du transistor de commande et du transistor de sortie„ 3 - Circuit amplificateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de commande de niveau de référence comprend un premier transistor connecté S>0 entre un point de tension de référence et le transistor de commande j le niveau de conduction de ce premier transistor étant commandé par la conduction du transistor de commande et un second transistor connecté entre le premier transistor et la borne d'entrée et répondant aux variations de la conduction >5 du premier transistor pour stabiliser le niveau de tension 'ur la borne d'entrée du circuit. 69 17436 ii 2009520 4 - Circuit amplificateur selon la revendication , caractérisé en ce que le dispositif de commande de niveau de référence comprend un condensateur connecté au second transistor de ce dispositif pour fournir à. une photodiode connectée 5 à la borne d'entrée du courant quand 1'impédance de cette photodiode est augmentée du fait de la détection par la photodiode d'un trou ou d'une marque sur une carte lue, le courant de ce condensateur provoquant l'excursion de tension voulue pour provoquer la non-conduction du transistor de commande et 10 du transistor de sortie afin d'établir un niveau de tension binaire élevé sur la borne de sortie. 5 - Circuit amplificateur selon la revendication 4, caractérisé par une résistance connectée en parallèle avec le condensateur entre deux électrodes du second transistor du 15 dispositif de commande du niveau de référence pour établir un circuit de fuite pour le condensateur. 6 - Circuit amplificateur selon l'une des revendications 2, 4 et 5, caractérisé par une première résistance connectée entre la borne de tension d'alimentation et l'élec- 20 trode de sortie du transistor de sortie pour produire sur la borne de sortie des excursions de tension en fonction du courant à travers le transistor de sortie, un dispositif de réaction régénératrice comprenant une seconde résistance constituant une résistance de réaction connectée entre l'électrode de sortie 25 du transistor de sortie et l'électrode de commande du transistor de commande pour appliquer un signal de réaction régénératrice à l'électrode de commande du transistor de commande, une troisième résistance connectée entre l'électrode de sortie du transistor de commande et le point de potentiel de référence JO pour établir un niveau de tension commandant la conduction du transistor de sortie, une quatrième résistance connectée entre l'électrode d'entrée du transistor de commande et la borne de tension d'alimentation, le courant à travers cette quatrième résistance commandant la conduction du premier transistor du 35 dispositif de commande de niveau de référence et une cinquième résistance connectée entre l'électrode de commande du transistor de commande et un point de potentiel de référence, cette cinquième résistance établissant le niveau désiré de l'impédance i'enr.ree du circuit amplificateur. 69 17436 12 2009520 7 - Circuit amplificateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'électrode de commande du premier tran sistor du dispositif de commande du niveau de référence est connectée à un point de potentiel de référence variable pour 5 régler la conductivité du dispositif de commande du niveau de référence et pour régler la sensibilité de l'amplificateur, l'électrode d'entrée et l'électrode de sortie du premier -,ran sistor du dispositif de commande de niveau de référence sont connectées en série entre l'électrode d'encrée du transistor 10 de commande et l'électrode de commande du second transistor du dispositif de commande de niveau de référence et l'électrode d'entrée et l'électrode de sortie du second transistor du dispositif de commande de niveau de référence sont connectées en série entre la borne de tension d'alimentation et la 15 borne d'entrée du circuit pour fournir du courant à travers la borne d'entrée et une photodiode connectée à la borne d'en tree du circuit.