Brevet FR2005507A1 — publié le 19691212

la présente invention se rapporte, d'une manière générale aux circuits amplificateurs transistorisés et, plus particulièrement, à des circuits de ce type comportant une entrée flottante. Il existe de nombreuses applications pour les amplificateurs 5 transistorisés à entrée flottante et l'on a déjà proposé un certain nombre de montages dans ce domaine# la plupart des amplificateurs de ce type utilisent une entrée différentielle contenant soit une paire de transistors montés différentiellement ou un transformateur ou certains autres dispositifs„ Bien, que ces montages soient géné-10 ralement satisfaisants au point de vue fonctionnelr ils ont l'inconvénient, en règle générale, d'exiger un certain nombre de composants supplémentaires et, par conséquent, de manquer de la simplici té désirable dans de nombreux montages. En. outre, dans les amplifi cateurs de ce type de la technique antérieure, l'entrée n'est pas 15 liée électriquement à la sortie, de sorte que des différences de po tentiel apparaissent entre l'une et l'autre. l'invention vise un amplificateur transistorisé comportant une entrée flottante utilisant une résistance d'entrée® Cette résistan ce d'entrée est connectée à deux transistors de l'amplificateur de 20 telle manière que les potentiels de jonction base»émetteur de ces transistors s'opposent entre eux de part et d'autre de M résistance d'entrée. Il en résulte une chute de tension pratiquement constante voisine de zéro à travers cette résistance d'entrée à tout moment. Il en résulte en outre une élimination de toute tension d'en 25 trée déséquilibrée, en l'absence de charge, ce qui constitue une propriété désirable dans un circuit amplificateur. Le montage de l'amplificateur suivant l'invention est particulièrement utile dans les applications où l'on désire que le potentiel d'entrée suive étroitement le potentiel de sortie. On trouve 30 un exemple d'une telle application dans un accéléromètre à équilibrage de forces où le mouvement de l'un des éléments d'un condensateur différentiel est utilisé pour détecter l'accélération et fournir un signal qui est amplifié et appliqué à une bobine de torsion, la bobine de torsion produit une force qui agit pour ramener l'élé-35 ment mobile à la position de zéro et le courant nécessaire pour assurer ce rétablissement est une mesure de l'accélération contrôlée. Dans cette application, il est désirable d'éviter toute différence bao ORIGNAL 69 09834 2 2005507 de potentiel entre l'élément détecteur du condensateur et la bobine de torsion, étant donné que ceux-ci sont couplés électrostatique-ment par une capacité réparties lorsqu'on utilise 1'amplificateur suivant lfinvention dans cette application, le potentiel de la bo-5 bine de torsion et celui de l'élément du condensateur sont toujours les mêmes du fait que l'entrée et la sortie de l'amplificateur sont liées entre elles de façon rigide® Ceci évite des erreurs de linéarité dues à des forces électrostatiques associées à une différence de potentiel entre l'élément détecteur du condensateur et la bobine ÎQ de torsion. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a, notamment, pour objet de créer un amplificateur à entrés flottante : - dans lequel le potentiel d8entrée suit le potentiel de sortie; 15 - ne nécessitant pas l'utilisation d*éléments différentiels; - comprenant une résistance d'entrée, aux bornes de laquelle règne une tension sensiblement constante et voisine de zéro, de manière à réduire ou même à éliminer toute tension d'entrée déséquilibrée; 20 - fiable, robuste et utilisant un nombre minimal de composants. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillé© qui suit et à l'examen du dessin joint, qui en représente à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation. Sur ce dessin : 25 la figure 1 est un schéma de câblage simplifié du mode de réa lisation préféré de l'amplificateur suivant 1*lavention; la figure 2 est un schéma de câblage simplifié du circuit équivalent de 1'amplificateur de la figure 1, et la figure 3 est un schéma de câblage simplifié de l'amplifica-30 teur de la figure î utilisé dans un ensemble à aecéléromètre à équilibrage de forces. Comme on peut le voir sur la figure 1,1'amplificateur suivant l'invention comprend une résistance d'entrée 11 également désignée par , connectée aux transistors de l'amplificateur de façon que 35 la- tension régnant à ses bornes soit maintenue à une valeur constante voisine de zéro. Les trar-^ietors de l'amplificateur sont i-dentifiés par les références 12, 1;, 14, lesdits transistors com- bad original * 69 09834 3 2005507 portant des émetteurs respectifs 12a, 13a, 14a, des bases respectives 12b, 13b, 14b et des collecteurs respectifs 12c, 13c, 14c» Le collecteur 13c est connecté à l'émetteur 14a, par l'intermédiaire d'une résistance 16 également désignée par Deux diodes 5 17a sont montées entre la jonction du collecteur 13c avec la résistance 16, et la base 14b du transistor 14, une résistance 19, également désignée par est montée entre la base 14b et le collecteur 14c et celui-ci est connecté à une borne 21 représentant une source de tension +V. 10 Une résistance de charge 22, également désignée par est connectée, par l'une de ses bornes, à l'émetteur 14a, et par son autre borne, par l'intermédiaire d'une résistance de réaction 24, également désignée par Rj, , à la borne inférieure de la résistance d'entrée 11. Deux bornes de sortie 25 sont respectivement branchées 15 aux extrémités de la résistance de charge 22. L'amplificateur reçoit une entrée convenable sur deux bornes d'entrée 26 et cette entrée peut provenir d'une source de courant représentée par la source 27 qui fournit un courant 1^ à l'entrée de l'amplificateur. Selon une variante, l'entrée peut être une 20 source de tension connectée aux bornes d'entrée 26, par l'intermédiaire d'une résistance série. Le fonctionnement de ce montage sera plus facile à comprendre si l'on tient compte des considérations ci-après« On peut voir d'après la figure 1 que la résistance d'entrée 11 est montée entre la 25 base 12b du transistor 12 et l'émetteur 14a du transistor 14 et que l'émetteur 12a est connecté à la base 14b. En conséquence, les potentiels de jonction base-émetteur des transistors 12, 14 sont appliqués, en opposition, aux bornes respectives de la résistance 11, de sorte que la tension régnant entre les extrémités de cette résis-30 tance est la différence entre ces potentiels de jonction base-émetteur. Par un choix et par une adaptation convenables des caractéris tiques des transistors 12, 14, on peut rapprocher la tension aux bor nés de la résistance 11 de la valeur idéale de zéro et cette faible valeur est alors maintenue même en présence de variations de tempé-35 rature et malgré l'écoulement du temps. Dans ces conditions, si la source d'entrée flottante est liée à la sortie, la différence de potentiel aux bornes de la résistance 11 est très faible et idéalement 69 09834 4 2005507 nulle en raison des effets d'annulation mutuelle des potentiels de jonction base-émetteur des transistors 12, 14. Dans ces conditions, le courant d'entrée"I passe à travers la résistance de réaction 24 et non à travers la résistance d'entrée 5 11» Ceci peut être démontré mathématiquement en considérant le circuit équivalent de la figure 2, On a : ^ = , 4VB1 = a(Vo-Vi) , = où. AVi est la tension apparaissant aux bornes de R^ en réponse au courant I et Ao, le gain de tension en boucle ouverte du circuit D 10 = ^ ~ Ao^ ' ^VB1 *** Aïïo pour Ao > 40 ou 50. I „ = - ^°B" 7s& - pour Ao grand. ||2= -Ef ! 1I( ^ AIg si AVo- AVb, ÙYo p Âï~ = _Rf s On voit donc que la tension de sortie est proportionnelle au 15 courant d'entrée et peut être exprimée par le produit du courant d'entrée par la valeur ohmique de la résistance de réaction. Pour mieux comprendre le fonctionnement du montage, on supposera que la source de courant 27 injecte un courant dans le noeud constitué par la jonction entre la résistance 11, la résistance 24 20 et la base 12b du transistor 120 Etant donné que celui-ci n'a pas un gain infini, une petite fraction du courant I engendré par la S source 27 est nécessairement injectée dans la base 12b. Cette élévation du courant de base entraîne celle du courant du collecteur du transistor 12, l'importance de cette élévation étant déterminée 25 par le gain d'émetteur commun du transistor 12, couramment désigné par |3o On voit aisément que le courant du collecteur du transistor 12 est le courant d'excitation de base du transistor 13» de sorte qu' 69 09834 5 2005507 me élévation du courant de base du transistor 12 se traduit par. me élévation correspondante du courant du collecteur du transistor 12 qui produit à son tour me élévation du même ordre du courant de base du transistor 13o A son tour, cette élévation du courant de 5 base du transistor 13 produit me élévation correspondante du courant du collecteur de ce transistor» Le courant du collecteur du transistor 13 passe à la fois à travers la résistance 16 et les diodes 17a et produit me chute de tension sensiblement constante à travers la résistance 16 pour la 10 raison suivante» Cette chut© de tension à traders la résistance 13 est égale à la chute de tension à travers les diodes î?a moins le potentiel de jonction base-émetteur du transistor 14o Par un cMz convenable des diodes 17a et ê.n transistor Î4» on peut rendre la chuta de tension à travers IHae âss diodes égal© au potentiel cLa 15 jonction base-émetteur du transistor 14, de sorte cp.e la chute ds tension résultante à travers la résistance t6 est alors égale à la chute de tension à travers 1'autre diode. Selon une variante, oa pourrait adopter me unique diode provoquant me chute de tension double du potentiel de jonction Base-émetteur du transistor 14» de 20 sorte que la chute de tension à travers la résistance 16. serait a-lors la moitié de la chute d@ tension à travers la diode unique® En conséquence, la chute de tension à travers la résistance 16 reste sensiblement constante et si 1© courant du collecteur du transistor 13 vient à varier9 cett© variation cfe courant se répercute 25 presqu'entièrement à travers les diodes Î7a et non à travers la résistance 16. Si le gain d'intensité du transistor 14 est raisonnablement grand, comme c'est généralement le cas avec les transistors actuels, cette variation du courant du collecteur du transistor 13 se répercute presqu'entièrement dans la résistance 19. Dans ces 30 conditions, la résistance 19 représente essentiellement l'impédance de charge du collecteur du transistor 13. Si d'autres termes, toute différence de tension apparaissant à la sortie du transistor 14, c'est-à-dire sur son émetteur» est sensiblement égale au produit de la variation du courant de collecteur du transistor 13 par la va-35 leur ohmique de la résistance 19o En présence de cette situation, il est possible de brancher la résistance de charge 22 entre l'émetteur 14a et la masse sans que cela ait beaucoup d'effet sur le gain 69 09834 6 2005507 de l'amplificateur» O'est-à-dire que. quelle que soit la valeur de la résistance de charge 22 (entre des lisait es- pratiques) , l'impédance de charge du transistor 15 reste sensiblement égale à l'impédance de la résistance 19» Ceci permet d'obter-ir tan gain de ten-5 sion élevé de l'amplificateur avec une résistance de charge relativement faiblea Bans un exemple pratique» la résistance de charge 22 peut avoir une valeur de 3000 ohms et la résistance 19» une valeur de 20 000 ohms. A propos de ce qui précède, il est important de réaliser le 10 montage de telle façon que le courant essentiellement constant passant dans la résistance 16 soit plus intense nue le courant maximal traversant la résistance de charge 22 lorsque la sortie de l'amplificateur est connectée» Si ee facteur ngest pas observé et si le courant passant dans la résistance de charge 22 pour une sortie né-15 gatiTe de 15amplificateur est plus intense que le courant passant dans la résistance 16f celui-ci tend à croître et-, par conséquent, à bloquer le transistor 14® Ceci aurait pour effet indésirable que le transistor 13 ne "considérerait" plus la résistance t9 comme sa charge de collecteur, mais bien la résistance 220 20 Gomme indiqué ci-dessus, l'amplificateur suivant l'invention est particulièrement propre à être utilisé d?ns im ensemble à accé-léromètre à équilibrages de forces et un tel ensemble est représenté s chématiquement sur la figure 5o II comprend un condensateur différentiel comportant une paire de plaques ©sisrieurës 31a et taxe 25 plaque centrale ou commune 31h0 la plaque 31b est fixée de façon rigide à l'élément transducteur mobile5 qui serait un élément sis-raique dans le cas d'un aecéléromètre à équilibrage de forces® De l'énergie est fournie au condensateur à partir ciHm oscillateur haute-fréquence 32 par 1 ,internrédiair© d'un. tra^foimateur 33 et de 30 redresseurs 34» Les variations de la position de 1*élément mobile produisent des variations dans la sorti© du condensateur et ce signal est amplifié dans l'amplificateur suivant 1'invention et appliqué à une bobine de torsion 36c Le courant traversant la bobine de torsion 36 tend à ramener 1*élément mobile à ss position de zéro et 35 le courant-nécessaire, dans la bobine 36» pour produire ce rétablissement, est une mesure de l'accélération qu'a subie l'élément mobile, Four éviter l'utilisation de r-# s sorts en épingle à cheveux sup- bad original 69 09834 7 2005507 plémentaires, le mécanisme transducteur est conçu de telle façon que la plaque centrale 31b du condensateur soit couplée électrostatique-ment à la bobine de torsion 36 par une capacité répartie représentée par le condensateur 38 et la ligne en trait interrompu reliant la 5 plaque 31b à la bobine 36. S'il existait des différences de potentiel importantes entre le condensateur d1entrée et la bobine de torsion au moment où celle-ci se déplace par rapport à la terre, de telles différences pourraient produire des erreurs de linéarité graves dues aux forces électrostatiques impliquées» 10 Or, lorsqu'on utilise l'amplificateur suivant l'invention,dont l'entrée flottante est liée à la sortie, le condensateur différentiel est asservi électrostatiquement à la bobine de torsion, ce qui empêche l'apparition de différences de potentiel entre ces deux organes, différences qui pourraient produire des erreurs de linéari- On voit que l'amplificateur suivant l'invention est capable de maintenir son entrée liée à sa sortie ce qui a notamment, pour effet qu'aucun signal n'apparaît pratiquement aux bornes de la résistance d'entrée en l'absence de signal d'entrée, ce qui élimine tou-20 te tension de déséquilibre sur l'entrée» A titre d'exemple, et sans limiter pour autant le domaine de l'invention, on a trouvé qu'un amplificateur tel que représenté sur la figure 1 construit avec les composants indiqués ci-après fonctionne d'une manière extrêmement satisfaisante. 25 Transistor 12 —2N2605 —3000 ohms Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit; elle est susceptible de nombreuses variantes, selon les applications envisagées, sans qu'on s'écarte pour cela du 35 domaine de l'invention. 15 Transistors 13, 14 Diodes 17a » et R2 —20.000 ohms —150 ohms —Imégohm --2N2484 —1N4148 30 69 09834 8 2005507 REVEHDICATIONS 1 - Un amplificateur transistorisé comprenant une paire de bornes d'entrée et une paire de bornes de sortie, une résistance d'entrée montée entre lesdites bornes d'entrée, un premier transistor 5 d'un premier type de conductibilité dont la base est couplée avec l'un des côtés de cette résistance d'entrée, un second transistor d'un autre type de conductibilité dont l'émetteur est connecté à l'autre côté de ladite résistance et à l'une des bornes de sortie et dont la base est directement couplée, avec l'émetteur du premier 10 transistor, moyennant quoi les potentiels de jonction base-émetteur desdits transistors sont appliqués en opposition aux bornes respectives de l^résistancë d'entrée, et une résistance de charge couplée entre les bornes de sortie» 2 - XJn amplificateur transistorisé suivant la revendication 1, 15 comprenant en outre une résistance de réaction couplant le premier côté mentionné de la résistance d'entrée à l'autre borne de sortie.» 3 - Un amplificateur transistorisé suivant la revendication 2, comprenant en outre un troisième transistor monté entre le collecteur du premier et le second» 20 4 - Un amplificateur transistorisé suivant la revendication 3, dans lequel la base du troisième transistor est connectée au collecteur du premier, une troisième résistance étant montée entre le collecteur du troisième transistor et l'émetteur du second, une source de tension constante étant montée entre le collecteur du 2§ troisième transistor et la base du second, et une quatrième résistance étant montée entre la base et le collecteur du second transistor, moyennant quoi la tension aux bornes de la résistance d'entrée est maintenue sensiblement constante et grâce à quoi la quatrième résistance apparaît comme la charge du troisième transistor. 30 5 - Un amplificateur transistorisé suivant la revendication 4, dans lequel la source de tension constante comprend une ou plusieurs diodes. 6 - Un amplificateur transistorisé suivant la revendication 5» comprenant une paire de diodes, aux bornes de chacune desquelles rè-35 gne une tension constante sensiblement égale au potentiel de jonction base-émetteur du second transistor, grâce à quoi la chute de tension à travers la troisième résistance est sensiblement égale à la tension aux bornes de l'une desdites diodes.