Brevet FR2009428A1 — publié le 19700206

T 2009428 La présente invention se rapporte à un quadripôle actif, et plus particulièrement à un quadripôle actif et à des combinaisons de tels quadripôles pour réaliser des composants à caractéristiques prescrites arbitrairement. 5 Un problème fondamental a été posé en électronique à la fois par l'absence de dispositifs ou composants susceptibles d'accomplir une fonction voulue et par l'absence de dispositifs ou composants appropriés pour une fonction ou utilisation voulue. Par exemple, un problème fondamental qui s'est posé jusqu'à présent résidait dans 10 l'utilisation d'une résistance, self, ou condensateur non linéaire présentant une caractéristique tension-courant(V-I) prescrite, une caractéristique flux magnétique-courant prescrite, ou une carac téristique charge-tension (Q-V) prescrite. En outre, de nombreux problèmes se sont posés en ce qui concerne des circuits intégrés, par 15 exemple celui de la nécessité de circuits pratiques sans inductance. Ces problèmes et d'autres problèmes non résolus ont rendu nécessaire la recherche de nouveaux éléments d'assemblage permettant la réalisation de composants ou dispositifs présentant les caractéristiques voulues tout en étant cependant propres à être employés de la manière 20 envisagée. L'utilisation très répandue d'ordinateurs dans l'analyse de réseaux, les problèmes d'optimisation et les progrès considérables réalisés dans la technologie des circuits imprimés au cours des dernières années ont supprimé et introduit de nouvelles exigences concernant 25 les circuits qui étaient considérées jusqu'à présent comme purement théoriques. Dans le cas ou l'on utilise des ordinateurs, par exemple, il est maintenant possible de spécifier une série de fonctions voulues de réseaux, et de laisser l'ordinateur choisir les valeurs optimales d'une série de résistances linéaires, de selfs linéaires, de condensa— 30 teurs linéaires de manière que les écarts des caractéristiques des réseaux résultants par rapport aux caractéristiques spécifiées voulues soient réduits au minimum. Toutefois, étant donné les possibilités limitées de tels éléments linéaires, le réseau linéaire optimum résultant peut être loin d'être satisfaisant, étant donné que les écarts 35 peuvent être encore importants. Dans ces conditions, il est nécessaire d'élargir la classe d'éléments de réseaux permis de façon qu'elle englobe les résistances non linéaires, les selfs non linéaires et les condensateurs non linéaires. Puisque la catégorie des éléments linéaires est une subdivision de cette classe plus générale, il est clair 40 que le réseau optimisé doit être au moins aussi bon que ceux de la 69 17260 2 2009428 catégorie des éléments linéaires, sinon meilleur. En d'autres termes, étant donné deux réseaux présentant la même topologie , un choix optimum d'éléments non linéaires surpasse en général un choix optimum d'éléments linéaires. Réciproquement, étant donné deux ré-5 seaux pour accomplir des fonctions identiques (dont l'un utilise des éléments non linéaires et dont l'autre utilise seulement des éléments linéaires), la -variante non linéaire doit, en général, nécessiter un nombre plus petit d'éléments de réseau. Puisque les éléments non linéaires qui existent sous leur for-10 me naturelle présentent des courbes caractéristiques déterminées par les propriétés physiques de matières composant les éléments, il faut s1attendre à ce que les courbes caractéristiques I-V, -I et Q-V nécessitée^ par un ' réseau optimum," ne soient pas susceptibles d'être obtenues au moyen-de disposi— 15 tifs ou composants disponibles dans le commerceo Par suite, avant qu'on puisse réaliser un réseau non linéaire optimum, il est nécessaire de faire la synthèse d'une résistance non linéaire d'une self non linéaire ou d'un condensateur non linéaire présentant une courbe caractéristique I-V, -I ou Q-V prescrite en 20 utilisant seulement les composants disponibles dans le commerce sous forme d'éléments composites. Ce problème fondamental est souvent désigné "par problème de réalisation d*éléments non linéaires." Avant le développement de circuits intégrés, le problème de la réalisation d'éléments non linéaires était plutôt théorique, étant 25 donné qu'il était difficile de combiner de nombreux éléments distincts sans introduire des parasites excessifs. En outre, puisque des éléments actifs sont habituellement nécessaires, l'énergie dissipée peut être prohibitive. Même si ces difficultés peuvent être surmontées, les dimensions de l'élément 69 17260 3 2009428 posant actuellement dans le domaine de 1*électronique par l'introduction de quadripôles linéaires actifs et de combinaisons de ceux-ci inconnus jusqu'à présent. Grâce à l'utilisation de ces quadripôles ou éléments de réseaux 5 prescrits, on peut réaliser des composants non linéaires qui ne pouvaient pas être obtenus jusqu'à présent. Ii'invent ion a donc pour objets des quadripôles linéaires actifs et des combinaisons de tels quadripôles qui n'étaient pas disponibles jusqu'à présent, ainsi qu'un dispositif de multiplication séparée 10 d'échelle de représentation graphique pour "dilater" et "comprimer" la courbe caractéristique de n'importe quel dipôle suivant un ou les axes de coordonnées prédéterminés sans modifier la forme de la courbe^ Selon une particularité essentielle du quadripôle linéaire actif selon l'invention comprenant une paire de bornes d'entrée, une 15 paire de bornes de sortie, pas plus que deux sources commandées et un ensemble de circuits de synthèse connecte aux sources commandées et aux bornes, la courbe donnée représentative d'un composant non linéaire préalablement choisi, branchée entre les bornes d'entrée est transformée, par multiplication par un facteur constant de ses coordonnées 20 suivant un de ses axes de coordonnées, en uns. courbe caractéristique représentant le composant aux bornes de sortie du quadripôle. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif, 25 des formes de réalisations conformes à l'invention : Sur ces dessins : - les parties A, B et C de la figure 1 sont des tableaux donnant une caractérisation et des schémas de réalisations de dispositifs de multiplication d'échelle de représentation graphique ; 30 - la figure 2 est]^schéma d'un dispositif de multiplication séparée de d'une échelle représentation graphique d'une tension; - la figure 3 est un schéma d'un dispositif de multiplication de 1' échelle de représentation graphique d'un courant\ -les figures4 à 7 sont des représentations graphiques illustrant des 35 modifications, par multiplication d'échelle , de la courbe I-V d'une résistance non linéaire par un dispositif de multiplication de l'échelle de représentation des tensions, par un dispositif de multiplication de l'échelle de représentation du courant* et par un dispositif de multiplication de l'échelle figure 4 étant la courbe earae~ 40 téristique I-V de la- résistance non linéaire, 69 17260 4 2009428 la figure 5 étant la courbe caractéristique I-V de la résistance résultante pour laquelle la tension finale est égale au double de la valeur initiale, la figure 6 représentant la courbe I-V de la résistance résultante 5 lorsque le courant est égal, au double de la valeur initiale, et la figure 7 représentant la courbe caractéristique I-V de la résistance résultante pour laquelle la tension et le courant ont tous deux des valeurs égales aux doubles des valeurs initiales respectivement. Les figures 8 à 11 sont des représentations graphiques illus-10 trant des multiplications séparées d'échelle de la courbe caractéristique^ -I d'une self non linéaire par un dispositif de multiplication, d'échelle de représentation du courant I, par un dispositif de multiplication d'échelle de représentation de la tension V et par un dispositif de modification de l'échelle P, 15 - la figure 8 représentant la courbe caractéristique d'une self non linéaire, - la figure 9 représentant la courbe Cf,I caractéristique de la self résultante pour laquelle le courant est égal au double de la valeur initiale, 20 - la figure 10 représentant la courbe^6-1 caractérisant la self résultante pour laquelle le flux est égal au double de la valeur initiale et - la figure 11 représentant la courbe caractéristique -I de la self résultante pour laquelle le courant et le flux présentent 25 tous deux des valeurs égales aux doubles des valeurs initiales respectives; - les figures 12 à 15 sont des représentations graphiques illustrant des modifications, par multiplication d'échelle, de la courbe Q-V d'un condensateur non linéaire par un dispositif de multiplication 30 de l'échelle de représentation de la tension V, par un dispositif de multiplication de l'échelle de représentation du courant I, et par un. dispositif de multiplication de l'échelle de puissance P, -la figure 12 représentant la courbe caractéristique Q-V d'un condensateur cité non linéaire p, 35 - la figure 13 représentant la courbe caractéristique Q-V de la capacité résultante pour laquelle la tension est égale au double de la valeur initiale, - la figure 14 représentant la courbe caractéristique Q-V de la capacité résultante pour laquelle la charge est égale au double de la 40 valeur initiale et .. - 69 17260 5 2009428 - la figure 15 représentant la courbe caractéristique Q-V de la capacité résultante pour laquelle la tension et la charge sont toutes deux égales aux valeurs initiales. Les courants, tensions et puissances maximum de la plupart des 5 dispositifs semi-conducteurs ou électroniques sont habituellement limités par certaines propriétés physiques des matières. Par exemple, par suite de l'effet tunnel, une diode à effet tunnel est, par inhérence, un dispositif à "basse tension. Il serait donc aussi utile de trouver une méthode pratique pour ramener le courant, la tension ou 10 la puissance d'un composant ou dispositif, par multiplication par un facteur,dans une gamme prescrite de valeur quelconque. Ceci peut être accompli au moyen d'un quadripôle qui sera décrit ci-après et qui sera appelé organe ou dispositif de multiplication d'échelle de représentation graphique. Il existe trois types de dispositifs de 15 multiplication d'échelle de représentation graphique à savoir : un dispositif de multiplication d'échelle de tension, un dispositif de multiplication d'échelle de courant et un dispositif de multiplication d'échelle de puissance. Les symboles et matrices de transfert représentatifs de ces trois éléments sont donnés sur la figure 1. 20 On peut montrer facilement qu'un dispositif de multiplication d'échelle de tension multiplie aussi l'échelle des flux et qu'un dispositif de multiplication d'échelle de courant multiplie aussi l'échelle de représentation des charges, par suite, des dispositifs de multiplications d'échelle de représentation graphique peuvent être aussi 25 utilisées pour modifier,par multiplication d'échelle, la courbe caque Q-V d'un condensateur. On peut réaliser un dispositif de multiplication d'échelle de tension, de courant ou de puissance au moyen d'une source commandée 30 ou de deux sources commandées. Plusieurs schémas de réalisation fondamentaux pour chaque type de dispositif de multiplication d'échelle de représentation graphique sont représentés sur la figure 1. On remarquera que la connexion en cascade d'un dispositif de multiplication d'échelle de tension avec un dispositif de multiplication 35 d'échelle de courant produit un dispositif de multiplication d'échelle de puissance. Deux montages pratiques pour réaliser les dispositifs de multiplication d'échelle de tension ou de courant sont représentés sur les figures 2 et 3. . .• . 40 tioa graphique ont été conçus et construits et, pour démontrer d'une self . ou la courbe caractéristi- Plusieurs circuits de multiplication d'échelle,de représenta- 69 17260 6 2009428 10 15 20 25 30 35 40 l'effet exercé par le dispositif de multiplication d'échelle srœ-la courbe caractéristique 1-7 d'une résistance non linéaire; des graphiques représentant des tracés obtenus à l'oscilloscope sont représentés sur les figures 4- 5, 6 et 7. Ces courbes expérimentales tracées illustrent une multiplication de l'échelle de tension (figure 5), une multiplication d'échelle de courant (figure 6) -une multiplication d'échelle de puissance (figure 7). Pour vérifier l'opération de modification d'échelle effectuée sur la courbe (p -I d'une self J, on choisit un échantillon approprié, et on obtient tin échantillon approprié en connectant une résistance non linéaire à la paire de bornes 2 d'un convertisseur L-R. La courbe caractéristique ÇÙ -I et les courbes résultant de multiplications d'échelle correspondantes sont représentées sur les figures 8, 9, 10 et 11. De même, on branche une résistance non linë= aire aux bornes d'un convertisseur C-R de façon à obtenir une box-ns courbe caractéristique Q-V échantillon. Les opérations de multiplication d'échelle résultantes sont illustrées par les tracés à l'oscilloscope des figures 12, 13, 14 et 15. Un dispositif de multiplication d'échelle de représentation graphique est, par définition, un élément à largeur de bande infinie. Toutefois, les caractéristiques en fréquence de dispositifs pratiques de multiplication d'échelle de représentation ^rranhique sont limitées par les caractéristiques en fréquence des éléments actifs contenus dans le dispositif de multiplication d'échelle de représentation graphique. Il va de soi que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre indicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. Légende de dessins £ mauba—e»m_»i .JIM»I—iu».uw—n.mTST-.j»i3eaai»=rmrtTx.-> Fig. 1 Repères { AA ÂB Caractérisation et schéma de réalisation de dispos!-tifs de multiplication d'échelle de représentation graphique. Schémas de réalisation utilisant des sources commandées. Symboles et caractérisation. Dispositif de multiplication de l'échelle de cc-c---.---Dispositif de multiplication de l'échelle de teztsxeii '» Dispositif de multiplication de l'échelle de puissance P. Schéma de réalisation,» 69 17260 2009428 Fig. 2 15 Repères AH AI AJ 10 4,5,6,7 20 8,9,10,11 25 12,13,14,15 {M AP AQ 'ar AS AT V. 30 Légende des dessins Forme de réalisation pratique d'un dispositif de multiplication de l'échelle/tension. Forme de réalisation pratique d'un dispositif de multiplication de l'échelle de tension. Formes de réalisation pratiques d'un dispositif de multiplication d'échelle de tension et d'un dispositif de multiplication d'échelle de courant. Echelle verticale : I = 2 m A par division Echelle horizontale : V = 2,5 volts par division. Tracés à l'oscilloscope vérifiant la modification, par multiplication d'échelle, de la courbe I-V.d'une résistance, non linéaire par un dispositif de multiplication d'échelle V par un dispositif de multiplication de l'échelle I et par un dispositif de multiplication de l'échelle P. Echelle verticale i (J}= 1 microweher tour par division. Echelle horizontale : I = 1 m A par division. Tracés à l'oscilloscope illustrant ces modifications par multiplication d'échelle, de la courbe ^-1 d'une self non linéaire respectivement par des dispositifs de multiplications des échelles respectives I, V et P. Echelle verticale t (D = 1 microcoulomb par division Echelle horizontale : V = 1 volt par division Tracés à lloscilloscope montrant les modifications, par multiplication d'échelle, de la courbe ^ -V d'une capacité non linéaire respectivement par des dispositifs de multiplication d'échelle V, I et P. 69 17260 8 2009428 REVENDICATIONS 1- Quadripôle linéaire actif, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de bornes d*entrée, une paire de bornes de sortie»pas plus que deux sources commandées, et un ensemble de circuits de synthèse 5 connecté aux sources commandées et aux bornes, de telle sorte qu'un composant non linéaire préalablement choisi, présentant une courbe caractéristique représentative donnée, connecté aux bornes d'entrée, donne lieu, aux bornes de sortie du quadripôle, à un composant dont la courbe caractéristique résulte de la multiplication par un fac-10 teur constant des valeurs portées suivant l'un des axes de coordonnées sur une échelle de représentation de la courbe caractéristique. 2- Quadripôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source commandée et l'ensemble de circuits de synthèse ne présentent pas d'inductance, de sorte que le quadripôle satisfait aux 15 conditions imposées aux circuits intégrés; 3- Quadripôle, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de bornes d'entrée auxquelles doit être connecté un composant ayant une courbe caractéristique spécifiée, des bornes de sortie et un ensemble de circuits ne comprenant pas plus que deux sources commandées, 20 pour multiplier par un facteur constant les valeurs portées sur une échelle de représentation graphique de la courbe caractéristique du composant non linéaire branché aux bornes d'entrée, de façon à obtenir aux bornes de sortie un composant représenté par une courbe caractéristique dont les coordonnées suivant un axe prédéterminé ont 25 subi ladite multiplication par un facteur constant. 4- Quadripôle selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la courbe caractéristique est amenée dans une gamme de valeurs prescrite par compression; 5- Quadripôle selon l'une des revendications 1-3, caractérisé 30 en ce que la courbe caractéristique est dilatée de façon à venir dans une gamme de valeurs prescrite; 6- Quadripôle selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il constitue un dispositif de multiplication par un facteur constant de l'échelle de tension; 35 7- Quadripôle selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de multiplication par un facteur constant de l'échelle ries tensions présente une matrice de transfert donnée par la formule suivante s T = 40 0 0 . % 69 17260 9 2009428 8- Quadripôle selon l'une des revendications 1-3, caractérisé en ce qu'il constitue un dispositif de multiplication par un facteur constant de l'échelle de courant. 9- Quadripôle selon la revendication 8, caractérisé en ce que 5 le dispositif de multiplication par un facteur constant de l'échelle de courant présente une matrice de transfert donnée par la formule suivante : ,u 10 - Quadripôle selon l'une des revendications 1 à 3, caracté risé en ce qu'il constitue un dispositif de multiplication par un facteur constant de la puissance. 11- Quadripôle selon la revendication 10, caractérisé en ce que les dispositifs de multiplication par un facteur constant de la puis-15 sance présente une matrice de transfert donnée par la formule suivante : ~" sé en ce qu'il comprend une seule source commandée» 13- Quadripôle selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux sources commandées. 20 T = K 0 . — v _° kl 12- Quadripôle selon l'une des revendications 1 à 11, caractéri-