Brevet FR2104817A1 — publié le 19720421

L'invention se rapporte à des perfectionnements aux circuits d'entrée pour instruments électriques et plus précisément à des circuits d'entrée pour des instruments devant fonctionner à des fréquences relativement élevées. On sait que les instruments utilisés pour la mesure des signaux élec-5 triques de fréquence supérieure à 1 MHz, doivent fréquemment être connectés à des sources de signaux dont l'impédance est relativement élevée, supérieure à 50-A. , par exemple. Si 1'instrument en question possède une capacité d'entrée supérieure à quelques picofarads, le signal est alors fortement altéré du fait de la charge amenée par une telle capacité sur la source. Comme la plupart des 10 instruments de ce type (et notamment les oscilloscopes) comportent en outre des circuits d'entrée, ou des atténuateurs, présentant également une capacité notable, il en résulte une accumulation de capacités d'entrée lesquelles peuvent alors atteindre par exemple 20 à 40 picofarads. De plus, lorsque la source n'est pas au voisinage immédiat de l'ins-15 trument, une liaison doit être réalisée au moyen d'un câble ou d'une ligie de transmission. Même si le câble et la source ont des impédances caractéristiques aussi faibles que 50-A. , une capacité d'entrée de 20pF constitue une cause de désadaptation importante pour des fréquences supérieures à 100 MHz et des erreurs s'en suivent. 20 Pour ces raisons, il a été jusqu'à présent habituel soit de réaliser les instruments de mesure de telle sorte que leurs entrées puissent être uniquement connectées à des lignes à basse impédance ce qui est une sérieuse limitation à leur usage, soit de prévoir des amplificateurs-tampons qui normalement possèdent un gain imité et une très faible capacité d'entrée, de manière à ali-25 menter l'entrée de l'instrument dans des conditions acceptables. Quand l'instrument doit pouvoir fonctionner à la fréquence zéro, les caractéristiques de dérive en courant continu de tels amplificateurs doivent alors au moins égaler ou mieux dépasser celles de l'instrument de base. De même leur plage de fonctionnement en fréquence doit alors s'adapter à celle des signaux d'entrée appli-50 qués à l'instrument, ce qui est généralement impossible à réaliser. Quand en outre on exige que l'instrument puisse accepter des signaux d'entrée fournis par des sources à haute impédance il est nécessaire de prévoir des sondes actives, c'est-à-dire des têtes de mesure montées à une extrémité du câble et comportant un amplificateur de gain unité à faible capacité d'entrée 35 et à faible dérive. De plus, afin qu'il n'y est pas de problèmes de réflexions ou de bandes passantes trop limitées associés avec le câble connectant la sortie COPY 71 28015 .2 2104817 d'un tel amplificateur à l'entrée de 1'instrument principal, il est nécessaire d'utiliser un câble de liaison à basse impédance (50/V par exemple) et il en découle une exigence difficile à satisfaire quant à la puissance de sortie de l'amplificateur disposé dans la sonde. C'est pourquoi il est nécessaire de réaliser l'instrument principal uniquement pour des signaux d'entrée à basse impédance ou de prévoir un amplificateur-tampon associé soit à la sonde soit à l'instrument. Mais à nouveau, il est alors normalement impossible de disposer d'une sonde active dont la plage de fonctionnement en fréquence correspond à celle de l'instrument principal. L'objet de la présente invention est de surmonter ces difficultés. Selon l'invention, un circuit d'entrée pour un instrument de mesure électrique est caractérisé en ce qu'une des deux bornes d'entrée dudit circuit est connectée d'une part à une résistance auxiliaire de valeur élevée disposée en parallèle sur la capacité d'entrée de l'instrument à travers une résistance de liaison de valeur beaucoup plus petite que celle de la résistance auxiliaire et d'autre part à un amplificateur pour courant alternatif dont la sortie est connectée au point de jonction desdites résistances à travers un condensateur de liaison, ledit amplificateur ayant un gain sensiblement égal à l'unité aux fréquences pour lesquelles le rôle de ladite capacité d'entrée devient notable par rapport à celui de ladite résistance auxiliaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, un condensateur complémentaire peut être connecté à l'entrée de l'amplificateur alternatif, d'une part pour éviter que ledit amplificateur subisse des dérives en courant continu et d'autre part pour maintenir le circuit d'entrée de l'amplificateur à l'abri de tout courant continu d'entrée. L'amplificateur alternatif n'a aucun effet sur les caractéristiques à courant continu du circuit mais aux hautes fréquences, alors que dans un circuit de type connu la capacité d'entrée de l'instrument présente une faible impédance, avec le circuit d'entrée selon l'invention, l'impédance vue depuis les bornes d'entrée dudit circuit est constituée par la résistance auxiliaire en parallèle sur la capacité d'entrée de l'amplificateur, laquelle capacité peut être rendue extrêmement faible. Le gain total du circuit est très peu inférieur à l'unité. L'ensemble constitué par la résistance de liaison, l'amplificateur à courant alternatif et le condensateur de liaison peut être incorporé dans l'instrument lui-même ou être réalisé sous forme d'un amplificateur-tampon 71 28015 3 2104817 extérieur ou encore être monté dans une sonde active. Dans ohaoun de ces cas, un tel montage ne modifie pas les performances de dérive de 1 ' instrument. En outre si le condensateur complémentaire est utilisé, un tel circuit ne limite pas les possibilités en courant continu de l'instrument. 5 Quand l'instrument doit accepter des signaux d'entrée fournis par des sources à impédance relativement élevée, le circuit-tampon comprenant la résistance de liaison, l'amplificateur alternatif et le condensateur de liaison peut être disposé dans une sonde active placée à l'extrémité du câble d'entrée, une résistanoe de sortie étant prévue pour ledit circuit de manière à 10 assurer l'adaptation à l'impédance du câble. Il est également possible d'utiliser deux circuits-tampons respectivement disposés aux deux extrémités du câble de liaison. Selon une autre caractéristique de l'invention, la résistanoe de liaison shunte le câble d'entrée aussi bien que les deux amplificateurs respee-15 tiveaent disposés à ses deux extrémités, lesdits amplificateurs ayant tous deux des gains unité. De la sorte, selon un autre aspect de 1'invention, on réalise un circuit d'entrée pour instruments électriques comprenant line borne d'entrée connectée à une sonde active et une borne de sortie destinée à être connectée à l'instruteBt électrique, la borne d'entrée étant connectée à la borne de 20 sortie par la combinaison en série d'un premier amplificateur alternatif, d'un oondensateur de sortie pour ledit amplificateur, d'un conducteur du câble reliant ladite sonde active à l'instrument, d'un second amplificateur alternatif et d'un oondensateur de sortie pour celui-ci, lesdits amplificateurs étant shuntés par au moins une résistanoe et le gain global depuis l'entrée du preaier 25 amplificateur jusqu'à la sortie du second étant sensiblement égal à l'unité, à partir d'une fréquence prédéterminée. Différentes formes de réalisation de l'invention seront maintenant décrites à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés dans lesquels : 50 - la figure 1 représente une première forme de réalisation de l'in vention ; - la figure 1A représente une modification de la précédente ; - la figure 2 représente une seconde forme de réalisation de l'invention et, 35 - la figure 3 une troisième. 71 28015 « 2104817 Selon la figure 1, les bornes d'entrée normales d'un instrument électrique sont représentées en 10a et 10b. Entre elles est disposée une résistance auxiliaire d'entrée R^ de valeur égale à 1 MA, placée en parallèle sur la capacité d'entrée propre à 1 'instrument (avec = 20pF). L'instrument en question peut être soit un oscilloscope soit un comparateur phase/amplitude ou enco-5 re un voltmètre fonctionnant depuis le courant continu jusqu'à des fréquences très élevées. Un oâble 12 reliant la sonde 135 à l'instrument est connecté à des bornes d'entrée auxiliaires 14a et 14b. La borne froide 14b est directement connectée à la bon» froide 10b mais la borne chaude 14a est connectée à la borne chaude 10a à travers une résistance de liaison Rg dont la valeur est 10 ÎOKJV . En parallèle sur cette résistance de liaison Rg est disposé un amplificateur alternatif 17 ayant une capacité de sortie Cg. Le gain de l'amplificateur 17 est égal à l'unité à partir d'une fréquence de coupure basse Jusqu'à au soins 100 MHz et 1'amplificateur comporte une capacité d'entrée de valeur très faible, par exemple lpP. 15 Dans ces conditions, l'impédance d'entrée effectivement vue entre les bornes l4a et 14b du circuit d'entrée selon l'invention est alors constituée par la résistance = 1MJT. en parallèle sur la seule capacité d'entrée de l'amplificateur (IpF). La fréquence de coupure basse de l'amplificateur ne doit pas être 20 supérieure à celle donnée par 2tt* f.R^.C^ = 1, c'est-à-dire f = 8 KHz pour les valeurs de résistance auxiliaire et de capacité d'entrée données ci-dessus. La valeur de Cg doit être telle que l'équation R^.C^ = Rg.Cg soit vérifiée au moins approximativement. Avec les valeurs ci-dessus on obtient Cg = 2000 pF. Si l'amplificateur 17 a un gain unité et une impédance de sortie 25 nulle, on a (CgS + 1/Rg) (V± - Vo) = (ClS + V^) Vq dans laquelle et sont les taisions d'entrée et de sortie sur les bornes 14a et 10a respectivement, et b = 2 TTf. Si on a ^iGl = R2C2 011 peut aisèment démontrer que 50 VQ = Vi.R1 / (Rx + Rg) Iia = Vi f (R1 + V et Zin = ^R1 + R2^ L'amplificateur 17 est représenté précédé par un condensateur C^. La présence de ce condensateur est facultative mais son utilisation permet 55 d'être à l'abri des dérives en courant continu de l'amplificateur 17. Le point de jonction entre et l'amplificateur 17 peut être relié à une ligne à basse 71 28015 5 2104817 impédance à travers une résistance R^, choisie de valeur élevée pour éviter de trop abaisser l'impédance d'entrée de l'amplificateur dans le cas où une telle impédance a de l'importance, c'est-à-dire lorsque le montage est utilisé avec une source ayant une impédance de sortie élevée comme par exemple dans le cas d'une sonde. L'effet de la résistance de valeur élevée peut être obtenu en 5 utilisant un montage bouclé eonme cela est représenté à la figure 1A. Si on a R^ = R^ = IMA et si = 0,1 jx>F et = 200 pF on peut montrer qu'à des fréquences supérieures à 1 KHz, la tension sortie de l'amplificateur à mieux que 1 L'impédance d'entrée de la branche constituée peur 1'amplificateur est donnée par Z. =(1/C .s) + R_ + Rh (1 + R,.C,.s). Avec les valeurs données 1 Z J ^ s ^ 10 ci-dessus cette impédance est extrêmement élevée, supérieure à 1GMA à toutes fréquences. Le câble de liaison 12 peut avoir une impédance caractéristique de l60-A- et une capacité totale effective de 26pF. La sonde active 13 a des bornes d'entrée 20 destinées à assurer la liaison avec la source de signaux et comporte 15 une résistance R^ dont la valeur est 1GK/L connectée à une résistance de sortie 5 Rg dont la valeur est aussi de I6O-A- , c'est-à-dire égale à l'impédance caractéristique du câble 12. En parallèle sur la résistance R,. est disposé un ampli- o ficateur 24 suivi d'un condensateur de sortie C,_ dont la valeur est donnée par s 5 (capacité - 26pF - du câble 12 + capacité d'entrée - lpF - de 20 1 ' amplificateur 17) x R^ / Rg soit 2700pF dans 11 exemple donné. A nouveau un condensateur d'entrée Cg peut éventuellement être utilisé la capacité d'entrée de l'amplificateur étant choisie très petite (lpF) et son gain égal à l'unité jusqu'à au moins 100 MHz. Aux fréquenpes élevées l'impédance d'entrée vue depuis les bornes 25 20 est constituée par la résistance R^ = 1M/L disposée en parallèle sur une capacité de 2pF. L'amplificateur 24 fournit effectivement une impédance de source nulle à des fréquences pour lesquelles la présence du câble est importante, de telle sorte que sa résistance de sortie Rg est adaptée au câble. Le gain complet du circuit représenté est 0,98 depuis la fréquence zéro jusqu'à 30 la fréquence limite imposée par la bande passante des amplificateurs, sans qu'il y ait modification des performances à courant continu de l'ensemble. En utilisant un câble à haute impédance les problèmes de dissipation sont réduits et aucun réglage n'est nécessaire, comme lorsque l'on utilise des amplificateurs à courant continu. 35 La figure 2 représente une forme de réalisation dans laquelle le circuit-tampon constitué par les éléments 17, Rg, Cg et le condensateur facultatif Gy est placé dans une sonde à 1'extrémité du câble 12, une résistanoe de sortie R_ étant prévue pour réaliser l'adaptation à l'impédance du câble. 71 28015 6 2104817 Cette forme de réalisation est utilisée quand l'instrument doit recevoir des signaux d'entrée fournis par les sources à impédance relativement haute. Dans ce cas pour calculer la valeur nécessaire pour Cg, la résistance auxiliaire est considérée comme étant shuntée par l'addition de la capacité d'entrée C1 et de la capacité du câble. En rendant la somme de l'impédance de sortie de l'amplificateur et de la résistance supplémentaire R^ égale à l'impédance caractéristique du câble Zq, les réflexions sont supprimées et la réponse en fréquence du système peut être représentée eonme étant celle d'un réseau retardateur 1 / (1 + Z .C_s). cl Evidemment la forme de réalisation de la figure 2 peut utiliser l'agencement d'entrée modifié, prévu pour l'amplificateur 17 aux figures 1 et 1A. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 3, les résistances R,- et Rg aux bornes desquelles sont respectivement placés les amplificateurs 24 et 17 dans la figure 1, sont remplacés par une unique résistance de dérivation Rg mise en parallèle sur les amplificateurs 24-17 et sur le câble 12. Le conducteur 21 nécessaire pour réaliser une telle dérivation est de préférence placé à l'intérieur de l'isolant extérieur du câble 12 mais à l'extérieur de la tresse feonstituant le blindage du conducteur principal. Cet arrangement permet de considérer l'amplificateur 24, le câble 12 de l'amplificateur 17 comme un amplificateur unique sur lequel est monté en parallèle la résistance Rg. Cet amplificateur unique virtuel doit avoir un gain global proche de l'unité, ce qui est beaucoup plus simple à faire que de réaliser deux amplificateurs 24 et 17 qui ont chacun un gain égal à l'unité comme cela est nécessaire sur la forme de réalisation décrite à la figure 1. En particulier la réalisation de l'amplificateur 24 est simplifiée puisqu'il peut être un amplificateur de courant relativement banal, simplement prévu pour alimenter le câble 12. Ceci est important parce que l'espace disponible pour cet amplificateur 24 dans la sonde active 13 est limité. L'amplificateur 17 peut dans ces conditions, être plus facilement réalisé pour obtenir un gain global égal à l'unité. 71 28015 7 2104817 RgVBUgCAUCMS 1. Circuit d'entrée pour instrument électrique caractérisé en ce que une des deux bornes d'entrée dudit circuit est connectée à une résistanoe auxiliaire de valeur élevée disposée en parallèle sur la capacité d'entrée dudit ins- 5 trament, à travers une résistance de liaison de valeur plus petite que celle de ladite résistanoe auxiliaire et en ce que un amplificateur pour courant alternatif est prévu dont la sortie est reliée par un condensateur de liaison au point de jonction desdites résistances, ledit amplificateur «Tant un gain sensiblement égal à l'unité aux fréquences pour lesquelles l'inter- 10 ventioia de ladite capaoité d'entrée devient notable par rapport à celle de ladite résistance auxiliaire. 2. Circuit d'entrée selon la revendication 2, caractérisé en ce que une capacité supplémentaire est connectée en série avec l'entrée de 1'amplificateur alternatif. 15 3- Circuit d'entrée selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistance de liaison, 1'amplificateur alternatif et le oondensateur de liaison sont disposés dans 1'instrument électrique. 4. Circuit d'entrée selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistance de liaison, 1'amplificateur alternatif et ledit condensateur 20 de liaison constituent ensemble un amplificateur-tampon adapté à être disposé à l'extérieur de l'instrument électrique. 5. Circuit d'entrée selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistance de liaison, l'amplificateur alternatif et le condensateur de liaison sont disposés dans une sonde active reliée à l'instrument à 25 travers un câble de liaison. 6. Circuit d'entrée selon la revendication 5» caractérisé en ce que deux amplificateurs sont prévus, chacun étant placé à une des deux extrémités du câble et chacun shunté par au moins une résistance de liaison de telle sorte que le gain global depuis l'entrée de l'amplificateur placé dans la sonde active 50 jusqu'à la sortie de 1'amplificateur placé à l'autre extrémité du câble soit sensiblement égal à l'unité pour les fréquences élevées concernées. 71 28015 8 2104817 7. Circuit d'entrée selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque amplificateur est shunté par une résistance de liaison individuelle et chacun a un gain sensiblement égal à l'unité pour lesdites fréquences. 8. Circuit d'entrée selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux 5 amplificateurs et le câble sont shuntés par une résistance connue. 9. Circuit d'entrée selon la revendication 8, caractérisé en ce que le câble est un câble coaxLal comportant un conducteur intérieur et un blindage extérieur, ledit conducteur intérieur établissant une liaison entre les amplificateurs, un autre conducteur extérieur audit blindage étant prévu 10 pour connecter la résistance de liaison coouune en parallèle sur lesdits amplificateurs et ledit câble. 10. Circuit d'entrée selon la revendication 9* caractérisé en ce que le gain global des deux amplificateurs disposés en série est sensiblement égal à l'unité, à partir d'une fréquence prédéterminée.