Brevet FR2106625A1 — publié le 19720505

Cette invention se rapporte aux circuits électriques de calcul analogique, et notamment à ceux de ces circuits qui possèdent des caractéristiques logarithmiques. Les logarithmes sont communément utilisés dans les opérations 5 mathématiques pour simplifier la procédure, et des circuits électriques ont donc été développés pour tirer avantage des caractéristiques logarithmiques de certains composants électriques tels que les diodes. La multiplication de deux quantités est une des opérations mathématiques les plus simples utilisant les techniques 10 logarithmiques. Une telle opération impose de calculer individuellement le logarithme de chacune des deux quantités, puis de déterminer le cologarithme de leur somme. Les circuits conventionnels font usage d'éléments logarithmiques séparés pour chacune des étapes du calcul, ce qui suscite de sérieux problèmes. Les diodes, qui sont 15 normalement utilisées comme éléments de circuits logarithmiques, sont sensibles à la température, et l'utilisation de trois de ces composants peut entraîner de graves inexactitudes, à moins qu'on ne prenne, pour les maintenir toutes les trois à la mime température, des précautions qui sont compliquées et coûteuses. 20 L'un des buts de la présente invention est de rendre possible la réalisation d'un circuit électrique de calcul analogique qui permette d'exécuter des opérations logarithmiques, et dans lequel l'effet des instabilités thermiques est considérablement réduit. Conformément à la présente invention, le circuit électrique 25 de calcul analogique, ayant un étage logarithmique agencé pour produire un signal de sortie proportionnel au logarithme d'un signal d'entrée, est caractérisé en ce qu'il comporte N dispositifs de stockage de signaux, un amplificateur différentiel à gain élevé, des éléments d'interconnexion commutables permettant de stocker, 30 respectivement dans les N dispositifs de stockage de signaux, les signaux de sortie de l'étage logarithmique produits en réponse à N signaux d'entrée successifs, puis d'appliquer la somme des signaux ainsi stockés, avec des sens relatifs prédéterminés en fonction de la nature des calculs à effectuer, à l'entrée dudit amplificateur, 35 tanïLs que la sortie de cet amplificateur est appliquée, avec effet de contre-réaction, à l'autre entrée par l'intermédiaire de l'étage logarithmique, de sorte que le signal de sortie de l'amplificateur 71 334-16 2 2106625 représente le résultat du calcul. On va maintenant décrire l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est un schéma d'un circuit de multiplication de 5 deux quantités l'une par l'autre ; les figures 2 à 5 illustrent le fonctionnement du circuit de la figure 1 ; les figures 6 à 7 illustrent d'autres applications de l'invention. 10 En se référant maintenant à la figure 1, le circuit de base comprend deux amplificateurs différentiels A1 et A2, un élément de circuit fournissant une caractéristique logarithmique, trois condensateurs de stockage et six commutateurs à quatre positions jumelées. Un ensemble 10 possédant une caractéristique logarithmique est cons-15 titué par un amplificateur différentiel A1, dont l'entrée non-inver-sante est mise à la masse, s'; entre la sortie et l'entrée inversante duquel est connectée la diode collecteur-base d'un transistor TL. La base du transistor est reliée au potentiel de masse. L'entrée inversante est aussi connectée à l'une des extrémités d'une résis-20 tance, d'entrée E, dont l'autre extrémité est reliée au contact mobile du commutateur à quatre positions S1. Les positions 1, 2 et 3 de ce commutateur sont destinées à être respectivement reliées à une tension de référence et à des tensions d'entrée. "V\ et V0, Jtb 1 dé tandis que la quatrième position n'est pas connectée. 25 La sortie de l'amplificateur Â1, outre qu'elle est connectée à l'émetteur du transistor TL, est connectée aux contacts mobiles des commutateurs S2 et S3» Seule est utilisée la quatrième position de S2, laquelle est connectée à 1'entrée non-inversante d'un second amplificateur différentiel à grand gain A2. Les deux premières po-30 âtions du commutateur S3 sont reliées ensemble, ainsi qu'au point de jonction de deux condensateurs de stockage C1 et 03. L'autre côté du condensateur C3 est connectée à l'entrée inversante de l'amplificateur A2, tandis que l'autre cSté du condensateur C1 est relié au potentiel de masse par l'intermédiaire d'un autre condensa-35 -feur C2. La troisième position du commutateur S3 est connectée au point de jonction des condensateurs C1 et C2. Sur un quatrième commutateur S4, le contact mobile est à la masse, tandis que les plots 71 33416 3 2106625 1 et 2 sont reliés tous les deux au point de jonction entre les capacités C1 et C2. L'entrée non-inversanté de l'amplificateur A2 est aussi connectée au contact mobile du commutateur S5, dont les positions 1, 5 2} et 3 sont a la masse et la position 4 non connectée. La sortie de l'amplificateur A2 est connectée au contact mobile du dernier commutateur S6. La position 1 de ce commutateur est connectée à l'entrée inversante de l'amplificateur, tandis que la position 4 est connectée à un terminal de sortie, ainsi qu'au contact mobile du 10 commutateur S1. On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit de la figure 1, en se référant aux figures 2 à 5, dont chacune est un schéma représentant les éléments de circuit correspondant à chaque stade de fonctionnement. 15 II est nécessaire d'appliquer initialement une tension de référence Y^ à l'entrée de l'étage logarithmique, afin de fournir une base initdaLe, puisque le logarithme de zéro est indéterminé. La figure 2 représente la disposition du circuit correspondant à cette étape du fonctionnement. La tension Y^ est appliquée à 1'en-20 trée de l'étage logarithmique, dont la sortie est reliée aux condensateurs C1 et C3. La sortie de l'amplificateur A2 est connectée à sa propre entrée iisersante, agissant ainsi à la façon d'une boucle de contre-réaction, pour maintenir l'armature adjacente du condensateur C3 à une masse virtuelle, et la sortie non-inversante de 25 l'amplificateur est à la masse. Dans ces conditions, la tension de sortie de A1, qui représente la quantité log Y , est stockée dans 0 Ib les deux condensateurs, leurs deux extrémités communes ayant la mtme polarité. Lorsque les commutateurs sont déplacés en position 2, la pre-30 mière tension d'entrée Y^ est appliquée, et la connexion entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur A2 est interrompue. L'arrangement du circuit demeure d'autre part inchangé, ainsi qu'on le voit sur la figure 3. La nouvelle tension d'entrée fait croître la nouvelle tension de sortie de l'étage logarithmique 10, laquelle re-35 présente log Y et celle-ci est stockée dans le condensateur C1, 6 i quelle que soit la tension précédemment stockée, le condensateur C3 conservant la tension logg Y^. 71 35416 4 2106625 La position 3 des commutateurs a pour effet d'appliquer la seconde tension V2 à l'entrée de l'étage logarithmique 10, et les commutateurs S3 et S4 assurent le stockage dans le condensateur C2 de la sortie de l'étage, laquelle représente log V-, ainsi qu'on - 0 b 5 le voit sur la figure 4, les condensateurs C3 et C1 conservant leurs charges respectives. Lorsque les commutateurs sont déplacés en quatrième position, la disposition du circuit change considérablement, ainsi qu'on le voit sur la figure 5. La sortie de l'étage logarithmique 10 est do-10 rénavant appliquée directement à l'entrée non-inversante de l'amplificateur A2, tandis que les trois condensateurs C1, C2; et C3 sont connectés en série entre la masse et l'entrée inversante. La sortie de A2 est connectée au terminal de sortie ainsi qu'à la résistance R, afin de constituer l'entrée de l'étage logarithmique. 15 L'étage logarithmique 10 constitue donc l'élément de réaction dans la boucle de contre-réaction de 1'amplifcateur A2. Les trois tensions stockées dans les condensateurs C1, C2,et C3 représentent respectivement loge Y.,,loge Y2> loSe vr, la dernière valeur mentionnée étant de polarité inversée par rapport aux deux 20 autres. La tension appliquée à l'entrée inversante de A2 représente donc (logg V1 + loge V2~loge YR) , c'est-à-dire loge_(Y^ .Y2/Yr.) L'amplificateur A2 fonctionne de telle manière qu'il maintient ses deux entrées égales l'une à l'autre, et par conséquent, la sortie de A2 devient telle que la tension appliquée à son entrée non-in-25 versante représente log ( V1.Y0/Yn). Cependant, cette tension d'entrée 0 I £ XL appliquée à l'entrée non-inversante de A2 est elle-même la sortie de l'étage logarithmique. Donc l'entrée de l'étage logarithmique, qui est égale à la sortie de l'amplificateur A2 doit représenter la fonction Y^.Y^/Y^. i d a 30 La tension de référence peut avantageusement être utilisée comme facteur d'échelle dans le fonctionnement du circuit. Ainsi une valeur de Y^l volt a pour effet que la sortie est égale au produit des deux entrées» De même, si les entréesY^ et Y2 sont importantes, la tension de référence peut aussi être augmentée, afin 35 de fournir le facteur d'échelle nécessaire. Chaque stade de fonctionnement du circuit, tel qu'il a été décrit ci-dessus, produit une tension de compensation due au fonc- 71 33416 5 2106625 tionnement de l'étage logarithmique. Les expressions des tensions d'entrée et de sortie données ci-dessus sont donc simplifiées. Néanmoins, dans la dernière étape de fonctionnement, une annulation desdites tensions de compensation se produira, puisque les deux en-5 trées de l'amplificateur A2 sont maintenues au même potentiel. Pour donner au circuit décrit ci-dessus une forme pratique, il est nécessaire d'agencer les commutateurs afin qu'ils se déplacent séquentiellement d'une position dans l'autre. Dans la pratique, on n'utilisera généralement pas de commutateurs mécaniques, 10 mais, de préférence, des commutateurs à semi-conducteurs, dont les séquences seront réglées par des ondes de forme appropriée. Le circuit décrit ci-dessus présente divers avantages par rapport aux circuits déjà connus. Le principal avantage est qu'on n'utilise qu'un seul élément logarithmique, qui fonctionne en temps 15 partagé entre ses diverses fonctions. Ainsi, si la commutation est effectuée à une vitesse convenable, la question de sensibilité à la température ne se posera probablement pas. De plus, le circuit est tel qu'il prend automatiquement en charge les tensions de compensation, de sorte qu'il n'en résulte aucune erreur dans la 20 sortie. L'arrangement de base de la figure 1 peut etre modifié afin d'exécuter des opérations mathématiques autres que la multiplication. La figure 6 représente, par exemple, les modifications qu'il est nécessaire de faire subir au circuit de la figure 1 pour ef-25 fectuer des divisions. Il faut pour cela modifier certaines des connexions des commutateurs S3 et S4, et ajouter, entre le condensateur C2 et le potentiel de masse, un autre commutateur à quatre positions S7. Ainsi qu'on le voit sur la figure 6, la position 3 du commu-30 tateur S3 n'est plus connectée au point de jonction entre C1 et C2, ijiais elle est maintenant connectée à l'extrémité "basse" de C2. La position 3 du commulateur S4 est connectée au point de jonction entre C1 et C2, comme le sont les positions 1 et 2. Le commutateur supplémentaire a pour rôle déconnecter l'extrémité "basse" 35 de C2 à la masse lorsque ious les commutateurs sont en position 4. Le fonctionnement du circuit est très semblable à celui de la figure 1, la disposition du circuit étant, lorsque les commuta 71 334.1 G 6 2106625 teurs sont dans les positions T et 2,"celle qui a été décrite avec référence aux figures 2 et 3. Cependant, lorsque les commutateurs sont en position 3, le condensateur C2 est connecté à la sortie de l'étage logarithmique avec une polarité inversée, de sorte que, 5 lorsque les conrnnrtefceurs sont en position 4, la tension stockée dans C2 est soustraite de celle qui est stockée dans C1. C'est la condition requise pour que la sortie représente la division d'une quantité d'entrée par l'autre. Le circuit peut être aussi modifié pour déterminer des puis-10 sances fractionnaires, telles que des racines carrées. La figure 7 représente une telle disposition, qui est celle de la figure 1, sous réserve de l'adjonction d'un potentiomètre Y^ entre la sortie de l'étage logarithmique 10 et le commutateur S3. Le potentiomètre est utilisé pour appliquer aux condensateurs C1, C2, 15 et C3 une fraction désirée de la sortie de l'étage logarithmique 10. Ainsi, par exemple, si le potentiomètre est réglé pour appliquer eux condensateurs seulement la moitié de la tension de sortie de l'étage 10, l'entrée en A2,avec les commutateurs en position 4, aura alors pour valeur (-g-log^^ + ^logeV^ - l-log^^ cies-t_ 20 à-dire 4-log (V. .Y0/%>) ou log (V .Y /Y_)2. La sortie serafîa racine 6 I 6 A © I & ïb carrée du produit de Y1 par Y2, compte tenu du facteur d'échelle V Le circuit peut être modifié pour exécuter bien d'autres opérationsnathématiques, sans qu'on sorte du domaine de l'invention, 25 et avec les avantages qu'on a déjà indiqués. 71 33416 7 2106625 REVENDICATIONS 1. Circuit électrique de calcul analogique, ayant un étage logarithmique agencé pour produire un signal de sortie proportionnel au logarithme d'un signal d'entrée, caractérisé en ce qu'il 5 comporte N dispositifs de stockage de signaux, un amplificateur différentiel à gain élevé, des éléments d'interconnexion commutables permettant de stocker, respectivement dans les N dispositifs de stockage de signaux, les signaux de sortie de l'étage logarithmique produits en réponse à N signaux d'entrée successifs, puis d'ap-10 pliquer la somme des signaux ainsi stockés, avec des sens relatifs prédéterminés en fonction de la nature des calculs à effectuer, à l'entrée dudit amplificateur, tandis que la sortie de cet amplificateur est appliquée avec effet de contre-réaction à l'autre entrée par l'intermédiaire de l'étage logarithmique, de sorte que 15 la sortie de l'amplificateur représente le résultat du calcul. 2. Circuit conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les interconnexions commutables comprennent un dispositif de commutation ayant (N+1) positions, N de ces positions permettant de connecter la sortie d'étage logarithmique, respectivement, aux 20 N dispositifs de stockage de signaux, et la (N+l)ème position assurant la mise en série des dispositifs de stockage de signaux dans lesdits sens prédéterminés, et reliant ces dispositifs à ladite entrée de l'amplificateur. 3. Circuit conforme à la revendication 2, caractérisé en ce 25 que le dispositif de commutation comporte un certain nombre d'éléments de commutation séparés à semi-conducteurs. 4. Circuit conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par ce que chaque dispositif de stockage de signal est un condensateur. 30 5. Circuit conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par ce que l'étage logarithmique comporte un amplificateur différentiel dans lequel un dispositif à semiconducteur est connecté entre son terminal de sortie et son terminal d'entrée.