Brevet FR2138338A1 — publié le 19730105

La présente invention concerne un procédé de compensation de la dérive thermique de la tension de seuil du montage à effet de seuil et de déclenchement connu sous le nom de "bascule de Schmitt" et comportant un premier transistor sur la base duquel est appli qué un signal d'entrée, un second transistor sur le collecteur duquel est prélevé un signal de sortie, les deux transistors étant couplés résistivement, et dont les émetteurs réunis sont alimentés à travers une résistance depuis un des pôles d'une source de tension continue dont le pôle opposé alimente les collecteurs de chacun des transistors. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, associé à au moins une bascule de Schmitt comportant une borne active d'entrée de signal, une borne active de sortie de signal, une borne d'alimentation et une borne commune de masse. L'effet de seuil et de déclenchement d'une bascule de Schmitt est utilisé chaque fois que l'on désire obtenir un signal de sortie variant brusquement lorsque le signal d'entrée varie lentement; on sait en effet que ces montages possèdent deux états stables dont le passage de l'un à l'autre s'effectue à partir d'une certaine valeur de tension croissante appliquée à la borne d'entrée, appelée "seuil montant", le retour à l'état initial s'effectuant pour une valeur de tension décroissante inférieure à la première et appelée "seuil descendant. Les valeurs de tensions de seuil d'une bascule de Schmitt sort soumises à des variations d'origine thermique dont l'effet n'est pas gênant pour la plupart des applications; toutefois il n'en est pas de même lorsque l'on désire utiliser une telle bascule comme élément de mesure précis d'un seuil de tension, pour un convertisseur analogue digital par exemple. Ce défaut est d'autant plus sensible que la tension de seuil est basse; c'est ainsi que pour une tension de seuil de un volt à une température déterminée, une variation AT de + 150C entraine une variation relative de la tension de seuil de + 2,5 , tout à fait inacceptable pour un usage métrologique. On peut remédier à ce défaut n stabilisant au moyen d'un thermostat la température de l'enceinte où se trouve placée la bascule, mais cette solution est complexe et coûteuse. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un dispositif simple qui, associé à une bascule de Schmitt, rend la tension de seuil de cette dernière pratiquement insensible aux variations de température du milieu ambiant. L'invention est basée sur la considération que la dérive thermique de la tension de seuil peut être annulée en appliquant à la bascule une variation de tension de même grandeur mais de signe contraire à celle qui provoque la dérive. Selon l'invention, le procédé de compensation de la dérive thermique de la tension de seuil du montage connu sous le nom de "bascule de Schmitt" et comportant un premier transistor sur la base duquel est appliqué un signal d'entrée, un second transistor sur le collecteur duquel est prélevé un signal de sortie, les deux transistors étant couplés résistivement, et dont les émetteurs réunis sont alimentés à travers une résistance depuis un des pôles d'une source de tension continue dont le pôle opposé alimente les collecteurs de chacun des transistors, est notamment remarquable en ce que le retour du circuit des émetteurs des deux transistors de la bascule de Schmitt est effectué en un point dont le potentiel s'éloigne de celui de la masse lorsque la température ambiante devient plus haute. Egalement selon l'invention, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, associé à au moins une bascule de Schmit comportant une borne active d'entrée de signal, une borne active de sortie de signal, une borne d'alimentation et une borne commune de masse, est notamment remarquable en ce que la résistance commune d'émetteurs des deux transistors de la bascule est reliée à une extrémité de la résistance de charge d'émetteur d'un transistor branché selon le montage dit à "émetteur suiveur" dont le collecteur est relié à la borne d'alimentation de la bascule, l'autre éxtrémité de ladite résistance de charge étant reliée à la borne commune de masse, et en ce qu'un élément stabilisateur de tension à coefficient de température négligeable est disposé dans le circuit de base du transistor en montage à émetteur suiveur. Avantageusement, un transistor "ballast", de polarité inverse, est associé au transistor en montage à émetteur suiveur. De cette façon, la variation en fonction de la température de la tension délivrée par le transistor en montage à émetteur suiveur est de même grandeur, mais de signe contraire, que la dérive thermique de la tension de Vbe de chacun des transistors de la bascule de Schmitt. La compensation ainsi réalisée permet d'employer la bascule de Schmitt à une température ambiante quelconque pour détec ter avec une grande précision un niveau déterminé de tension. En outre, le dispositif de compensation selon l'invention peut alimenter un grand nombre de bascules de Schmitt, ce qui constitue un avantage supplémentaire dans le cas fréquent où l'on doit contrôler de nombreux paramètres. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente le schéma de principe d'une bascule de Schmitt classique. La figure 2 représente la bascule de Schmitt de la figure 1 associée à un dispositif de compensation thermique selon l'invention. La figure 3 représente la bascule de Schmitt de la figure 1 associée à une autre forme de réalisation du dispositif de compensation thermique selon l'invention. Sur la figure 1, les émetteurs réunis de deux transistors 1 et 2 de type NPN sont reliés par une résistance 3 à un conducteur 4 aboutissant à une masse commune 5 et au pôle négatif 6 d'une source de tension continue Vb. Les collecteurs des transistors 1 et 2 sont reliés respectivement par deux résistances 7 et 8 à un conducteur 9 réuni au pôle positif 10 de la source de tension Vb. La base du transistor 2 est réunie, d'une part au collecteur du transistor 1 par une résistance 11, et d'autre part au conducteur 4 par une résistance 12. La base du transistor 1 est reliée à une borne 13 constituant l'entrée de la bascule de Schmitt, une autre borne 14, constituant la sortie, étant reliée au collecteur du transistor 2. Un générateur de signal 15 est disposé entre le conducteur 4 et la borne d'entrée 13. Sur la figure 2, dont les références sont communes à la figure 1, le dispositif 16a de compensation thermique comprend un transistor 17 de type NPN dont le collecteur est relié au conducteur 9 et dont l'émetteur est relié au conducteur 4 par une résistance 18, la résistance commune d'émetteur 3 des transistors I et 2 étant par ailleurs connectée à l'émetteur du transistor 17. La base du transistor 17 est reliée à un point commun à la cathode d'une diode zéner 19 et à l'extrémité d'une résistance 20, l'anode de la diode zéner 19 et l'autre extrémité de la résistance 20 étant reliées respectivement aux conducteurs 4 et 9. Sur la figure 3, dont les références sont communes aux figures 1 et 2, le dispositif 16b de compensation thermique comprend un transistor additionnel 21, de type PNP dont la base est directement reliée au collecteur du transistor 17 d'une part, et au conducteur 9 par une résistance 22 d'autre part. Les collecteur et émetteur du transistor 21 sont respectivement reliés à l'émetteur du transistor 17 et au conducteur 9. La base du transistor 17 est reliée au point commun de deux résistances 23 et 24 dont les extrémités sont respectivement connectées à la cathode de la diode zéner 19 et au conducteur 4. Le fonctionnement de la bascule de Schmitt de la figure 1 est bien connu : en l'absence de tension entre la borne d'entrée 13 et la masse, le transistor 1 est bloqué et le transistor 2 est saturé; si l'on applique une tension positive croissante sur la borne 13, les deux transistors changent simultanément d'état lorsque ladite tension atteint un seuil déterminé E1, dit "seuil montant". Inversement, lorsque l'on fait ensuite décroître la tension appliquée à la borne 13, le montage revient à l'état initial pour une deuxième tension E2 inférieure à la première et appelée "seuil descendant". On recueille ainsi entre la borne de sortie 14 et la masse 5 un niveau de tension sensiblement égal à + Vb dont la durée est fonction du temps de passage de la tension E1 à la tension E2. En agissant sur la valeur de la résistance 12, il est possible de rendre pratiquement égaux les seuils E1 et E2. Dans une bascule de Schmitt, si les résistances 7 et 8 sont égales, le courant circulant dans la résistance commune d'émetteur 3 est constant quel que soit l'état de la bascule, et sa valeur est pratiquement indépendante des variations de température. I1 n'en est pas de même pour la tension de seuil E1 qui a sensiblement pour valeur la somme de la tension Vbe du transistor 1 et de la chute de tension dans la résistance 3; comme cette dernière est constante, la stabilité de la tension de seuil E1 dépend directement des variations de Vbe dont-on sait qu'elles sont de l'ordre de (-2 mV) par degré Cèlsius pour un transistor au silicium ou au germanium. L'influence relative de cette dérive thermique sur la valeur de la tension de seuil Eî est donc d'autant plus grande que cette dernière est plus basse, et en tout état de cause, elle interdit d'utiliser la bascule pour mesurer avec précision un niveau de tension. L'idée de l'invention repose sur le fait que l'on peut stabiliser la tension de seuil de la bascule en appliquant aux émetteurs de celle-ci une tension de faible valeur dont la variation en fonction de la température est égale et de signe contraire à celle qui provoque la dérive. Ceci peut être réalisé en utilisant un transistor monté en émetteur suiveur sur la base duquel est appliquée une tension de référence VR. Dans ces conditions, la tension VS qui apparaît aux bornes de la résistance de charge d'émetteur a pour valeur VS = VR - Vbe en présence de variations on a AVS = AVR -' AVbe Si la dérive de la tension de référence VR est négligeable par rapport 9 celle de Vbe, on a AVS ~ - AVbe comme Vbe ~ (- 2 mV/OC) , VS - (+ 2 mV/OC) En effectuant le retour de la résistance commune d'émetteurs de la bascule de Schmitt à un point porté/a tension VS par rapport à la masse, la dérive thermique de la tension de seuil de ladite bascule est ainsi annulée. Le dispositif de compensation qui vient d'être décrit est représenté dans le cadre a en traits interrompus de la figure 2. La tension de compensation VS apparalt aux bornes de la résistance d'émetteur 18 du transistor 17 en montage à émetteur suiveur. La source de tension de référence est constituée par la diode zéner 19 alimentée depuis la source Vb à travers la résistance 20. Afin que la tension de référence soit indépendante des variations de température, il importe de choisir la diode zéner 19 dans une gamme de tension pour laquelle la dérive thermique de la tension de zéner soit négligeable, généralement entre 5 et 6 volts; on peut également utiliser un élément stabilisateur de tension composite spécialement conçu pour posséder une dérive thermique pratiquement nulle, tel que le dispositif connu sous l'appellation commerciale BZX 48 de la société "R.T.C. LA RADIOTECHNIQUE -COMPELEC", par exemple. La tension de compensation est appliquée aux émetteurs des transistors 1 et 2 par l'intermédiaire de la résistance 3. Afin que la tension de compensation VS soit parfaitement indépendante du débit, il est avantageux de mettre en oeuvre un dispositif connu constitué par un transistor "ballast" associé au transistor en montage à émetteur suiveur et de polarité inverse de ce dernier, ce qui conduit au schéma représenté à l'intérieur du cadre 16b en traits interrompus de la figure 3. Toutes choses égales par ailleurs, la valeur de la tension de compensation prélevée aux bornes de la résistance 18 détermine la tension de seuil de la bascule et doit évidemment être inférieure à celle-ci; dans ce but la base du transistor 17 est alimentée en tension de référence par le pont diviseur constitué par les résistances 23 et 24. De façon non représentée, il est possible d'ajuster la tension de seuil de la bascule en rendant réglable le pont diviseur.Cette disposition est intéressante dans le cas où plusieurs bascules étant alimentées par un même dispositif compensateur, on désire modifier d'une valeur rigoureusement égale le seuil de l'ensemble des bascules. La résistance 18 est parcourue tout à la fois par le courant d'émetteur des transistors 1 et 2 et par la somme des courants du transistor ballast 21 et du transistor 17 en émetteur suiveur; afin d'obtenir une compensation efficace, il importe que le courant de bascule et le courant du dispositif de compensation soient au minimum dans le rapport 1 à 5, et de préférence de l'ordre de 1 à 10. I1 va de soi que l'on entend par "courant de bascule" soit un courant unitaire, soit la somme des courants de plusieurs bascules. Il est bien évident qu'il est nécessaire que le dispositif de compensation et la ou les bascules qu'il contrôle soient implantés de façon à ce que les variations de température ambiante agissent de la même façon sur les deux systèmes. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de compensation de la dérive thermique de la tension de seuil du montage à effet de seuil et de déclenchement connu sous le nom de"bascule de Schmitt" et comportant un premier transistor sur la base duquel est appliqué un signal d'entrée, un second transistor sur le collecteur duquel est prélevé un signal de sortie, les deux transistors étant couplés résistivement, et dont les émetteurs réunis sont alimentés à travers une résistance depuis un pôle d'une source de tension continue dont le pôle opposé alimente les collecteurs de chacun des transistors, caractérisé en ce que le retour du circuit des émetteurs des deux transistors de la bascule de Schmitt est effectué en un point dont le potentiel s'éloigne de celui de la masse lorsque la température ambiante devient plus haute. 2.- Dispositif de compensation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, associé à au moins une bascule de Schmitt comportant une borne active d'entrée de signal, une borne active de sortie de signal, une borne d'alimentation et une borne commune, caractérisé en ce que la résistance commune d'émetteurs des deux transistors de la bascule de Schmitt est reliée à une extrémité de la résistance de charge d'émetteur d'un transistor en montage dit "à émetteur suiveur" dont le collecteur est relié à la borne d'alimentation de la bascule, l'autre extrémité de ladite résistance de charge étant reliée à la borne commune de masse, et en ce qu'un élément stabilisateur de tension à coefficient de température négligeable est disposé dans le circuit de base du transistor en montage collecteur commun. 3.- Dispositif de compensation selon la revendication 2,caractérisé en ce qu'un transistor "ballast" est associé au transistor en montage à émetteur suiveur dont le collecteur est relié par une résistance de faible valeur à la borne d'alimentation. 4.- Dispositif de compensation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le courant des bascules et le courant de comprend sation proprement dit circulant conjointement dans la résistance d'émetteur du transistor en montage collecteur commun sont dans un rapport minimal de 1 à 5, et de préférence de l'ordre de 1 à 10. 5.- Dispositif de compensation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la base du transistor en montage émetteur suiveur est reliée à un pont diviseur résistif. 6.- Dispositif de compensation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le pont diviseur est à rapport variable.