Brevet FR2215756A1 — publié le 19740823

La présente invention concerne un diviseur électronique ne nécessitant pas une source d'alimentation. L'injection de la fréquence à diviser est suffisante pour le fonctionnement du diviseur a Les diviseurs électroniques connus à ce jour nécessitent deux sources énergie - la source d'alimentation du diviseur, - la source utiles c1est-à-dire un signal, dont la fréquence doit ttre divisée par le diviseur. La source d'alimentation est généralement un assujettisme, même ai sa consommation est faible. Un grand nombre d'études techniques et technologiques ont été faites pour réduire la consommation des circuits. Parmi les plus efficaces on peut citer les circuits COS/MOS. Parfois l'alimentation devient le problème dominant, comme c'est le cas pour la montre-bracelet électronique. Parfois m8me l'alimentation rend l'utilisation d'un diviseur électronique impossible1 par exemple lorsqu'il est nécessaire de l'introduire dans un corps humain pour des raisons sEdicales (prothèse cardiaque). Le but de la présente invention est de construire un diviseur électronique ne nécessitant ps la source d'alimentation mais seulement le signal utile. Le fonctionnement de ce diviseur, dit à deux-seuils, est le sui vant : Le dispositif de la figure l comporte deux condensateurs en série Cl et C2 qui alimentent deux inverseurs W6/MOS en cascade. Le premier inverseur est à seuil S1 dit haut, par exemple V Volts, avec une tension drain de 2 V volts a Le deuxième inverseur est à seuil S2 dit bas, par V exemple 2 volt. Les capacités C3 et C4 représentent les cavités propres des COSMOS et, éventuellement, les capacités additives extérieures0 Lorsque la tension de charge des capacités C1 et C2 atteint ou dépasse le seuil Sl, le ler inverseur déclenche une impulsion d'environ 2 V-V volts aux bornes de la capacité C3. Avant le déclenchement de cette impulsions le é inverseur est bloqué car la tension aux bornes de C3 est insuffisante pour déclencher le seuil S2 du 2ème inverseurs l'impulsion d'environ 2 V-V volts à l'entrée du 2ème inverseur déclenche une impulsion d'environ 2 V-V' volts à la sortie du 2ème inverseur, c'est-à-dire charge la capacité C4. Le basculement des deux inverseurs décharge les condensateurs Cl et C2 jusqu'à un certain seuil. Lorsque la tension aux bornes du C2 tombe en dessous de V - seuil S1 - le premier inverseur se bloque, mais les capacités Ci, C1 et C2 continuent à se décharger à travers le 2ème inverseur qui continue à conduire car son seuil S2 est plus bas. La décharge des condensateurs C1, C2 et C3 continue jusqlda ce que la tension aux bornes de C3 tombe en dessous du seuil S c'est-à-dire-, V 2 dans notre exemple, en dessous de 2 volts : la tension aux bornes de C1 sera, à ce moment, légèrement supérieure à V volts et la tension aux bornes du C2 sera inférieure à V/2 volts, toujours dans notre exemple, qui n'est pas limitatif Le 2ème inverseur, faute de tension suffisante, se bloque et, en l'absence d'une nouvelle charge des C1 et C2, le système se trouve biais un état d'équilibre que j'appelle "état initial" : dès que les impulsions chargent de nouveau les condensateurs C1 et C2 pour atteinare le seuil de déclenchement du ler inverseur, le système se trouve dans un deuxième état, que j'appelle "état opérationnel" et le cycle recommence jusqu'en "l'état initial". On +oit donc bien que lorsque l'état opérationnel est atteint, il apparut à la sortie S une impulsion. Or, si le système est convenablement dimensionné, l'état opérationnel sera atteint pour un nombre prédéterminé d'impulsions. il y aura donc à la sortie une impulsion pour un certain nombre d'impulsions à l'entrée. Ce nombre sera le facteur de division du diviseur. Le système à deux seuils est donné à titre indicatif, et rien n'eQ- pêche de construire un système à plusieurs seuils. Il suffirait, par exemple, d'adjoindre dans la figure l une bascule de plus pour obtenir un système à trois seuils. Les impulsions venant de l'oscillateur fourniront l'énergie nécessaire à la recharge des condensateurs C1 et C21 de manière porter leur tension au niveau du seuil haut. La figure 2 donne w exemple de réalisation de la charge d'un oscillateur délivrant les impulsions. Les capacités se chargent à travers la résistance de 1 Mulet se déchargent à travers les bascules et les deux résistances en série, c'est à dire 5 MJL. Cette dernière décharge est parasite et doit être réduite. Dans notre exemple, la constante de temps de décharge est de 500 microseconues et la durée de l'intervalle entre deux impulsions est de 50 microseconues. La tension aux bornes des conuensateurs sera diminuée, donc soit environ 9,9 E Quoique ceci ne soit pas grave, la perte d'énergie peut astre diminuée de deux manières : - augmentation de la constante de temps de décharge, - diminution de l'intervalle de temps entre deux impulsions. On peut aussi ajouter une ou plusieurs diodes en série avec la ré sistance de 1 Mi. de manière à ce qu'elle présente une résistance négligeable pour la charge et une'forte résistance pour la décharge parasite des capacités C1 et C2 - fig. 4. Un tel diviseur ne nécessite pas de source d'alimentation extérieure (batterie) et travaille avec la seule énergie fournie par l'oscillateur. Il en-résulte de très grands avantages dans l'utilisation de ces divi leurs,- chaque fois que la source d'alimentation devient gênante : s - montres électroniques, - appareillages-dans l'espace, - logiques diverses, - surveillance permanente de phénomènes nécessitant une énergie parfois conteuse, - calculateurs de poche, - appareillage médical de prothèse : par exemple pour le stimu lateur cardiaque ou coeur artificiel. Par ailleurs, entre deux impulsions consécutives et pendant la charge des condensateurs C1 et G2, il nty a pas de consommation d'énergie, car il n'y a ps de tension suffisante aux bornes des électrodes des inverseurs. Le système est à très large bande de fréquence et n'est sensible qu'au nombre dtiopulsions reçues. De tels diviseurs peuvent titre montés en cascade, les uns derrière les autres, pour constituer des chaînes de division - fig. 3. I1 y a lieu de remarquer que c'est toujours la même énergie initiale de l'oscillateur qui sera la seule nécessaire, car le diviseur qui précède joue le rôle que jouait l'oscillateur à quartz pour le 1er diviseur. La puissance crête, à la sortie des diviseurs consécutifs, sera-sensiblement la même si les fuites parasites sont petites Au contraire, la puissance moyenne sera divisée par le facteur de division des diviseurs0 Cette diminution de la -puissance n'est pas nuisible pour la cascade des diviseurs car elle est proportionnelle à la-fréquence. Le système conserve donc toujours suffisamment d'énergie pour continuer à fonction ner. Un autre avantage du système est que le nombre d'opérations de l'in- verseur n'est pas égal à la-fréquence d'entrée mais à cette fréquence di visée par le facteur de division du diviseur. Ainsi pour un diviseur par 4 d'une fréquence de 10 KHz1 le nombre des basculements sera de 10 000 = 2500. 4 Ceci est tris important, car la consommation en énergie moyenne d'un COS/MOS, ou d'un autre diviseur,' est proportionnelle à la fréquence. Ce dispositif sera donc particulièrement intéressant pour les fréquences élevées. Au point de vue énergétique, plusieurs cas peuvent se présenter. A titre d'exemple, nous prendrons deux cas particuliers : - l'oscillateur jointif au diviseur mais d'une très faible puis sance. Par exemple le cas d'une montre-bracelet, - l'oscillateur disjoint du diviseur1 mais pouvant disposer d'und puissance plu forte. Par exemple un diviseur à l'intérieur du corps humain (prothèse cardiaque). Dans le cas de l'oecillateur à très faible puissance il y a lieu de prendre en considération la puissance disponible à la sortie de l'oscillateur, dont la fréquence doit entre divisée, et la puissance nécessaire à la commutation des circuits COS/MOS du diviseur. la puissance à la sortie de l'oscillateur prise à titre d'exemple dans la figure , pour une onde carrée, sera en crête E2 = 1010-6 = 1 microwatt r pour R = 4.106 E = 2 volts et la puissance moyenne, pour un remplissage de 50 X sera 1.10 -6 = 0,5 .10 -6 = 0,5 microwatt 2 Pour une durée d'impulsion T = 2 RC, la tension e pendant le durée s de l'impulsion sera (et ponr une durée T = 1,5 RC de 0,78 E) éme la protection entre la 3 et la ième impulsion est donc valable Admettons une fréquence de 10 000 HZ et une durée d'impulsion de 50 microsecènctes. Pour un diviseur par 4, il faudra toucher le seuil de déclenchement après 4 impulsions qui, ensemble, représentent le temps T = 2 RC. Si les fuites sont négligeables, on peut admettre qu'il y a une seule impulsion de temps T = 4 x 50 microseconves = 200 microsecondes RC = 200 = 100 microsecondes = 100+10 secO = 2 - 2 Avec une résistance de 1 M # la capacité totale sera de 100 pF, ou 2 capacités en série de 200 p7 chacune. Au point de vue énergétique on sait que, dans le meilleur des cas, la puissance sera à 50 % dissipée dans la résistance et à 50 % emmagasinée dans la capacité. Ceci est vrai si la durée de l'impulsion est grande devant le RC - 4 ou 5 fois plus grande pr semple -. La valeur exacte est donnée par On voit que pour T = 2 RC w0 = 1/2 C E2 ( 1 + 0,018 - 0,270) = Qs37 C E2 C'est à dire que la puissance emmagasinée dans le condensateur sera 37 % de la puissance de l'oscillateur. Dans le cas d notre exemple 0,5 u W s 0,37 # 0,19 W Les conciensateurs C1 et C2 seront chargés et déchargés 10 000/4 = 2500 par seconue, si la décharge parasite est négligeableO La Puissance nécessaire à la commutation des COS/MOS Consommation d'entrée Si le courant est de 10 pA et la tension de 2 volts, la puissance sera de 0,02 #e Consommation à l'arrêt Le modèle C D 4007 RCA à 3 inverseurs consomme 10 w, soit environ 3 sW par inverseur. Il faut remarquer que, dans le système pDposé la tension n'est pas appliquée en permanence au drain. La consommation est donc très réduite. Consommation en commutation Elle est donnée par l'expression W = C V fs Ici f sera de 2500 Hz, et non de 10 XHz. Prenons, pour la capacité de charge du COS/MOS 10 pF et la tension nécessaire de 2 volts P - 10 + 10-, 22 o 2500 = 10-7 W = 0,1 W W Dans le système à deux seuils, nous avons besoin de commuter 2 inverseurs, et par conséquent nous aurons besoin d'une puissance double, soit : 0,2 W. On voit que les ordres de grandeur sont valables. Dans le cas où l'oscillateur doit être disjoint du diviseur la puissance peut erre plus grande et le problème du minimum nécessaire ne se pose pas. L'énergie de l'oscillateur est transférée au diviseur par rayonnement ou induction, et l'absence de la source d'énergie à l'intérieur du corps est la caractéristique dominante. Revendications 1. Diviseur de fréquence constitué par des commutateurs électroniques basculants à deux seuils de déclzuchement différentss et ne nécessi tant pas d'alimentation continue ou alternative. Ce -diviseur nécessite seulement l'injection de la fréquence à diviser 2. Diviseur de fréquence constitué par des commutateurs électroniques comme défini en 1, dont le nombre des basculements est égal, non à la fréquence à diviser, mais à cette fréquence divisée par le facteur de division du diviseur. 3. Diviseur de fréquence comme défini en 1. et 20 permettant la mise en cascade de plusieurs diviseurs. Chaque diviseur nécessite, au point de vue énergétique, seulement l'injection de la fréquence sortante du diviseur précédente 4. Diviseur de fréquence constitué-selon revendication lo et pouvant fonctionner avec plusieurs seuils de basculement par l'addition des étages basculeurs complémentaires avec des seuils à niveaux plus bas. 5. Diviseur de fréquence constitué selon la rerendication le et rece vant la fréquence à diviser par rayonnement ou inductions Ceci permet le fonctionnement du diviseur à l'intérieur dlun corps humain sans une source d'énergie pour l'alimentation du diviseur.