Brevet FR2221863A1 — publié le 19741011

La présente invention concerne d'une manière générale les amplificateurs à entrées différentielles et plus particulièrement des circuits amplificateurs de ce genre dans lesquels est prévue une correction automatique et permanente de l'erreur de décalage de zéro. Les amplificateurs comportant une entrée différentielle, comme les amplificateurs opérationnels, les comparateurs et les amplificateurs différentiels sont utilisés de plus en plus dans I1 industrie pour un grand nombre d'applications. Dans la plupart de ces applications, une erreur de la tension normale de décalage de zéro, telle que celle produite par une désadaPtation dgun transistor d'entrée, nuit sérieusement au fonctionnement. A titre d'exemple, les amplificateurs- opérationnels imposent souvent des circuits de compensation de cette erreur de décalage. En général, l'erreur de décalage peut être de l'ordre de i à 5 milliVolts. Lorsqutelle est amplifiée avec un gain de 10000 par exemple, cette erreur est souvent nuisible au bon fonctionnement. De nombreux amplificateurs opérationnels en circuits intégrés actuellement disponibles dans le commerce, comme les amplificateurs SN 52 741 et SN 52 770 fabriqués par Texas Instruments Inc., Dallas, Texas, comportent des bornes de-réglage d' annulation de tension de décalage, permettant de régler périodiquement l'erreur de décalage. Par exemple, unappareil peut titre connecté périodiquement à lam- plificateur et un réglage peut entre effectué pour corriger l'erreur de tension de décalage qui existe. Bien entendu, ces procédés de réglage ne sont ni continus, ni automatiques et dans les applications impliquant un fonctionnement à distance, comme par exemple dans l'espace, ce réglage périodique est impossible. Un procédé utilisé pour compenser automatiquement l'erreur de décalage consiste à utiliser l'entrée non inverseuse de l'am- plificateur opérationnel pour réduire l'erreur de tension de décalage. Mais ce procédé conduit à un sacrifice sur les possibilités d'entrée di fférenti elle de l'amplificateur opérationnel. Jusqu'à présent, il n'existe aucun circuit convenable permettant de corriger automatiquement et en permanence l'erreur de tension de décalage des amplificateurs à entrées différentielles tout en maintenant les caractéristiques de ces- entrées différentielles. L'invention concerne donc un amplificateur à entrées différentielles qui se caractérise par une correction automatique et permanente de la tension de décalage. L'invention concerne également un circuit de correction de tension de décalage destiné à des amplificateurs à entrées différentielles en circuits intégrés qui comportent des bornes de réglage de la tension de décalage. En résumé, un amplificateur à entrées différentielles selon l'invention réalisé en circuit intégré comporte circuit de correction automatique d'erreur de tension de décalage. Ce circuit utilise avantageusement une stabilisation par découpeur sans sacrifier les possibolités différentielles de l'amplifica- teur. Selon un aspect de l'invention, un circuit est connecté aux bornes de réglage de décalage d'un amplificateur classique à entrées différentielles. Le circuit intégré selon la revendication est connecté directement à ces bornes afin de permettre une correction permanente et continue des erreurs de tension de décalage. Cela est contraire aux circuits classiques de stabilisation par découpeur dans lesquels l'une des entrées de l'amplificateur à entrées différentielles est utilise pour réduire la tension de décalage.Ce procédé conduit à ne disposer que d'une seule entrée pour les signaux. L'invention concerne également un amplificateur opérationnel entièrement intégré. Cet amplificateur peut entre monté dans un bottier standard de circuit intégré à quartorze broches. Cet amplificateur opérationnel entièrement intégré effectue une correction permanente et automatique des tensions de décalage tout en maintenant la possibilité entrées différentielles. n'autres caractéristiques de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatif La Fig. 1 est un diagramme synoptique montrant la connexion d'un circuit de correction automatique et permanente selon l'in- vention aux bornes de réglage de décalage d'un amplificateur opérationnel, la Fig. 2 est un diagramme synoptique et logique d'un mode de réalisation d'un amplificateur opérationnel possédant toutes les pôssibilités d'entrées différentielles, et qui se caractérise par une correction permanente et automatique de la tension de décalage, la Fig. 3 est un diagramme synoptique d'un amplificateur opérationnel classique stabilisé par découpeur, la Fig. 4 est un schéma d'un mode de réalisation d'un amplificateur stabilisé par découpeur selon l'invention, la Fig. 5a est une représentation de l'amplificateur à entrées différentielles, stabilisé par découpeur selon l'invention, et équipé dans un bottier de circuit intégré à quartorze broches, la Fig. 5b est une représentation schématique de ltamplifica- teur stabilisé de la Fig. Sa, la Fig. 6 représente un amplificateur à entrées différentielles stabilisé par découpeur comportant un filtre extérieur destiné à réduire les bruits de découpeur aux entrées de l'amplificateur, les Fig. 7a à 7c et 8a à 8d illustrent schématiquement ne réalisation des blocs fonctionnels de la Fig. 4. La Fig. 1 représente un amplificateur opérationnel avec une correction permanente et automatique d'erreur de tension de décalage. Un amplificateur classique 10, tel que du type Texas Instruments SN 52 741 ou SN 52 770 comporte une entrée inverseuse 12 et une entrée non inverseuse 14. Le signal de sortie de l'ampli- ficateur est prélevé à la borne 16. Les amplificateurs opéra tionnels en circuit intégré comportent généralement des bornes 18 et 20 de réglage de décalage. Ces bornes sont utilisées pour corriger périodiquement 11 erreur de tensibn de décalage.Selon l'invention, un circuit de correction de tension de décalage, représenté globalement en 22, détecte l'erreur de tension de décalage, l'amplifie et applique le signal correspondant sous forme d'une réaction négative aux bornes 18 et 20 pour annuler 1' erreur de décalage à la sortie. Ce circuit sera décrit plus en détail par la suite en regard des Fig. 4, 7 et 8. Ce circuit assure une correction permanente des erreurs de tension de décalage. Ainsi-qu'il le sera expliqué plus en détail par la suite, le circuit 22 de détection et de correction de tension peut entre utilisé avec tout amplificateur à entrées différentielles en circuit intégré comportant des bornes de réglage de tension de décalage. Il faut remarquer sur la Fig. 1 que les signaux d'annulation de tension de décalage provenant du circuit 22 ne sont appliqués qu'aux bornes 18 et 20. Toutes les possibilités d'entrées différentielles des bornes 12 et 14 sont ainsi conservées. Ce circuit se distingue en cela des amplificateurs à entrées différentielles stabilisés par découpeur de type courant, comme celui représenté sur la Fig. 3, dans lesquels l'une des bornes d'entrée, généralement l'entrée non inverseuse, est utilisée pour la stabilisation automatique et permanente. La Fig. 2 est une représentation schématique équivalente d'un amplificateur à entrées différentielles en un seul circuit intégré, réalisé selon l'invontion et utilisant les techniques de stabilisation par découpeur. Les signaux de tension de correction de décalage sont appliqués aux bornes de réglage de décalage de manière à conserver toutesles possibilités d'entrées différentielles. Les signaux dtentre de l'amplificateur opérationnel sont appliqués aux bornes 24 et 26. Le signal de sortie de 1' am- plificateur est prélevé à la borne 28. L'amplificateur représenté en A1 est choisi de manière à posséder de bonnes caractéristiques en haute fréquence. Il faut noter que A1 n'est pas couplé à la sortie 28 en courant alternatif et que par conséquent, les composantes continues, comprenant l'er- reur de décalage, sont amplifiées. En outre, les amplificateurs tels que A1 optimisés pour l'amplification en hautefréquence présentent généralement une erreur de décalage relativement importante. Mais cela ne pose aucun problème dans la configuration selon I'invention, car l'erreur de décalage est détectée, amplifiée, et appliquée sous forme d'une réaction négative à l'amplificateur A1 pour annuler l'erreur de décalage relativement importante.Cette disposition diffère de celle d'un amplificateur courant stabilisé par découpeur dans lequel les composantes de haute fréquence sont couplées en courant alternatif à la sortie et les composantes continues sont amplifiées séparément et additionnées ensuite aux composantes alternatives amplifiées. Cette disposition classique est représentée sur la Fig. 3 et son fonctionnement sera décrit en détail par la suite. Selon la Fig. 2, les composantes à basse fréquence du signal entrée généralement des signaux d'une fréquence de 100 Hertz ou moins sont appliqués depuis les bornes d'entrée 24 et 26 à un découpeur différentiel 30. Dans certaines applications, il peut titre souhaitable d'intercaler un filtre à basse fréquence entre les bornes d'entrée et le découpeur 30. Cette disposition apparait sur la Fig. 6 Le découpeur différentiel 30 reçoit des signaux de commande provenant du circuit 32 de commande de découpeur. Les signaux continus d1 entrée aux bornes 24 et 26 sont découpés en les dérivant périodiquement à la masse, et le signal produit est ampli fié par les amplificateurs Aî et A4 couplés en courant continu.Après amplification, le signal est démodulé par le démodulateur 34, en synchronisme avec le découpeur 30 afin de préserver les informations de polarité et de phase. Les erreurs de décalage de A3 et A4 sont détectées et mémorisées par le condensateur Cs d'échantillonnage et de maintien, puis A4 amplifie seulement l'erreur de décalage de A1 alors que les autres erreurs de l'ensemble apparaissent sous forme d'une tension de mode commun en A4 où elle est éliminée. (Un amplificateur différentiel a tendance C amplifier les signaux de différence et à éliminer les signaux de mode communs Cela est important car les amplificateurs AY et A peuvent présenter un décalage important et pour réduire le décalage d'entrée équivalent, seule l'erreur due à A1 doit titre annulée. Les signaux d'erreur amplifiés sont filtrés par le filtre passe-bas constitue, par l'amplificateur A6 et le condensateur CF afin d'éliminer toutes les crêtes de démodulation. Les signaux 25 et 27 de correction différentielle sont appliqués par l'amplificateur Ah à l'amplificateur A1 afin de corriger les erreurs de décalage et les erreurs des signaux de basse fréquence. En général, la fréquence des signaux 25 et 27 est de l'ordre de 1 Hertz ou moins. La ig. F représente un circuit classique de stabilisation par découpeur d'un amplificateur opérationnel. Le signal d'entrée est appliqué en 40. Les composantes de haute fréquence sont couplées en courant alternatif par le filtre passe-haut 42 à l'entrée inverseuse de l'amplificateur principal A1. Une dérivation à la borne d'entrée 40 permet aux composantes de basse fréquence du signal d'entrée dletre transmisespar le filtre passebas 43 au circuit découpeur 44. Ce dernier dérive périodiquement à la masse des parties du signal à basse fréquence, à la commande du circuit 46 de commande de découpeur.Le signal variable dans le temps ainsi produit est couplé en courant alternatif par le condensateur Ct à un amplificateur A2 de courant alternatif où il est amplifié, puis il est ensuite démodulé par le dé modulateur synchrone 48. Le signal démodulé est ensuite filtré par le filtre 50. Le signal résultant est appliqué à l'entrée non inverseuse 52 de l'amplificateur A1 afin d'y être additionné auxcomposantes de haute fréquence. Il est visible qu'une erreur ou une dérive en courant continu de l'un ou de l'autre des amplificateurs A1 et A2 n'est pas transmise à la sortie car chacun de ces amplificateurs est couplé en courant alternatif. L'amplificateur principal A1 peut donc titre réalisé de manière que ses performances soient optimales en courant alternatif sans qu'il soit nécessaire que ses caractéristiques soient bonnes en courant continu. Autrement dit, les composantes de haute fréquence et de basse fréquence sont amplifiées séparément. L'inconvénient majeur de cette disposition de stabilisation par découpeur réside dans le fait que l'une des bornes d' entrée différentielle de l'amplificateur A1 est utilisée pour le découpeur. Les possibilités d'entrée différentielle ne sont donc plus disponibles. La Fig. 4 est un diagramme synoptique d'un amplificateur opérationnel selon un mode de réalisation de l'invention. II faut remarquer que les possibilités d'entrées différentielles sont conservées car aucune des entrées différentielles 60 et 62 n'est utilisée pour la stabilisation. La stabilisation par dé coupeur est effectuée par des amplificateurs A3, N , A4, A51 A6, des transistors associés et la partie de commande qui comprend le générateur d'horloge 64, les circuits basculeurs 66, et les circuits logiques I.- VII.Autrement dit, les tensions d'erreur de décalage sont détectées et amplifiées par le circuit découpeur et appliquées, sous forme d'une réaction négative, à l'amplificateur A1 après l'élimination de toutes les composantes à haute fréquence par A6 et CF. Une réalisation détaillée en circuit intégré des blocs fonctionnels de la Fig. 4 est illustrée par les Fig. 7a à 7c et 8a à 8d. Les procédés classiques de fabrication de circuits intégrés peuvent convenir. Les Fig. 5a et 5b illustrent un amplificateur non inverseur selon l'invention. Selon cette disposition, le gain V S/VE est déterminé par 11 expression 1 + R2/R1, en supposant une réaction suffisante. Les composantes à basse fréquence du signal d'entrée sont appliquées au circuit découpeur par les broches P6 et P7. Dans certains cas, il peut titre souhaitable de mieux éliminer les bruits du découpeur à l'entrée. Ce résultat peut titre obtenu au moyen d'un filtre passe-bas différentiel qui réduit l'application du signal du découpeur aux entrées principales de l'amplificateur. Ce filtre RC est représenté encadré par un trait pointillé 70 dans l'amplificateur inverseur de la Fig. 6. La réalisation en circuit intégré des amplificateurs des Fig. 5a, 5b et 6 est illustrée par les Fig. 7a à 7c et 8a à 8d. En résumé, les Fig. 7a à 7c représentent la réalisation en circuit intégré des amplificateurs A1 A2 et A ainsi o 2 6 que des circuits de polarisation associés. Ces circuits peuvent facilement titre réalisés en une seule plaquette, selon les procédés classiques. Les Fig. 8a à 8d représentent une réalisation en circuit intégré des autres circuits de 1' amplificateur de la Fig. 4. Ces circuits peuvent entre réalisés sur une seconde plaquette semi-conductrice. Un circuit intégré destiné à corriger automatiquement et en permanence les erreurs de tension de décalage dans des amplificateurs à entrées differentielles a donc été décrit cidessus. Ce circuit présente les avantages de conserver toutes les possibilités d'entrée différentielle, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent. Cela autorise non seulement un fonctionnement dans le mode inverseur mais également un fonctionnement dans le mode non inverseur.La stabilisation par découpeur selon l'invention permet de réaliser des circuits à gain élevé à couplage en courant continu avec un faible décalage de sortie, convient à des applications qui impliquent un fonctionnement éloigné où il est difficile ou impossible de régler périodiquement les bornes d1ajustage de décalage ainsi qu'aux applications ou la dérive avec la température présente une importance primordiale. Le circuit selon l'invention, convient également à des applications différentielles de haute précision telles que les amplificateurs en pont, les comparateurs, les circuits d'échantillonnage et maintien, les régulateurs, etc., sans avoir recours aux techniques conteuses et encombrantes d'alimentation flottante. Bien que certains modes de réalisation seulement soient décrits en détail ci-dessus, il est évident que de nombreuses modifications peuvent y titre apportées sans sortir de l'esprit ni du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Amplificateur à entrées différentielles comprenant deux bornes d'entrée destinées à recevoir des signaux d'entrée différentiels et un premier circuit amplificateur destiné à amplifier initialement lesdits signaux d'entrée et auquel sont connectées deux bornes d'annulation de tension de décalage de zéro, amplificateur caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur d'erreur de tension de décalage de zéro connecté auxdites bornes d'entrée* un second amplificateur connecté à la sortie dudit détecteur de tension de décalage de zéro et destiné a wlifier ladite erreur de tension de décalage, un démodulateur connecté à la sortie dudit second amplificateur et destiné à restituer ladite tension d' erreur de décalage sous une forme amplifiée et un filtre passe-bas par lequel le signal d'erreur amplifié et démodulé est appliqué aux bornes d'annulation de décalage pour compenser les composantes d'erreur de décalage amplifiées par ledit premier circuit amplificateur, de manière à produire un signal de sortie amplifié avec une compensation continue et automatique d' erreur de tension de décalage de zéro. 2 - Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit détecteur de tension de décalage comporte un découpeur différentiel destiné à dériver périodiquement à la masse les composantes continues desdits signaux entrée de manière à produire des composantes variables dans le temps qui correspondent auxdites composantes continues et qui sont amplifiées par ledit second am pli ficateur 3 - Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre passe-bas d'entrée par lequel lesdits signaux d'entrée sont appliqués audit découpeur différentiel. 4 - Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit filtre passe-bas d'entrée laisse passer les signaux d'une fréquence d'environ 100 Hertz ou moins. 5 - Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit filtre passe-bas laisse passer les signaux d'une fréquence de l'ordre de 1 Hertz ou moins.