Brevet FR2465275A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un dispositif de com- mutation d'un condensateur de stockage. Elle concerne éga- lement les intégrateurs et les échantillonneurs comportant un tel dispositif. Lorsqu'on effectue des mesures en élect'ronique, on utilise souvent un condensateur de stockage des charges. C'est le cas, par exemple, dans les intégrateurs qui com- portent généralement un amplificateur opérationnel, dont l'entrée positive est à un potentiel de référence et dont l'entrée négative reçoit le signal à intégrer, un conden- sateur de stockage est alors relié entre l'entrée négative et la sortie de l'amplificateur. C'est le cas également dans les échantillonneurs qui comportent généralement un amplificateur opérationnel et un condensateur de stockage monté entre l'entrée de l'amplificateur qui reçoit le signal à échantillonner et la masse. Pour les intégrateurs comme pour les échantillonneurs, il est nécessaire de prévoir un dispositif de commutation du condensateur de stockage qui assure la décharge de ce condensateur, après chaque mesure, dans le cas de l'inté- grateur et qui assure la charge de ce condensateur, lors de la prise de chaque échantillon, dans le cas de l'échan- tillonneur. Le dispositif de commutation du condensateur de sto- ckage est généralement constitué par une porte analogique de commutation en série avec une résistance. Ce dispositif est monté en parallèle sur le condensateur de stockage dans le cas de l'intégrateur et en série avec le condensateur de stockage dans le cas de l'échantillonneur. La porte analogique est dite ouverte lorsqu'elle introduit une résistance sensiblement nulle dans le circuit o elle se trouve placée (et fermée lorsaou'elle introduit une résistance infinie). Dans certains domaines, en électronique médicale par exemple (ainsi en scintigraphie ou en tomo-aphie assistée 2 2465275 par ordinateur), dans le domaine nucléaire également, il faut réaliser des mesures très rapprochées dans le temps, avec une grande précision. Les conditions d'opération sont alors à la limite des performances des amplificateurs opérationnels et il faut tenir compte du bruit introduit par ces amplificateurs. Ainsi, si on prend pour exemple le cas de de l'inté- grateur. Après chaque mesure, la tension aux bornes du conden- sateur de stockage revient à zéro, en partant d'une valeur VO, en suivant la décroissance exponentielle: V(t) = VO. e-t/R o R est la valeur de la résistance du dispositif de commutation et C la capacité du condensateur de stockage. L'erreur A V sur la mesure suivante est constituée par la tension qui reste aux bornes du condensateur au bout du temps TG de remise à zéro de l'intégrateur. Si on s'impose une erreur maximale A V, le temps TZ de remise à zéro devra être tel que: Tz > RC. In Vo (O). On constate donc-que pour effectuer des mesures très rapprochées dans le temps avec une erreur A V donnée, la valeur de R doit être minimale (la valeur de C étant imposée par la mesure). Si on tient compte maintenant du bruit introduit par l'amplificateur opérationnel, l'erreur sur la mesure sui- vante qui est due à ce bruit, en fin de remise à zéro, s'écrit: VB = Vb/ \f2W(2), o Vb est la densité de bruit imposée par l'amplificateur. On constate donc que pour diminuer l'erreur due au bruit la valeur de R doit être maximale. Les conclusions tirées des équations (1) et (2) quant à la valeur de R vont donc en sens inverse. Il est possible de trouver la résistance optimale pour que l'erreur totale (due à la décharge incomplète et au bruit) soit minimale pour une valeur de l'erreur due à la 3 2465275 décharge incomplète A V donnée. L'inconvénient est que cette résistance optimale impose le temps de remise à zéro, Tz> Vb2 Ln, qui varie en sens inverse à A V et 2; AV2. àn V qui est souvent considéré comme trop important. En fait, le problème qui se pose avec les intégra- teurs comme avec les échantillonneurs est que la rapidité de fonctionnement demande une bande passante élevée et que la diminution du bruit demande une faible bande passante. Lorsqu'on utilise un dispositif de commutation selon l'art antérieur qui comporte une seule porte, on ne dispose que d'une seule constante de temps RC et d'une seule bande passante et il n'est pas possible d'obtenir à la fois des mesures très rapprochées dans le temps et une grande pré- cision. La présente invention permet de résoudre ce problème. Le dispositif de commutation selon l'invention compor- te n circuits, constitués par une porte analogique de com- mutation en série avec une résistance, qui sont montés en parallèle. Le condensateur de stockage est commuté en n étapes par commutation des portes analogiques qui assurent l'augmentation d'une étape à la suivante de la résistance équivalente au dispositif. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir sim- plement, à la fois des mesures très rapprochées dans le temps et une grande précision. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figu- res annexées qui représentent: - Les figures 1 et 2, un intégrateur et un échantil- lonneur comportant un dispositif de commutation selon l'invention; - Les figures 3a à e et 4a à c, des diagrammes de signaux de commande susceptibles d'être appliqués aux por- 4s 2465275 tes des figures 1 et 2. Sur les différentes figures, les mêmes repères dési- gnent les mêmes éléments. La figure 1 représente un inté- grateur comportant un dispositif de commutation selon l'in- vention. Cet intégrateur est constitué par un amplificateur opérationnel 2 dont l'entrée positive est portée à une tension de référence Vréf et dont l'entrée négative reçoit le cou- rant à mesurer. Un condensateur de stockage C est monté entre l'entrée négative et la sortie de l'amplificateur. En parallèle sur ce condensateur, on trouve un dispositif de commutation du condensateur de stockage selon l'invention. Ce dispositif est constitué par trois circuits, montés en parallèle, et comportant une résistance R1,R2,R3 en série avec une porte analogique de commutation Z1,Z2,Z3. Le nombre n de circuits ainsi montés en parallèle peut être quelconque; dans la pratique, il est généralement égal à deux ou trois. Les cir- cuits qui commandent la commutation des portes analogiques, c'est-à-dire leur passage de l'état ouvert à l'état fermé et vice-versa sont bien connus de l'art antérieuret ne sont pas représentés sur les figures. L'intégrateur ainsi réalisé peut aussi être utilisé comme pré-amplificateur. Avant l'intégrateur, on trouve la source du courant à mesurer, représentéesymboliquement et repérée par 1, qui est suivie par une porte de commutation M. Après l'intégra- teur on trouve une porte analogique E suivie par un disposi- tif d'échantillonnage représenté symboliquement par un rec- tangle 3. Les figures 3a à e représentent des diagrammes de si- gnaux de commande VM, VE, VZl, VZ2 et VZ3 qui sont suscep- tibles d'être appliqués aux portes M, E, Z1, Z2 et Z3 de la figure 1. Ces signaux de commande sont des signaux périodi- ques, de même période TC, qui correspond au tenps mis pour effectuer une mesure. Ces signaux sont soit à un niveau bas (niveau 0), soit à un niveau haut (niveau 1). Le passage d'un signal de commande au niveau haut provoque l'ouverture 2465275 de la porte à laquelle il est appliqué. Les signaux VK, VE, VZl, VZ2 et VZ3 sont sucessivement au niveau haut. Pour des raisons de clarté, les durées relatives de maintien au ni- veau haut des signaux n'ont pas été respectées. Pour effectuer chaque mesure, la porte M est d'abord la seule ouverte, ce qui permet l'intégration par le conden- sateur C du signal à mesurer. La porte M est ensuite fermée et la porte E ouverte pendant un temps T., ce qui permet l'échantillonnage du signal mesuré. On effectue ensuite la remise à zéro, c'est-à-dire la décharge, du condensateur C avant le début d'une nouvelle mesure. Avec le dispositif de commutation du condensateur de stockage qui est représenté sur la figure 1, cette remise à zéro se fait en trois étapes. Au cours de chaque étape, une seule porte analogique est ouverte selon l'ordre croissant des résistance en série avec les portes. C'est-à-dire que si l'on suppose que les résis- - tances R1, R2 et R3 ont des valeurs croissantes, la porte Z1 est d'abord la seule ouverte pendant un temps Tl, la porte Z1 étant fermée c'est ensuite la porte Z2 qui est ouverte pendant un temps T2, et enfin la porte Z2 étant fermée c'est la porte Z3 qui est ouverte pendant un temps T Y La somme des temps Tl, T2 et T3 est égale au temps TZ de remise à zéro du condensateur de stockage C. lorsque le dispositif de commutation comporte n cir- cuits, constitués par une résistance en série avec une porte analogique, la commutation du condensateur se fait en n étape en ouvrant à chaque étape une seule porte analogique selon l'ordre croissant des résistances en série avec les portes. Le dispositif de commutation selon l'invention com- porte plusieurs portes analogiques et on dispose donc de plusieurs constantes de temps Ri Ci (4 i sieurs bandes passantes. Le condensateur de stockage est commuté en un nombre d'étapes égal au nombre de portes ana- logiques par commutation de ces portes et avec augmentation 6 2465275 d'une étape à la suivante de la résistance équivalente au dispositif de commutation. Ainsi, au début de la remise à zéro, la constante de temps est faible et la bande passante étroite, ce qui permet une décharge rapide du condensateur de stockage. Par contre, à la fin de la remise à zéro, la constante de temps est importante et la bande passante large,ce qui permet la diminution du bruit dû à l'amplifi- cateur opérationnel et l'augmentation de la précision de la mesure. Par rapport au dispositif de commutation selon l'art antérieur, le dispositif selon l'invention permet pour un temps de remise à zéro Tz donné, d'augmenter'la précision sur la mesure ou bien pour une précision sur la mesure don- née, de diminuer le temps de remise à zéro. lia commutation des-portes analogiques lors de la remise à zéro peut également se faire en ouvrant toutes les portes lors de la première étape et en fermant ensuite à chaque étape l'une des porte selon l'ordre croissant des résistances en série avec les portes. Dans ce cas, les va- leurs de résistance Ri qui sont choisies pour optimiser la remise à zéro sont légèrement différentes de celles choisies lorsqu'on ouvre à chaque étape une seule porte analogique. Dans le cas de la figure 1 et si on suppose toujours que les résistances R l R2' et R3 ont des valeurs croissantes, la remise à zéro se fait en trois étapes: lors de la première étape, les portes Z1, Z2 et Z3 sont ouvertes. Lors de la seconde étape, la porte Z1 est fermée. Lors de la troisième étape enfin, les portes Z et Z2 sont fermées et seule la i 2 porte Z3 est ouverte. A la fin de la troisième étape, on ferme la porte Z3. On considère donc que le condensateur de stockage est déchargé et que sa commutation est terminée. Les figures 4a à c représentent des diagrammes de signaux susceptibles d'être appliqués aux portes Z1, Z2 et Z3 de la figure llorsque la commutation des portes analogiques se fait de la façon précédemment décrite. Dans ce cas, les signaux V 1, VZ2 et VZ3 passent au niveau haut au même ins- 7 2465275 tant, au début de la remise à zéro, mais le signal VZ1 passe au niveau bas au-bout d'un temps T1 correspondent à la durée de la première étape, le signal VZ2 passe au niveau bas au bout d'un temps T2 correspondant à la durée des deux pre- mières étapes et le signal VZ3 passe au niveau bas au bout d'un temps T3 qui est égal au temps Tz de la remise à zéro totale. Le fonctionnement de l'ensemble représenté sur la figure 1 n'est donné qu'à titre d'exemple. En particulier la porte M peut être laissée ouverte pendant un temps TM, qui correspond à la mesure proprement dite et à l'échantil- lonnage réalisé sur cette mesure. A la limite, la porte M14 peut même être laissée en permanence ouverte. La figure 2 représente un échantillonneur comportant un dispositif de commutation selon l'invention. Cet échan- tillonneur est constitué par un amplificateur opérationnel 2 et un condensateur de stockage C monté entre l'entrée de t- el'amplificateur qui reçoit le signal à échantillonner et la masse. Le signal à échantillonner est fourni à l'amplifica- teur par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation du condensateur de stockage selon l'invention. Sur la figure 2, ce dispositif de commutation est, comme sur la figure 1, constitué par trois circuits montés en parallèle et consti- tués par une porte analogique Z1, Z2 et Z3 en série avec une résistance R1, R2 et R3. Les signaux de commande VZl, VZ2 et VZ3 qui sont représentés sur les figures 3c, d, e et 4a, Z5 b, c peuvent être appliqués aux portes Z1, Z2 et Z3 pour assurer la commutation du condensateur C, c'est-à-dire sa charge lors de la prise d'un échantillon. Comme dans le cas de la figure 1, dans le cas de la figure 2, le dispositif de commutation selon l'invention permet de cozmencer la commu- tation du condensateur C avec une faible constante de temps et permet de terminer cette commutation avec i-e grande constante de temps. Ainsi le début de la comnu-tation permet d'accroître la rapidité de la mesure et la fin de la commu- 8 2465275 tation permet de diminuer le bruit du à l'amplificateur opérationnel. Il est donc ainsi possible d'obtenir à la fois des mesures très rapprochées dans le temps et une grande précision. Il est bien entendu aussi possible d'associer dans le même circuit de mesure un intégrateur tel que celui repré- senté sur la figure 1 et un échantillonneur tel que repré- senté sur la figure 2. Le dispositif de l'invention s'applique bien entendu à tous les circuits qui comportent un condensateur de sto- ckage à commuter, c'est-à-dire à charger ou à décharger, et pas seulement aux intégrateurs et aux échantillonneurs. 9 2465275 R E V E N D I C A 1? I 0 if S 1. Dispositif de commutation d'un condensateur de stockage, assurant la charge ou la décharge d'un condensa- teur de stockage monté respectivement en série ou en parallèle avec ce dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte, montés en parallèle, n circuits constitués par une porte analogique de commutation en série avec une résistance, et caractérisé en ce que le condensateur de stockage est commuté en n étapes par commutation des portes analogiques qui assurent l'aug- mentation d'un étape à la suivante de la résistance équiva- lente au dispositif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une seule porte analogique est ouverte à chaque étape selon l'ordre croissant des résistances en série avec les portes. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à la première étape toutes les portes sont ouvertes en ce que l'une des portes est ensuite fermée à chaque étape selon l'ordre croissant des résistances en série avec les portes. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que n égale deux ou trois. 5. Intégrateur constitué par un amplificateur opéra- tionnel et un condensateur de stockage disposé entre l'en- trée négative et la sortie de l'amplificateur, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commutation selon l'une des revendications 1 à 4 monté en parallèle sur le condensateur de stockage. 6. Echantillonneur constitué par un amplificateur opé- rationnel et par un condensateur de stockage monté entre une entrée de l'amplificateur et la masse, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commutation selon l'une des revendications 1 à 4 en série avec le condensateur de sto- ckage.