Brevet FR2478405A1 — publié le 19810918

-1 2478405 Les amplificateurs différentiels ayant une caractéris- tique passe-bas sont bien connus et sont fréquemment utilis és dans des systèmes de commande ou contrôle par contre-réaction pour régler des paramètres tels que la fréquence, la phase, l'amplitude, le niveau en courant continu et autres, d'un signal qui est traité. Un problème important est pw é quand on utilise un amplificateur différentiel pour amplifier des signaux à basse fréquence qui peuvent Atre accompagnés de quantités importantes de bruit à haute fréquence. Par exemple, dans des amplificateurs du type utilisant l'effet Miller pour obtenir une caractéristique passe-bas, un ou plusieurs étages peuvent ttre saturés si le signal d'entrée contient une composante de bruit impulsionnel de forte amplitude ayant une largeur ou durée d'impulsion inférieure au temps de réponse de l'amplificateur. Un pré-filtrage du signal pour obtenir une caractéristique passe-bas peut conduire à des valeurs impossibles des éléments si l'on souhaite un point de rupture à très basse fréquence et ne donne pas une suppression du bruit produit dans l'amplificateur. Un post-filtrage supprime le bruit produit dans l'amplifica- teur mais ne peut généralement empêcher sa saturation lors de la présence de composantes de bruit dans le signal d'entrée. La présente invention est dirigée vers un amplifica- teur différentiel ayant une caractéristique passe-bas et o: (1) le bruit produit intérieurement est supprimé; (2) des points de rupture à très basse fréquence peuvent être réalisés avec des valeurs pratiques des éléments et (3) l'amplificateur n'a sensiblement pas tendance à se saturer en présence de composantes de bruit d'entrée à haute fréquence. Selon la présente invention, des moyens sont prévus pour relier l'entrée d'un étage suiveur de tension à un point de potentiel de référence par un condensateur et relier alternativement un autre condensateur entre deux bornes d'entrée et relier l'autre condensateur en parallèle avec l'étage suiveur de tension pendant des intervalles de temps mutuellement exclusifs. Selon un autre aspect de l'invention, l'4tage suiveur de tension est d'un type présentant une tension de décalage et des moyens sont prévus pour ajouter une composante de tension en mode différentiel, au signal d'entrée de l'amplificateur pour agir contre ce décalage. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaltront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 donne un schéma bloc, partiellement sous forme schématique, d'un amplificateur différentiel selon l'invention; - la figure 2 est un schéma bloc, partiellement sous forme schématique,dure modification de l'amplificateur différentiel de la figure 1; - la figure 3 donne un schéma bloc d'un générateur d'impulsion de temporisation adapté à une utilisation avec l'amplificateur différentiel selon l'invention; et - la figure 4 est un schéma d'un amplificateur différentiel selon l'invention. Sur la figure 1, l'amplificateur 10 est un suiveur de tension ayant un gain de tension ne dépassant pas l'unité. Cela peut ttre, par exemple, un amplificateur opérationnel non inverseur à gain unitaire, un émetteur suiveur, un cathode-suiveuee ou un source suiveuse. De préférence, dans ce mode de réalisation, cela peut ttre un amplificateur à source suiveuse ou à émetteur suiveur en cascade complémentaire annulant le décalage. Dans de tels suiveurs de tension, qui sont bien connus, un décalage sensiblement nul est réalisé en appliquant le signal de sortie d'un transistor suiveur de tension d'un type de conductivité à l' entrée d'un transistor suiveur de tension du type de conductivité opposée (par exemple une connexion en cascade d'un étage en collecteur commun du type NPN suivi ou précédé d'un étage en collecteur commtu du type PNP. L'entrée du suiveur de tension 10 est reliée à un point de potentiel de référence (masse) par un condensateur 12 et à une borne de sortie 14. La connexion de la borne de sortie 14 à la borme d'entrée du suiveur 10 a pour but de produire un signal de sortie proportiomannel l'état de charge du condensateur 12, qui est libre de toute composante de tension de décalage pouvant être présentée par le suiveur 10. Alternativement, comme cela est indiqué par les pointillés, un signal de sortie proportionnel à l' état de charge du condensateur 12 peut être dérivé de 1' amplificateur différentiel en reliant une autre borne de sortie 16 à la sortie du suiveur 10. La dérivation d'un signal de sortie de cette façon présente l'avantage de produire une faible impeédance de source pour l'attaque de chargesubséquentea Le condensateur 12 reçoit sa charge proportionnellement à la composante en mode différentiel d'un signal d'entrée appliqué aux bornes d'entrée inverse (20) et directe (22) au moyen d'un autre condensateur 24 et un agencement de commutation comprenant deux interrupteurs à va-et-vient 26 et 28 commandés par un générateur d'impulsionsde temporisation à deux phases 29. L'interrupteur 26 est agencé pour relier l'armature supérieure du condensateur 24 à la borne d'entrée inverse 20 en réponse à un signal de phase un 1) produit par le générateur 29 et pour relier l'armature supérieure du condensateur 24. à la sortie de l'amplificateur en réponse à un signal de phase deux 42). du générateur 29. L'interrupteur 28 est agencé pour relier l'armature infé- rieure du condensateur 24 à la borne d'entrée directe 22 de l'amplificateur en réponse à 01 et pour relier l'armature inférieure du condensateur 24 à l'entrée du suiveur 10 en réponse à 42. Les phases 1 et f2 ne se chevauchent pas, c'est-à-dire qu'elles sont présentes uniquement pendant 2 t7840 des périodes de temps mutuellement exclusives. En fonctionnement, les interrupteurs 26 et 2B relient alternativement le condensateur 24 aux bornes d'entrée inverse (20) et directe (22) de l'amplificateur diffé- rentiel et relient le condensateur 24 en parallèle avec le suiveur de tension pendant des périodes de temps mutuellement exclusives. Pendant la période o +1 est présente, le condensateur 24 reçoit une charge proportion- nellement à la composante en mode différentiel du signal d'entrée appliqué aux bornes 20 et 22. Pendant la période o 42 est présente, la connexion du condensateur 24 en parallèle avec le suiveur de tension 10 a pour résultat un effet de contre-réaction positive qui force la charge au condensateur 24 à ttre transférée au condensateur 12 et produit ainsi un changement incrémentiel ce la tension de sortie à la borne 14 (ou 16), proportionnellement à la tension en mode différentiel et au rapport des valeurs des condensateurs 24 et 12. Si la composante en mode différentiel du signal d'entrée est 0 et que seule une composante en mode commun est présente, le condensateur 24 ne reçoit pas de charge pendant la période f. En conséquence, aucune charge n'est transférée au condensateur 12 pendant la période $2 et la composante en mode commun est par conséquent rejetée. La réponse en fréquence de l'amplificateur diffé- rentiel de la figure 1 est caractérisée par un point de rupture dominant à basse fréquence (retard) qui, à une bonne approximation, dépend d'un rapport de capacité et d'une fréquence de commutation. Cela présente un avantage parce que des points de rupture à très basse fréquence (quelques hertz ou moins) peuvent être réalisés sans devoir utiliser des résistances ou condensateurs de forte valeur. Le condensateur 24 présente une résistance équivalnte Re (en ohms) qui peut être oltenue approximativement par l'inverse du produit de sa valbr (en farads) multiplié par la fréquence de commutation, fs (en hertz). A la lecture de ce qui précède, et en supposant, pour simplifier, que Re!2 Rte Rt étant la résistance totale dans le trajet de charge-décharge du condensateur 24 et que la tension de décalage du suiveur 10 est négligeable, on peut obtenir approximativement le point dominant de rupture (retard) pour l'amplificateur différentiel de la figure 1 par fs C24 fc = 2 Cî (1) o: fú est la fréquence de coin en hertz, fs est la fréquence de commutation en hertz, C12 est la valeur du condensateur 12 en farads, et C24 est la valeur du condensateur 24 en farads. Le gain en tension continueen boucle ouverte de l'amplificateur différentiel de la figure 1 est Xonction du gain en tension du suiveur 10. Plus particulièrement Av = f (1/1-A) (2) o: AV est le gain en tension en mode différentiel, et A est le gain en tension du suiveur de tension. Il est instructif de noter, de l'équation 2, que le gain en tension de l'amplificateur augmente tandis que le gain en tension du suiveur de tension 10 s'approche de l'unité. L'équation 2 ne s'applique pas pour un gain du suiveur de tension supérieur à l'unité. Dans ce cas, une condition de contre-réaction se produira, rendant l'amplificateur inopératif. En conséquence, selon un aspect de l'invention, l'amplificateur 10 ne doit pas présenter un gain en tension supérieur à l'unité. En résumant les caractéristiques de l'exemple de la figure 1, des points de rupture à très basse fréquence peuvent être réalisés sans devoir recourir à des composants de valeur relativement élevée. Cela provient de l'équation 1 et de sa discussion. Une autre caractéristique concerne le fait que toutes les composantes de bruit présentes dans le signal d'entrée sont intégrées par le condensateur 12 ainsi que les composantes de bruit produites dans le suiveur de tension 10. Comme le signal d'entrée au suiveur de tension 10 est appliqué au condensateur 12, qui filtre les composantes du bruit d'entrée, il y a peu de probabilité de la saturation de 1' amplificateur 10, quelle que soit la largeur ou l'amplitude d'impulsion des composantes du bruit d'entrée. Dans la description de la figure 1, on a supposé que le suiveur de tension 10 présentait une tension de décalage relativement faible ou négligeable. Une telle caractéristique est souhaitable mais n'est pas essentielle pour atteindre les bénéfices de l'invention. La tension de décalage dans le suiveur de tension 10 aura pour effet d'introduire un décalage en courant continu a la tension de sortie. Dans les cas o le décalage du suiveur 10 est gtnant, on peut annuler son effet selon un autre aspect de l'invention, en ajoutant un décalage égal au signal d'entrée, sous forme d'une composante en mode différentiel comme cela est illustré sur la figure 2. Le décalage d'annulation est introduit en connectant un second suiveur de tension 30 dans le trajet de circuit entre la borne d'entrée inverse 20 et l'interrupteur 26, l'entrée de l'amplificateur 30 étant reliée à la borne 20 et sa sortie étant reliée à l'interrupteur 26. Le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 2 est sensiblement identique à celui de la figure 1 à l'exception que le condensateur 24 se charge à un niveau de tension qui est égal à la composante en mode différentiel du signal d'entrée entre les bornes 20 et 22 moins la tension de décalage du suiveur de tension 30. En conséquence, quand la composante en mode différentiel est égale à zéro, le condensateur 24 se charge jusqu'à la tension de décalage du suiveur 30 pendant la période 41 mais comme cette tension est égale à la tension de décalage du suiveur 10, aucune charge n'est transférée au condensateur 12 pendant la période *2, et ainsi la tension à la sortie est rendue indépendante de la tension de décalage du suiveur 10, Une compensation maximum du décalage est obtenue quand le décalage du suiveur 30 est choisi pour être sensiblement égal à celui du sudivSlur 10. De préférence, les EiiJeurs 10 et 30 sont construits avec des dispositifs sensiblemeznt identiques, alimentés de courans permanenti de polarisation sensiblement identique& La figure 3 illustre un procédé préfére pour produire des impulsions de temporisation ne se chevauchant pas pour la coànande des intern-pteur.s 26 et 28. Sr la figure 3, un osoillateur 40 est relié Dour appliquer un signal de commutation en créneau à un diviseur de phase z.1 qUi applique des signaux de sortie en créneau réel et complé- mentaire, aux bornes d'entrée respectives de portes NON-0U 42 et 43. La borne de sortie de chaque porte NON-OU est reliée en couplage croisés, à une borne d'entrée de l'autre, afin de produire ainsi une contre-réaction qui emptche une validation simultanée des deux portes. En conséquence, les signaux 41 et (2 produits aux bornes de sortie des portes 42 et 43, respectivement, se produisent pendent des périodes de temps mutuellement exclusives. En se référant de nouveau à l' équation 1, la fréquence de l'oscillateur 40 peut être modifiée pour contraler la fréquence E coin fc de l'amplifi= cateur différentiel. La figure 4 illustre une mise en oeuvre préférée de l'amplificateur différent'iel de la figure 2 avec des transis- tors à effet de champ à canaux du type N. A l1 exception du transistor Q6 en mode d épuisement auto-polarisé, tous les autres tran-sistors sont des dispositifs en mode d'enrichissement, Les amplificateurs 10 et 30 sont mis en oeuvre par des transistors QI et Q2 connectés en drain commun, qui fonctionnent comme des suiveurs de soice (tension) O Le transistor' QI est relié par sa porte, à la borne de sortie 14 et par le condensateur 129 à la masseo Les drains des transistors QI et Q2 sont reliés à ue borne 50 de tension d'alimentation pour recevoir une source de potentiel positif de fonctionnement +V0 La porte du transistor Q2 est reliée à la borne d'entrée inverse 20. De préférence, les transistors Q1 et LQ2 sont appariés de façon à présenter des valeurs égales de tension porte- source, Vgs, pour des valeurs égales du courant de source. De cette façon, on peut équilibrer les tensions de dé- calage de Q1 et Q2 en réglant les courants permanents de source à des valeurs constantes et égales. Cette fonction est obtenue par un amplificateur miroir de courant à sortie doub3e formé des transistors Q3-Q5 qui est alimen- té par un courant de sortie réglé par le transistor Q6 en mode d'épuisement et auto-polarisé. Plus particulièrement, les sources des transistors Q1 et Q2 sont reliées, respectivement, auOdrainsdes tran- sistors à source commune Q4 et Q5. Les transistors Q4 et Q5 sont choisis pour avoir des transconductances appariées et sont relié par leurs porte au noeud 51. La tension au noeud 51 est réglée au moyen du transistor Q3 relié en source commune et auto-polarisé, qui est relié entre le noeud 51 et la masse. Un courant constant est appliqué au noeud 51, par le transistor Q6 auto-polarisé et en mode d'épuisement, qui est relié entre la borne d'alimentation et la noeud 51. Comme les transistors Q4 et Q5 cet des transconductances appariées et ont des tensions porte-source égales réglées par un élément commun (Q3), les courants permanents de source des transistors Q1 et Q2 seront appariés et ainsi Q1 et Q2 présenteront des valeurs sensi- blement égales de tension de décalage. L'interrupteur 26 de la figure 2 est mis en oeuvre sur la figure 4 au moyen de transistors Q7 et Q8 dont les trajets de conduction sont reliés en série dans cet ordre entre les sources des transistors Q2 et Q1. L'interrupteur 28 est mis en oeuvre au moyen de transistors Q9 et Q10 dont les trajets de conduction sont reliés en série dans cet ordre entre la borne d'entrée directe 22 et la porte du transistor Q1. Comme sur la figure 2, l'entrée suiveuse (porte de Q1) est reliée à la borne de sortie 14 de l'ampli- ficateur et à la masse par le condensateur 12. Le condensa - teur 24 est relié entre la connexion commune des trajets de conduction des transistors Q7 et Q8 et la connexion commune des trajets de conduction des transistors Q9 et Q10. Le contrtle des transistors Q7-QlO est obtenu en appliquant la sortie +1 du générateur -d'impulsiors de temporisation 29 aux portes des transistors Y7 etC9 et en appliquant la sortie 1)2 aux portes des transistors Q8 et Q10. Comme dans l'exemple de la figure 1, un signal de sortie dépourvu de décalage peut ttre pris à la borne 14 ou alternativement, comme cela est indiqué en pointillés), un signal de sortie peut être pris à la borne 16, qui est reliéà la source du transistor Qi o on souhaite une faible impédance de sortie. Le fonctionnement général du circuit de la figure 4 correspond à celui précédemment décrit pour la figure 2. Les transistors Q7 et Q9 passent à la fermeture quand la tension 41 est haute et que le condensateur 24 se charge à un niveau de tension qui est égal à la composante de signal en mode différentiel du signal d'entrée appliqué entre les bornes 22 et 20 moins la tension porte-source du transistor suiveur de source Q2. Quand la tension +2 est haute, les transistors QS et Q10 passent à la fermeture et la charge au condensateur 24, due uniquement à la compo- sante en mode différentiel du signal d'entréeest transférée au condensateur 12, avec pour résultat un changement de la tension de sortie proportionnel à la composante en mode différentiel et sensiblement indépendant des tensions de décalage (Vg,) des transistors QI et Q2. Quand ni 01 ni A2 n'est haute, les transistors Q7-Q10 sont tous ouverts et le condensateur 24 est efficacement isolé des bornes d'entrée et du transistor QI. On notera que des transistors bipolaires plutôt que des transistors à effet de champ peuvent ttre utilisés dans la mise en pratique de l'invention et que les types de conductivité peuvent 'tre inversés, avec un changement approprié des potentiels relatifs de fonctionnement. Bien qu'une source de courant régulé de façon commune ait été représentée pour les transistors Qi et Q2, on peut par ailleurs utiliser des sources séparées régulées au non régulées dans une application particulière. On notera également que les amplificateurs différentiels selon l'invention peuvent ttre utilisés dans des applications de circuit iverse et non inverse par une application appropriée de contre-réaction, qui peut être négative pour une réponse linéaire ou positive si l'on souhaite une caractéristique non linéaire. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens consltuant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif amplificateur ayant une caractéristique passe-bas caractérisé par: deux bornes d'entrée (20 22) des premier et second condensateurs (24, 12) 9 un- suiveur de tension (10) ayant une borne d'entrée reliée à uni point de potentiel de référence par ledit second condensateur; et un moyen de commutation (26, 28) pour alternativement relier ledit premier condensateur auxdites bornes dlentrée et relier ledit premier condensateur en parallèle avec ledit suiveur de tension pendant des intervalles de ternOs mutuellement exclusifs. 2. Amplificateur différentiel ayant une caractéristique passe-bas caractériss par: des première et seconde bornes dtentrée d'amplifica- teur (20, 22) pour recevoir un signal d'entrée 3 des premier et second condensateurs (24, 12) s un suiveur de tension (10) ayant une borne d'entrée reliée par ledit second condensateur à un point de potentiel de référence $ un moyen (26, 28) pour alternativement relier ledit premier condensateur auxdites bornes d'entrée de Il amplifi= cateur et relier ledit premier condensateur en parallèle avec ledit suiveur de tension pendant des périodes de temps mutuellement exclusives, et %in moyen de sortie (14, 16) relié à un point dudit amplificateur pour -produire une tension de sortie proportiomlelle à 1 état de cha-rge cldudit condensateur. 3. Amplificateur selon la revendication 2 du type 0 ou le suiveur de tension est d'un type présentant une tension de décalage tendanut à forcer ledit amplificateur à présenter unme tension de décalage d'entrée, caractérisé par un second suiveur de tension (30) ayant une tension de décalage sensiblement identique à celle dudit premier suiveur de tension; et un moyen pour ajouter la tension de décalage dudit second suiveur de tension au signal d'entrée dans un sens tendant à diminuer la tension de décalage d' entrée dudit amplificateur. 4. Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen précité pour alternativement connecter le premier condensateur est un moyen formant commutateur électronique (26, 28) sensible à une première manifestation d'un signal de commande pour relier le premier condensateur aux bornes d'entrée de l'amplificateur, sensible à une seconde manifestation d'un signal de commande pour isdor le premier condensateur des bornes d'entrée et du suiveur de tension et sensible à une troisième manifestation d'un signal de commande pour relier le premier condensateur en parallèle avec le suiveur de tension. 5. Amplificateur selon la revendication 4, du type o le moyen formant commutateur électronique précité comporte quatre portes de transmission et comprend de plus un générateur d'impulsiorsde temporisation pour appliquer un premier signal de commande à une paire de portes pendant un premier intervalle de temps et un second signal de commande à une autre paire de portes pendant un second intervalle de temps, lesdits intervalles ne se chevauchant pas, caractérisé par: un oscillateur (40) pour produire un signal de sortie, un diviseur de phase (41) sensible au signal à la sortie de l'oscillateur pour produire deux signaux complé- mentaires de sortie; deux portes (42, 43) pour dériver les signaux de commande des signaux complémentaires de sortie; et un trajet séparé de contre-réaction de la sortie de chaque porte à l'entrée de l'autre pour empocher lesdites portes d'être simultanément validées. 6. Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de sortie précité comprend une borne de sortie (14);et un moyen reliant ladite borne de sortie à la borne d'entrée du suiveur de tension. 7. Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de sortie précité comprend une borne de sortie; et un moyen reliant ladite borne de sortie à une borne de sortie du suiveur de tension. 8. Amplificateur différentiel ayant une caractéristique passe-bas caractérisé par: une borne d'entrée inverse (20) et ureborne d'entrée directe (22) pour recevoir une tension différentielle, un condensateur d'entrée (24) et un condensateur de sortie (12); un premier suiveur de tension (10) ayant une borne d'entrée reliée par ledit condensateur de sortie à un point de potentiel de référence; un second suiveur de tension (30) ayant une borne d'entrée reliée à l'une des bornes d'entrée de l'amplifi- cateur; un moyen de commutation (26, 28) pour relier alterna- tivement le condensateur d'entrée à une borne de sortie du second suiveur de tension et l'autre des bornes d'entrée de l'amplificateur et pour relier le condensateur d'entrée en parallèle avec le premier suiveur de tension pendant des intervalles de temps mutuellement exclusifs; et une borne de sortie (14) reliée à un point dans ledit amplificateur pour produire une tension de sortie proportionnelle à l'état de charge du condensateur de sortie. 9. Amplificateur selon la revendication 8, du type o la borne d'entrée du second suiveur de tension est reliée à la borne de sortie inverse de l'amplificateur, caractérisé en ce que le moyen de commutation précité comprend: une première porte de transmission (Q9) ayant un trajet de conduction relié entre une première armature du condensateur d'entrée et la borne d'entrée directe de l'amplificateur; une seconde porte de transmission (Q7) ayant un trajet de conduction relié entre une seconde armature du conden- sateur d'entrée et la borne de sortie du second suiveur de tension; une troisième porte de transmission (Qo) ayant un trajet de conduction relié entre une borne de sortie du premier suiveur de tension et la seconde armature du condensateur d'entrée; une quatrième porte de transmission (Q10) ayant un trajet de conduction relié entre la borne d'entrée et du premier suiveur de tension et la première armature du condensateur d'entrée; et un moyen générateur d'impulsions de temporisation (29) relié aux portes de transmission pour fermer périodi- quement les première et seconde portes de transmission pendant un premier intervalle de temps et fermer les troisième et quatrième portes de transmission pendant un second intervalle de temps ne chevauchant pas le premier.