Brevet FR2479606A1 — publié le 19811002

Les amplificateurs différentiels monobloc ont des portées dyna- miques limitées tant à l'entrée qu'à la sortie, et c'est dans les li- mites de ces portées que l'on doit maintenir un signal pour éviter des ruptures de tension ou des pannes catastrophiques dues à des niveaux élevés de puissance. Pendant de nombreuses années, on a eu recours à l'expédient le plus simple qui consiste à relier directement des li- miteurs à diodes aux conducteurs véhiculant le signal d'entrée, afin de protéger l'étage de sortie. Dans des amplificateurs o l'on a be- soin d'une forte tension de sortie, il est désormais courant d'empiler un ou plusieurs transistors dans des dispositions que les Américains appellent "mâts de totem" entre les tensions d'alimentation et les transistors de sortie de l'amplificateur, afin d'assurer simultané- ment les chutes requises de tension et la portée dynamique désirée. Toutefois, ces dispositions en mat de totem, en et par elles-mêmes, ont des limites pratiques qui se traduisent par un blocage en sur- charge, une détérioration du taux de balayage et de la largeur de bande pour signaux auxiliaires, tout en ayant tendance au glissement. Conformément à la présente invention, un préamplificateur de tension d'alimentation pour un ou plusieurs amplificateurs différentiels monobloc qui se partagent des sources communes d'alimentation comprend un amplificateur différentiel monobloc supplémentaire qui fonctionne en tant qu'ampli à charge de tension suspendu entre une source de courant et un drain de courant, qui sont tous deux, de préférence, des dispo- sitifs actifs reliés à leur tour et respectivement à des alimentations en tensions appropriées tant positives que négatives. L'amplificateur différentiel de préamplification de la tension d'alimentation est ex- cité par le m9me signal d'entrée ou par un composant de celui-ci, qui est appliqué à l'amplificateur différentiel de signaux de telle sorte que les niveaux de tension de la puissance d'alimentation changent en fonction du signal d'entrée. Des dispositifs de contr8le du courant peuvent être incorporés afin d'accroître la vitesse de glissement d'un niveau à l'autre, Cela permet d'obtenir une augmentation substantielle de la portée dynamique d'entrée de l'amplificateur différentiel des signaux, sans toutefois compromettre la largeur de bande de signaux auxiliaires, ni la stabilité, le taux de glissement, l'impédance d'en- trée, le décalage à la sortie, ou le gain aux bornes de sortie. Plusieurs modes possibles de réalisation du préamplificateur de tension d'alimentation suivant la présente invention peuvent 8tre en- visagés, selon le nombre et le mode de fonctionnement des amplificateurs 2 - différentiels monobloc qu'alimente ce préamplificateur de tension d'a- limentation, les conditions requises pour le courant, les tensions pré- vues pour le signal d'entrée, et la nécessité de prévoir des circuits de protection. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention consiste à prévoir un préamplificateur de tension d'alimentation qui traite un signal d'entrée, ou un composant de celui-ci, afin de fournir des ten- sions d'alimentation convenablement étalonnées pour un ou plusieurs am- plificateurs différentiels monobloc. Un autre but consiste à prévoir un préamplificateur de tension d'alimentation pour un ou plusieurs amplificateurs différentiels mono- bloc afin d'autoriser un accroissement de la portée dynamique du signal d'entrée sans compromettre la largeur de bande de signaux auxiliaires, la stabilité, le taux de glissement, l'impédance d'entrée, le décalage de sortie, ou le gain aux bornes de sortie. Un autre but de la présente invention consiste à prévoir un pré- amplificateur de tension d'alimentation pour un amplificateur différen- tiel monobloc qui est capable de glisser aussi bien dans le sens po- sitif que dans le sens négatif sur toute l'étendue de la portée dy- namique. Enfin, l'invention a pour but de prévoir un préamplificateur de tension d'alimentation pour amplificateur différentiel monobloc, dans lequel on a incorporé un montage de surcharge. D'autres buts et avantages ressortiront clairement aux spécia- listes dans l'art au cours de la lecture de la description qui suit, si l'on se réfère au dessin annexé, sur lequel: La FIGURE 1 montre un schéma simplifié des connexions d'un pré- amplificateur pour tension d'alimentation qui traite le signal d'entrée ordinaire appliqué à l'amplificateur différentiel; La FIGURE 2 est un schéma simplifié des connexions d'un pré- amplificateur de tension d'alimentation réalisé conformément à l'inven- tion; La FIGURE 3 est un schéma simplifié des connexions d'un préampli- ficateur de tension d'alimentation auquel on a incorporé un montage de surcharge, et La FIGURE 4 est un schéma simplifié d'un amplificateur différen- tiel-type auquel on a incorporé deux préamplificateurs de tension d'a- limentation. Si l'on examine tout d'abord le schéma de la Figure 1 du dessin, -3 - on y voit un amplificateur différentiel comprenant une entrée différen- tielle à charge de tension formée de deux amplificateurs différentiels monobloc 10 et 12 du genre que l'on trouve couramment dans le commer- ce, chacun de ces amplificateurs ayant une entrée à inversion (-), une entrée à non-inversion (+) et une sortie. Les sorties des amplifica- teurs 10 et 12 sont reliées aux entrées - de ceux-ci à travers des résistances respectives 14 et 16, et entre elles à travers une résis- tance 18. Les entrées + des amplificateurs 10 et 12 sont reliées respec- tivement aux bornes d'entrée 20 et 22 auxquelles on peut appliquer un signal différentiel d'entrée Ein. Les sorties des amplificateurs à charge de tension 10 et 12 sont reliées respectivement,-à travers des résistan- ces d'égale valeur 24 et 26, aux entrées respectivement - et + d'un ampli- ficateur différentiel monobloc 30. La sortie de cet amplificateur diffé- rentiel 30 est reliée à son entrée - à travers une résistance à réaction 32, tandis que son entrée + est mise à la masse à travers une résistance 34 dont la valeur est identique à celle de la résistance 32. Un signal différentiel de sortie E est ainsi disponible à une borne de sortie 36. out Le signal d'entrée Ein peut comporter un composant ordinaire et un composant différentiel. Autrement dit, alors qu'il existe entre les bornes 20 et 22 un signal diffqrentiel:*qui doit 9tre amplifié, on peut citer, à titre d'exemple d'un signal selon le mode ordinaire, une onde sinusoïdale d'une tension de ligne de 60-hertz que l'on applique aux deux entrées. Des résistances 40 et 42 de m9me valeur sont branchées en série entre les sorties des amplificateurs 10 et 12, et le composant ordinaire du signal d'entrée prélevé entre ces résistances est appliqué à l'entrée + d'un amplificateur différentiel monobloc 44 qui fonctionne comme amplificateur à charge de tension pour traiter le signal ordinaire. La sortie de cet amplificateur 44 est appliquée à la base d'un tran- sistor 46 à charge d'émetteur et de contr8le du courant, dont l'émetteur est relié à l'entrée - de l'amplificateur 44. La borne positive d'ali- mentation en puissance de cet amplificateur 44 est reliée par une source de courant 48 à une alimentation appropriée de tension positive +V1 La borne négative d'alimentation de l'amplificateur 44 est reliée à travers un drain de courant 50 à une alimentation appropriée de puis- sance à tension négative -V1. On peut souligner le fait que les bornes positives d'alimentation en puissance des amplificateurs 44, 10 et 12 somt reliées entre elles et que, de m8me, les bornes négatives d'ali- mentation en puissance --------------------------------------- -4 - de ces nlëmes amplificateurs sont reliées entre elles. Des tensions de référence de fonctionnement de +VR et -VR, par rapport à l'entrée - de l'amplificateur 44, sont établies par des diodes Zener 52 et 54. Ainsi, les trois amplificateurs différentiels monobloc 44, 10 et 12 ont la mame tension de fonctionnement et se partagent le courant actif I P. GrAce à l'action à charge de tension qu'exerce l'amplificateur 44, les tensions de référence +VR et -VR font passer le signal ordinaire d'entrée sur une portée dynamique comprise entre +V1 et -V1. Le tran- sistor 46 assure un taux rapide de glissement dans le sens positif, attendu qu'un signal d'allure positive à sa base réduit sa résistance collecteur-émetteur, en augmentant le courant 1.F. Par conséquent, on peut constater que des signaux ordinaires principaux, auxquels on a su- perposé des signaux auxiliaires différentiels, peuvent être appliqués aux bornes d'entrée 20 et 22 sans risque de rupture de tension aux transistors d'entrée. En outre, la disposition adoptée permet au pré- amplificateur de tension d'alimentation d'agir collatéralement avec l'amplificateur différentiel de façon qu'il n'y ait ni compromis ni diminution dans la largeur de bande des signaux auxiliaires, la sta- bilité de l'amplificateur, le taux de glissement, l'impédance d'entrée, le décalage d'entrée, ou le gain dans la boucle ouverte. La Figure 2 montre un schéma détaillé des connexions d'un circuit préamplificateur de tension d'alimentation. Pour simplifier le dessin, les détails d'un amplificateur proprement dit, pour lequel on a prévu les tensions de référence + et -VR, sont réduits à un seul amplifica- teur différentiel monobloc 60 branché en tant qu'amplificateur à charge de tension, Toutefois, il est évident que cet amplificateur 60 peut faire partie d'un système amplificateur plus important que celui repré- senté Figure 1. Un signal d'entrée Ein est appliqué à travers une borne d'entrée 62 aux entrées + de l'amplificateur 60 et du préamplificateur différentiel monobloc 64 de la tension d'alimentation. Ce préamplifi- cateur 64 est branché comme ampli à charge de tension du fait que sa sortie est reliée à l'entrée -. La source de courant comprend un tran- sistor 66 dont l'émetteur est relié à une source appropriée de tension positive +V à travers une résistance 68 de réglage du courant. Une diode Zener 70 est branchée entre la source de courant +V et la base du tran- sistor 66 afin d'établir une tension stable de polarisation pour la source de courant. D'une manière analogue, le drain de courant comprend un transistor 72 dont l'émetteur est relié à une source appropriée de tension négative -V à travers une résistance 74 de réglage du courant. -5- Une autre diode Zener 76 est branchée entre la source de courant -V et la base du transistor 72 pour établir une tension stable de polari- sation pour le drain de courant. Un premier transistor à charge d'émetteur 80 de contr8le du cou- rant est relié par sa base à la sortie du préamplificateur 64, par son collecteur à la cathode de la diode Zener 76 et par son émetteur, à travers une autre diode Zener 82, au collecteur du transistor 66. La jonction base-émetteur du transistor 80 et la diode Zener 82 établis- sent la tension positive de référence +VR appliquée aux bornes positi- ves d'alimentation en puissance des amplificateurs différentiels mono- bloc 64 et 60. Un second transistor à charge d'émetteur 86 de contr8le du cou- rant est relié par sa base à la sortie du préamplificateur 64, par son collecteur à l'anode de la diode Zener 70 et par son émetteur, à tra- vers une autre diode Zener 86, au collecteur du transistor 72. La jonc- tion base-émetteur du transistor 86 et la diode Zener 88 établissent la tension négative de référence -VR qui est appliquée aux bornes né- gatives d'alimentation en puissance des amplificateurs différentiels monobloc 64 et 60. Un condensateur 90 à capacité élevée est branché entre les points de tension de référence +VR et -VR pour obtenir une tension stable et constante aux bornes du préamplificateur de puissance d'alimentation dans des conditions dynamiques. En service réel, des changements incrémentiels intervenant dans le signal d'entrée Ei sont reproduits à la sortie de l'amplificateur 64 par suite de l'effet de charge de tension, ainsi qu'aux bornes po- sitives et négatives d'alimentation en puissance des amplificateurs 64 et 60, grâce à l'action de charge d'émetteur assurée par les tran- sistors 80 et 86. On dispose d'une tension de sortie E à la borne out de sortie 96. Le préamplificateur de tension d'alimentation, dans le mode de réalisation que montre la Figure 2, n'a qu'une tendance fai- ble ou nulle à se bloquer à de très grandes vitesses de glissement, et glissera aussi bien dans les deux sens en raison de la présence des transistors de contr8le de courant 80 et 86. La Figure 3 montre un schéma détaillé du circuit d'un préamplifi- cateur de tension d'alimentation auquel on a incorporé un montage de surcharge. Les composants identiques à ceux déjà décrits en se référant à la Figure 2, sont désignés par les mêmes chiffres de référence, et attendu que leur fonction n'est pas modifiée, on ne décrira que les composants du circuit de surcharge. Dans ce mode de réalisation, la -6- diode Zener 82 est remplacée par deux diodes Zener 100 et 102 reliées en série, la cathode d'une autre diode 104 étant branchée entre ces deux diodes 100 et 102. L'anode de la diode 104 est reliée à l'entrée + de l'amplificateur 64. Dans ce circuit particulier, la diode 104 li- mite l'excursion dans le sens positif 64. La diode 114 sert à limiter l'excursion d'allure négative (à l'en- trée + de l'amplificateur 64) à environ -100 Volts. Une résistance 116 peut être insérée dans le trajet du signal d'entrée entre la borne d'entrée 62 et l'entrée + de l'amplificateur 64 afin de permettre des excursions de tension encore plus importantes de Ein, et des excursions de tension de Ein au-delà des barrières d'alimentation; autrement dit, on peut tolérer + 120 V, comme indiqué, si la valeur de R116 est choisie de manière à maintenir le courant d'entrée à une valeur située dans les limites du régime nominal des diodes 104 et 114, et du régime de puis- sance prévu pour la résistance 116. Des condensateurs 120 et 122, bran- chés respectivement en série entre la base et le collecteur des tran- sistors 80 et 86, et une résistance 124, branchée entre la sortie de l'amplificateur 64 et les bases de ces transistors 80 et 86, peuvent être ajoutés pour éliminer des oscillations ou bruits de fond. Des résistances 130 et 132 peuvent être ajoutées pour limiter le courant série en cas de défaillance de l'un quelconque des dispositifs semi- conducteurs dans le trajet en série entre les alimentations + et Volts. Une résistance 136 largement calculée peut être ajoutée entre les bases des transistors 66 et 72 afin de garantir une conductivité mi- nimale des diodes Zener 70 et 76. Un circuit amplificateur différentiel pratique, du type commuté par le gain, comprenant deux préamplificateurs de tension d'alimentation du genre décrit ci-dessus, est représenté sur la Figure 4. Un signal d'entrée Ein est appliqué aux bornes d'entrée 140 et 142 et parvient à travers des résistances 144 et 146 aux entrées + d'amplificateurs différentiels monobloc respectifs 148 et 150. Le signal appliqué à l'entrée + de l'amplificateur 148 l'est également à un premier préam- plificateur 152 de tension d'alimentation, qui fournit des tensions d'alimentation + et -V à l'amplificateur 148. D'une manière analogue, Rl le signal appliqué à l'entrée - de l'amplificateur 150 l'est également _ 7 - 2479606 à un second préamplificateur 154 de tension d'alimentation. Les ampli- ficateurs 148 et 150 sont branchés en tant qu'amplificateurs à charge de tension, et comprennent des résistances de valeur identique 156 et 158 branchées respectivement entre les sorties et entrées négatives -. Un commutateur 160 permet de brancher sélectivement plusieurs résistances diviseuses 162 entre les entrées des amplificateurs 148 et 150 afin de régler le gain à l'entrée. Les sorties des amplificateurs 148 et 150 à charge de tension sont appliquées à travers des résistances 166 et 168 de valeur identique aux entrées respectivement - et + d'un amplificateur différentiel monobloc 170. La sortie de cet amplifica- teur 170 est appliquée à une borne d'entrée 172, tandis qu'une résis- tance de réaction 174 est interposée entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur 170. L'entrée - de cet amplificateur 170 est mise à la masse à travers une résistance 176 dont la valeur est égale à celle de la résistance précitée 174. Dans la mesure o le signal d'entrée Ein est un signal selon le mode ordinaire, les deux préamplificateurs 152 et 154 de tension d'ali- mentatidn ont la même réponse. Toutefois, cette disposition permet aux préamplificateurs 152 et 154 de tension d'alimentation de prélever la tension d'entrée à leurs entrées respectives, et par conséquent les amplificateurs 148 et 150 reçoivent des tensions respectives d'alimen- tation qui s'alignent sur la tension du signal réel à leurs entrées + respectives. Cela est particulièrement utile lorsqu'on applique un signal d'entrée ayant une seule extrémité à l'une ou l'autre des bornes d'entrée 140 ou 142, l'autre borne d'entrée étant mise à la masse. On peut donc constater que les différents buts exposés dans le préambule de cette description, ainsi que d'autres encore, ont été pleinement réalisés. Toutefois, il convient de souligner que les modes particuliers de réalisation de l'invention qui ont été représentés et décrits ici ne l'ont été qu'à seul titre d'exemples non-limitatifs, auxquels diverses variantes et modifications pourront éventuellement être apportées sans s'écarter cependant des principes de base de l'invention. 8 - REVENDICATIONS 1. Préamplificateur de tension d'alimentation pour un premier amplificateur différentiel (10, 12) comportant des bornes de tension d'alimentation à polarités positive et négative, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un second amplificateur différentiel (30) muni de bornes de tension d'alimentation à polarités positive et négative, reliées respectivement aux bornes de tension d'alimentation à polarité posi- tive et négative dudit premier amplificateur différentiel (10, 12), ce second amplificateur différentiel (30) comprenant également une première entrée, une seconde entrée et une sortie, cette sortie étant reliée à ladite seconde entrée; b) une source de courant (20, 22) reliée auxdites bornes de tension positive d'alimentation; c) un drain de courant (14, 16, 18) relié auxdites bornes de tension négative d'alimentation; d) un premier moyen propre à fournir une tension de référen- ce (-VR, + VR,), disposé entre ladite sortie et lesdites bornes d'ali- mentation de tension positive de l'amplificateur différentiel (10, 12); e) un second moyen propre à fournir une tension de référen- ce (-VR,+VR,), branché entre ladite sortie et lesdites bornes d'ali- mentation de tension négative, et f) un moyen (20, 22) pour appliquer un signal d'entrée (Ein) audit premier amplificateur différentiel (10, 12) et au moins une par- tie de ce signal d'entrée audit second amplificateur différentiel (30). 2. Un préamplificateur de tension d'alimentation selon la Reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un moyen de contr8le du courant, relié à la sortie du second amplificateur dif- férentiel (60) afin de fournir du courant supplémentaire pendant les transitions de signal et d'assurer un glissement rapide de ladite ten- sion de référence pour détecter ledit signal d'entrée. 3. Un préamplificateur de tension d'alimentation selon la Reven- dication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de contrôle du courant comprend un premier transistor (66) polarisé dans un premier sens pour fournir du courant supplémentaire pendant les transitions de sens néga- tif du signal et un second transistor (72) polarisé dans un second sens pour fournir du courant supplémentaire pendant les transitions de sens positif dudit signal. 4. Un préamplificateur de tension d'alimentation selon la 9 9- Revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de courant et ledit drain de courant comportent des transistors à polarités opposées, dont les émetteurs sont reliés à travers des éléments d'impédance respective- ment à des première et seconde tensions d'alimentation de puissance, tan- dis que les collecteurs de ces transistors sont reliés respectivement aux bornes positive et négative de la source de tension d'alimentation. 5. Un préamplificateur de tension d'alimentation selon la Revendi- cation 1, caractérisé en ce que les premier et second moyens propres à fournir des tensions de référence comprennent des diodes Zener (52, 54; 100, 102; 110, 112). 6. Un préamplificateur de tension d'alimentation selon la Revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de pro- tection à surcharge destinés à limiter le signal d'entrée à des valeurs maximale et minimale pré-établies, ces moyens de protection à surcharge comprenant des première et seconde diodes branchées respectivement entre ladite première entrée du second amplificateur différentiel et lesdits premier et second moyens propres à fournir une tension de référence.