Brevet FR2503872A1 — publié le 19821015

87? La présente invention a trait à une sonde active de tension pour un instrument électronique de mesure. Les sondes actives de tension constituent un moyen perfectionné pour appliquer des signaux à grande vitesse à un instrument électronique de mesure, tel qu'un oscilloscope ou un analyseur logique, par rapport à ce que permettent les sondes passives. La sonde active de tension possède une plus forte impédance d'entrée avec une moindre atténuation qu'une son- de passive de tension. Son utilisation élargit le domaine des possibilités d'application de la combinaison sonde-instrument. Il existe deux types de sondes actives de tension: (1) une sonde à charge cathodique et (2) une sonde à source chargée, cette dernière version étant la plus répandue. Les sondes actives de tension de type classique comportent trois composants de base: une tète de sonde, un câble et un bottier de connexions. La tête de sonde comprend un amplificateur à source chargée, destiné à recevoir un signal en provenance de l'extrémité de la sonde, et une sortie de la source chargée est transmise par le câble à un amplifi- cateur de sortie du bottier de connexions. Etant donné que les dispositifs actifs de la tête de sonde reçoivent du courant du bottier de connexions par l'intermédiaire d'un conducteur supplémentaire dudit càble, -la sonde active classique est de construction plutôt encombrante. En outre, il est nécessaire de prévoir des bornes de connexion tant pour le signal que pour la tension d'excitation sur un tableau de l'instrument de- mesure. Lors- qu'il faut utiliser plusieurs sondes pour mesurer simultanément plusieurs paramètres de composants tels que des circuits intégrés, il est difficile de relier les sondes nécessaires aux points d'essai ou aux conducteurs de ces composants dans une zone compacte, et par conséquent il faut utiliser une plus grande surface du tableau de l'instrument pour les bornes de la tension active. De plus, les sondes de l'art antérieur ne sont pas isolées par rapport à la masse de l'instrument et par conséquent elles ne peuvent pas mesurer une tension (charge à tension constante) par rapport à une tension de référence autre que la tension zéro. Suivant la présente invention, un circuit actif d'une tête de sonde est constitué par un circuit à tension flottante qui reçoit une ten- sion de puissance à travers un conducteur extérieur, par exemple le blin- dage d'un câble co-axial. A un bottier de connexion ou un instrument de mesure, on applique une tension de suppression à une ligne de signaux ou à un conducteur interne du cable coaxial pour compenser une tension de référence. La tête de sonde comprend un amplificateur différentiel ayant des entrées à non-inversion et à inversion reliées respectivement à une 2503 87? -2- borne d'entrée (extrémité de la sonde) et à une borne de référence par l'intermédiaire de lignes à courant continu pour des composants à courant continu ou à basse-fréquence d'un signal d'entrée à mesurer, ainsi qu'un amplificateur follower relié à la borne d'entrée par l'intermédiaire d'une ligne à courant alternatif pour des composantes moyenne-fréquence et haute- fréquence du signal d'entrée. Les sorties des amplificateurs différentiel et follower sont mélangées et appliquées au conducteur interne du câble coaxial. L'amplificateur follower est un amplificateur à source chargée ou une combinaison d'une source chargée et d'une charge d'émetteur. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention consiste à prévoir une sonde active de tension qui ne nécessite aucun conducteur supplémentaire de puissance pour un circuit actif logé dans une tête de sonde. Un autre but de l'invention consiste à prévoir une sonde active de tension capable de détecter des signaux en provenance aussi bien du circuit à la masse que du circuit à tension flottante. Un but complémentaire de l'invention consiste à prévoir une son- de active de tension qui autorise une réduction sensible du coût d'assem- blage et des dimensions physiques de la sonde. Enfin, l'invention a aussi pour objet de prévoir une sonde ac- tive de tension qui ne nécessite aucun circuit complexe ni conducteur sup- plémentaire aboutissant soit au bottier des connexions, soit à un instru- ment de mesure. Les différents buts et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit et se réfère au dessin annexé dont l'unique Figure montre le schéma d'une sonde active de tension, conformément à un mode préféré de réalisation de l'invention. Si l'on se reporte au dessin, on voit que le schéma du circuit de ce mode préféré de réalisation de l'invention comprend une sonde ac- tive de tension composée d'une tête 10, d'un câble coaxial 12 et d'un cir- cuit de sortie 14 qui peut être soit un bottier de connexions, soit un instrument de mesure. La tête de sonde 10 comprend un amplificateur dif- férentiel ou opérationnel 16 et des amplificateurs à source chargée et à charge d'émetteur 18. Une entrée à non-inversion de l'amplificateur opé- rationnel 16 est reliée à la borne d'entrée 20 à travers une forte résis- tance 22 et une faible résistance 24, tandis qu'une entrée à inversion de cet amplificateur est reliée à une borne de référence 26 par l'intermédi- aire de la forte résistance 28. Une sortie de l'amplificateur 16 est reliée - 3 - par une autre forte résistance 30 à une porte d'un transistor à effet de champ (TEF) 32 qui est connectée à son tour au point commun des résistances 22 et 24 à travers une faible résistance 34, une forte résistance 36 et des condensateurs 38 et 40. Un drain du transistor TEF 32 et un collecteur du transistor NPN 42 sont reliés à un conducteur extérieur du câble coaxial 12. La résistance 44 est insérée entre une source du transistor TEF 32 et une base du transistor 42 qui est reliée à travers la résistance 46 et le condensateur 48 au point commun de la résistance 34 et du condensateur 38 ainsi qu'à travers les résistances 50 et 52 à un conducteur interne du câble coaxial 12. La résistance 54 est insérée entre un émetteur du tran- sistor 42 et le point commun des résistances 50 et 52. Le condensateur 56 est inséré entre le conducteur extérieur du câble coaxial 12 et la borne de référence 26, tandis qu'un circuit série comprenant les résistances 58, et 62 est branché entre les conducteurs extérieur et intérieur du cà- ble coaxial 12, le point commun des résistances 58 et 60 étant relié au point commun entre les résistances 52 et 54 par l'intermédiaire d'une dio- de Zener 64, alors que le point commun des résistances 60 et 62 est relié à l'entrée à non-inversion de l'amplificateur opérationnel 16. Des bornes de tension respectivement positive et négative de cet amplificateur opé- rationnel 16 sont reliées à la borne extérieure du câble coaxial 12 par l'intermédiaire de résistances respectives 50 et 52. La résistance 68 est insérée entre l'entrée à inversion et la borne de tension négative de l'amplificateur opérationnel 16. Le circuit contenu dans la tete de sonde peut être utilisé en tant que circuit différentiel. Dans le circuit de sortie 14, le conducteur extérieur du câble coaxial 12 est relié à la source de tension V1, et le conducteur intérieur de ce câble est relié d'une part à la source de tension V2 par l'inter- médiaire de la résistance terminale 70 et d'autre part à une extrémité d'entrée à non-inversion d'un comparateur 72. La tension V est supérieure à la tension V2. Il convient de noter que ce mode particulier de réalisa- tion est utilisé dans un analyseur logique. Une entrée à inversion reçoit un niveau de seuil d'une borne 74 en passant par une résistance 76. Un circuit série, comprenant une résistance 78, un potentiomètre 80 et une résistance 82, est inséré entre les entrées à non-inversion et à inversion du comparateur 72, et une prise centrale du potentiomàtre 80 reçoit la tension V3- Une sortie en push-pull du comparateur 72 est appliquée aux bornes 84 et 86. La borne d'entrée 20 détecte un signal à mesurer, en provenance d'un point de mesure d'un produit soumis à l'essai, et la borne de référen- 2503 872 -4 - ce 26 est reliée à un potentiel de référence de ce produit. L'amplificateur opérationnel 16, le transistor à effet de champ 32 et le transistor 42 re- çoivent leurs tensions de fonctionnement à partir de la source de tension V, à travers le conducteur extérieur du câble coaxial 12. Attendu que la tension V1 est la tension de courant continu, il n'y a aucun problème en ce qui concerne le conducteur extérieur qui agit en tant que blindage. Pour les composantes moyenne-fréquence et haute-fréquence du signal d'entrée, la borne d'entrée de référence 26 agit en tant que masse à courant alterna- tif, et ces composantes de fréquence traversent la résistance 24 et le con- densateur 40. La composante haute-fréquence du signal d'entrée est divisée par les condensateurs 38-48 et les capacités flottante et interélectrodes à la porte du transistor à effet de champ 32 et à la base du transistor 42. La composante haute-fréquence ainsi divisée est amplifiée par le transistor à effet de champ 32 et le transistor 42 qui fonctionnent respectivement comme amplificateur de source chargée et amplificateur à charge d'émetteur, et les courants de sortie de ces transistors sont appliqués au conducteur intérieur du câble coaxial 12 à travers la résistance 52. La composante moyenne-fréquence du signal d'entrée est divisée par les condensateurs 38-40, les capacités inter-électrodes à la porte du transistor à effet de champ TEF 32 et la base du transistor 42, ainsi que les résistances 30-36. La composante moyenne-fréquence ainsi divisée est amplifiée par les amplificateurs de source chargée et à charge d'émetteur 18, et les courants de sortie de ceux-ci sont appliqués au conducteur in- térieur du câble coaxial 12. Les composantes à courant continu et à basse-fréquence du signal d'entrée sont appliquées à l'entrée à non-inversion de l'amplificateur opé- rationnel 16 à travers la borne d'entrée 20 et les résistances 24-22, et une tension différente entre le potentiel de référence présent à la borne 26 et les composantes de courant continu et à basse-fréquence s'obtient à la sortie de l'amplificateur 16. Il convient de souligner qu'un amplifi- cateur opérationnel est en général destiné aux signaux de courant conti- nu et à basse-fréquence, et qu'il ne convient guère aux signaux à moyenne et haute-fréquence. La sortie de l'amplificateur opérationnel 16 est ap- pliquée au conducteur intérieur du câble coaxial 12 à travers la résistan- ce 30 et les amplificateurs à source chargée et à charge d'émetteur 18. Le signal obtenu au point commun des résistances 50 et 54 est renvoyé à l'entrée à inversion de l'amplificateur opérationnel 16 à travers la ré- sistance à réaction 68. La polarisation en courant continu et le gain à basse fréquence sont réglés par l'amplificateur opérationnel 16, les ré- 2503 87Z -5- sistances 22, 28, 52, 60, 62 et 68, ainsi que la diode Zener 64. Cette diode Zener est prévue dans le but de fournir le courant de suppression nécessaire pour polariser la sonde. Les bornes 20 et 26 peuvent être re- liées au circuit flottant en raison de la présence de l'amplificateur dif- férentiel 16. Etant donné que la borne de tension négative de l'amplifi- cateur 16 est reliée au point commun des résistances 50 et 52, l'amplifi- cateur 16 est rendu flottant, ce qui en améliore les caractéristiques de fonctionnement. Les gains en haute, moyenne et basse fréquences ainsi que le gain en courant continu sont réglés de façon à être égaux. Lorsque la différen- ce de tension (V20 - V26) entre les bornes 20 et 26 est nulle, le courant de sortie Iout qui circule à travers la résistance 52 et le conducteur in- térieur du câble coaxial 12 est le courant de polarisation Io déterminé par la diode Zener 64 et les autres composants. Lorsque la différence de tension entre les bornes 20 et 26 est V (positive ou négative), le courant de sortie Iout est I0 + (V/R0), o R est déterminé par les gains des amplificateurs dans la tête de sonde 10. Le courant de sortie circule vers la résistance terminale 70, et une tension aux bornes de la résistance 70 est égale à R70 [Io + (V/R)], o R70 désigne la valeur de la résistance 70. Puisque cette résistance 70 reçoit la tension V2, la tension engendrée par R70. Io est annulée, et seule la tension du composant de signal qui existe entre les bornes 20 et 26 est appliquée à l'entrée à non-inversion du comparateur 72. Les résistances 78, 80 et 82 comprennent un circuit compensé à courant continu. Dans ce mode de réalisation, l'instrument de mesure est un analyseur logique, et le comparateur 72 compare la tension d'entrée correspondante avec la tension de seuil provenant de la borne 74. Le signal push-pull obtenu aux bornes 84 et 86 est appliqué à un circuit principal de l'analyseur logique. Si l'instrument de mesure est un oscil- loscope, le point commun de la résistance 70 et du conducteur intérieur du câble coaxial 12 peut être relié à un amplificateur tampon. Un coupleur coaxial classique (non représenté) peut être utilisé pour assurer la con- nexion entre le câble coaxial 12 et le circuit de sortie 14. Bien que l'on ait décrit et représenté ici un mode préféré de réalisation de l'invention, il est évident pour tout spécialiste dans l'art que de nombreux changements et modifications peuvent lui être apportés sans s'écarter cependant des principes de base de l'invention. 2503 872 -6- R E V E N D I C A T I O N S 1. Une sonde active de tension, caractérisée en ce qu'elle com- prend: a) une tête de-sonde (10) comprenant un amplificateur dif- férentiel (16) dont les entrées sont reliées respectivement à des bornes d'entrée (20) et de référence (26) par des lignes à courant continu, et un dispositif amplificateur follower (18) dont une entrée est reliée à ladite borne d'entrée (20) par l'intermédiaire d'une ligne à courant al- ternatif, et b) un câble coaxial (12) comprenant un conducteur intérieur pour transmettre les courants de sortie entre ledit amplificateur diffé- rentiel (16) et ledit dispositif amplificateur follower (18), et un con- ducteur extérieur pour appliquer une tension de puissance en courant con- tinu audit amplificateur différentiel (16) et audit dispositif amplifi- cateur follower (18). 2. Une sonde active de tension selon la Revendication 1, carac- térisée en ce que ledit dispositif amplificateur follower (18) consiste en un amplificateur à source chargée ou une combinaison de cet amplifica- teur à source chargée (32) avec un amplificateur à charge d'émetteur (42). 3. Une sonde active de tension selon la Revendication 1, carac- térisée en ce que la sortie dudit amplificateur différentiel (16) est ap- pliquée à l'extrémité d'entrée dudit dispositif amplificateur follower (18). 4. Une sonde active de tension selon la Revendication 1, carac- térisée en ce que ledit amplificateur différentiel (16) et ledit disposi- tif amplificateur follower (18) sont réalisés sous forme d'un circuit dif- férentiel. 5. Une sonde active de tension selon la Revendication 1, dans la- quelle il est prévu en outre un circuit de sortie (14) relié à l'extrémi- té opposée dudit câble coaxial (12) par rapport à ladite tête de sonde (10), caractérisée en ce que ledit conducteur extérieur est relié à une source de tension de puissance en courant continu (V1) et que ledit conducteur intérieur est relié à une résistance terminale (70). 6. Une sonde active de tension selon la Revendication 5, carac- térisée en ce que l'autre extrémité de ladite résistance terminale (70) reçoit une tension de polarisation (V2) afin d'annuler les courants de polarisation en provenance de ladite tête de sonde (10). 7. Une sonde active de tension selon la Revendication 5, carac- térisée en ce que ledit câble coaxial (12) est relié audit circuit de sortie (14) à travers un coupleur coaxial.