Brevet FR2503956A1 — publié le 19821015

- La présente invention concerne un amplifica- teur tampon approprié comme amplificateur d'entrée pour un oscilloscope Les conditions auxquelles doit répondre un amplificateur de ce type, comprennent une haute impédance d'entrée dans le but de minimiser la charge imposée au circuit à contrôler, une haute li- néarité et une faible distorsion thermique afin de maintenir la fidélité et la précision du signal, une faible impédance de sortie, ainsi qu'une haute capaci- té de largeur de bande Dans les circuits amplifica- teurs tampons classiques, on utilise des étages d'en- trée à transistors à effet de champ en vue d'assurer la haute impédance d'entrée, ainsi qu'un seul étage de sortie constitué de l'émetteur cathodyne d'un tran- sistor bipolaire Toutefois, ces circuits classiques présentent une non-linéarité et des aberrations thermi- ques importantes de réponse en transitoires dues au si- gnal De même, en raison des limitations de la trans- conductance des transistors à effet de champ, les sys- tèmes classiques subissent une perte de réponse en haute fréquence. Suivant la présente invention, un amplifica- teur tampon perfectionné comprend un étage d'entrée hybride constitué d'un transistor à effet de champ et d'un transistor bipolaire à source cathodyne, ainsi qu'- un étage de sortie amplificateur complémentaire à émet- teur cathodyne dans lequel le temps de réponse est très court, tandis que le courant de polarisation d'entrée est pratiquement nul Les étages d'entrée et de sortie :4 (',omportent tous deux des amplificateurs à contre- réaction en vue d'éliminer les aberrations thermiques le réponse en tradrsitoires, d'accroître l'impédance d'en- trée et de maintenir un courant permanent dans l'étage de sortie La haute linéarité est inhérente à la forme de réalisation préférée, étant donné que le gain est indépendant du signal d'entrée L'amplificateur tampon 2503 956 perfectionné de la présente invention est particulière- ment utile comme étage d'entrée de l'amplificateur ver- tical d'un oscilloscope, ou comme sonde active, étant donné que des composants passifs peuvent être ajoutés en vue d'obtenir une entrée atténuée et une terminai- son inverse de ligne de transmission sans compromettre l'une ou l'autre des propriétés précitées de l'ampli- ficateur tampon lui-même. En conséquence, un objet de la présente in- vention est de fournir un amplificateur tampon perfec- tionné ayant une grande capacité de largeur de bande, une faible distorsion thermique et une haute linéarité. Un autre objet de la présente invention est de fournir un amplificateur tampon perfectionné compor- 1 S tant un étage d'entrée constitué de la source cathodyne d'un transistor à effet de champ, ainsi qu'un étage de sortie à émetteur cathodyne formant amplificateur complé- inentaire, dans lequel le temps de réponse global du cir- cuit est très court. Un autre objet encore de la présente invention est de fournir un amplificateur tampon perfectionné dans lequel l'impédance de sortie et legain du circuit sont pratiquement indépendants du signal d'entrée. Un objet supplémentaire de la présente inven- tion est de fournir un amplificateur tampon perfectionné dans lequel des éléments d'impédance passifs peuvent être ajoutés aux bornes d'entrée et de sortie sans com- promettre le rendement de l'amplificateur. D'autres objets et avantages apparaîtront à 3 D l'homme de métier à la lecture de la description ci- après donnée en se référant à l'unique dessin annexé qui est un schéma de montage de la forme de réalisation préfé- rée de la présente invention. L'amplificateur tampon de la présente inven- > 5 tion comprend, d'une manière générale, un étage d'entrée et un étage de sortie 12 L'étage d'entrée 10 com- 2503 956 prend un transistor à effet de champ 14 raccordé en guise d'amplificateur à source cathodyne, la source de ce transistor étant raccordée, via une résistance 16, au collecteur d'un transistor bipolaire 18, lequel est S raccordé à la manière d'un amplificateur à base commune. L'émetteur du transistor 18 est raccordé a une source de courant constant comprenant un deuxième transistor à effet de champ 20 et une résistance de réglage de courant 22 Le drain du transistor d'entrée à effet de champ est raccordé, via un transistor bipolaire 24, à une source de tension d'alimentation positive appro- priée +Vs La porte du transistor à effet de champ 14 est raccordée à une borne d'entrée 26 via un atténua- teur facultatif constitué de résistances de division de tension 28 et 30, ainsi que de condensateurs 32 et 34 La configuration de base du circuit que constituent le transistor à effet de champ 14 à source cathodyne, le transistor bipolaire 18 et le transistor à effet de champ 20 de la source de courant, est illustrée et dé- crite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 562 656. L'étage de sortie 12 comprend un amplificateur complémentaire à émetteur cathodyne constitué de transis- tors à couplage par émetteur 40 et 42 ayant des polari- tés opposées et disposés en série entre des sources ap- propriées de tensions d'alimentation de sortie +V O et -VO Les bases de ces deux transistors sont raccordées en une chaîne d'éléments de polarisation de division constituée de résistances 46-56 et de diodes 6064 qui i 30 sont raccordées en série entre les sources de tension d'alimentation +V et -Vs Les diodes annulent efficace- ment les coe Fficients de température des transistors respectifs qui y sont associés, de façon bien connue dans la technique Deux diodes Zener d'amorçage 70 et 72 sont raccordées entre la c'haîne de divisior et les émetteurs des transistors de sortie 40 et 42 respectivement Deux 2503 956 résistances 80 et 82 sont raccordées cnl séric entre les émetteurs des t rainsistors -0 et 42, tandis que la jonct ion de ces deux résistances est raccordée, via une autre résistance 84, à une borne de sortie 90. La tension de polarisation pour le transistor 18 de l'étage d'entrée 10 est fournie par un diviseur de tension raccordé entre la mniasse et la source d'ali- mentation négative -Vs, ce diviseur de tension compre- nant des résistances 92 et 94, une diode 9 b, ainsi qu'une diode Zener 98 Les valeurs des différents com- posants sont sélectionnées de telle sorte que la chute de tension aux bornes de la résistance 94 soit égale à celle existant aux bornes de la résistance 80, tandis que la diode 96 et la diode Zener 98 correspondent à la diode 64 et à la diode Zener 70 respectivement avec, pour résultat effectifl'établissement, aux bornes du transistor à effet de champ 20 (entre le drain et la source), d'une tension égale à celle existant aux bor- nes du transistor à effet de champ 14 (entre le drain et la source). Lors de la mise en service, la borne d'entrée 26 est connectée à une source de signaux qui peut être, par exemple, un point de contrôle d'un circuit extérieur. La porte du transistor à effet de champ 14 confère une haute impédance afin de minimiser la charge imposée à la source de signaux lividemment, si l'on utilise l'atténuateur facultatif 28-30-32-34, les valeurs de ces composants établiront l'impédance d'entrée; toute- flois, spécifiquement, on utilise des composants dont la valeur atteint un mnégohm ou plus L'avantage qu'offre l'utilisation de cet atténuateur, réside dans le fait que, si l'amplitude de crête à crête du signal escompté est élevée, elle peut être divisée pour l'abaisser à un ni- veau approprié, de façon bien connue dans la technique. l e transistor à effe de champ 14 fonctionne à la manière d'une source cathod J-e, le signal étant transmis, via 2503 95# la résistance lb, à la jonction des résistances 50 et 52 en vue d'exciter les bases des transistors 40 et 42. Le transistor 24 qui est raccordé au drain du transis- tor d'entrée à effet de champ 14 et qui est excité par le signal engendré à l'émetteur du transistor 40, amor- ce efficacement le transistor à effet de champ 14 afin d'éliminer la distorsion et les aberrations thermiques de réponse en transitoires Le transistor 24 sert éga- lement à réduire la c'apacitance d'entrée du fait que la tension de drain du transistor à effet de champ 14 change à l'unisson avec la tension du signal émis à la porte de ce dernier, supprimant ainsi la tension néces- saire pour charger la capacitance porte-drain du tran- sistor à effet de champ 14. Dans l'étage de sortie, les diodes 60 et 62 qui peuvent être avantageusement des transistors con- nectés à des diodes, sont raccordées en parallèle aux jonctions baseémetteur des transistors de sortie 40 et 42 Ce système a pour effet de maintenir une ten- 2 () sion pratiquement constante entre les émetteurs des transistors de sortie, tout en annulant les effets des mécanismes des jonctions des transistors qui sont tributaires de la température Les diodes Zener d'amor- çage 70 et 72 maintiennent une tension pratiquement constante aux bornes des résistances 48 et 54, mainte- nant ainsi un courant de polarisation pratiquement cons- tant pour l'étage de sortie, même en présence d'un si- ggnal dynamique Outre l'établissement d'une impédance c Ilelltiée accrue pour l'étage de sortie, les diodes Zener e e 72 permettent de déterminer le courant permanent des transistors de sortie 40 et 42 par les valeurs des résistances 80 et 82 L'étage de sortie décrit ci-dessus présente un temps de réponse très court, ainsi qu'un fai- ble, voire aucun courant de polarisation d'entrée, si bien qu'il facilite une réponse en haute fréquence et qu'il convient pour un fonctionnement dans une grande 25053 956 b largeur de bande l Une version commerciale de la forme de réalisation préférée est destinée à être utilisée dans une sonde active de 2 gigahertz. L.es transistors 40 et 42 sont (ou peuvent S être) en équilibre thermique, c'est-à-dire qu'ils peu- vent être polarisés de telle sorte qu'un signal d'en- trée provoque simultanénment des changements identiques dans la puissance des deux transistors 40 et 42 En conséquence, les changements de température survenant dans les transistors 40 et 42 sont identiques et don- nent lieu à des variations de courant identiques dans ces dispositifs, si bien qu'il n'y aura aucun change- nient effectif dans la tension ou le courant de sortie. C'est ce mécanisme qui donne lieu à de faibles aberra- tions thermiques de réponse en transitoires. La haute linéarité pour le circuit est assurée par le mécanisme suivant: Si l'on néglige les résistan- ces 80, 82 et 84, l'impédance de sortie RO du circuit est KT/q Ia en parallèle avec KT/Ib, o K est la cons- a tante de Boltzmann, T est la température absolue en de- grés Kelvin, q est la charge appliquée sur un électron, tandis que Ia et Ib sont les courants d'émetteurs des transistors 40 et 42 respectivement La somme (Ia + b) est une valeur constante et toute différence entre les deux courants représente évidemment le courant de charge véhiculé à travers la résistance 84 La conductance de sortie q q I G q 11 a q b GO R O KT KT' et, par conséquent, l'impédance de sortie est RO = KT (ia + Ib) 1 q 'a htant donné que (Ia + lb) est constant, RO est indépen- dant du signal d'entrée et, par conséquent, le gain de I 'étage ampl:ficateur tampon est, dans une large mesure, indépendant du S gnal. 2503 95 N Conjointement avec les impédances combinées considérées dans les émetteurs des transistors 40 et 42, les résistances 80, 82 et 84 établissent une terminaison inverse pour la mise en service d'une ligne de transmis- sion telle qu'un câble coaxial raccordé entre la borne de sortie 90 et un étage préamplificateur d'un oscillos- cope associé - Bien que l'on ait illustré et décrit la forme de réalisation préférée de la présente invention, l'hom- me de métier comprendra que de nombreuses modifications peuvent être envisagées sans se départir des aspects élargis de la présente invention. 2503 956 Rl VELNI) I (:A' CI ()NS 1 Ampli ficate ur tampon com prenant: un etage d'entrée h source cathodyne constitué d'un transistor à effet de champ comportant une porte pouvant être raccordée à une source de signaux; un étage de sortie complémentaire à émetteur catho- dyne constitué de deux transistors à couplage par émet- teur, les bases de ces transistors étant raccordées à la source du transistor à effet de champ; des éléments de polarisation destinés à fournir un courant de polarisation pratiquement constant pour les deux transistors à couplage par émetteur, ces élé- ments de polarisation comprenant un premier élément destiné à amorcer les émetteurs de ces deux transis- tors; et un second élément conçu pour amorcer le drain du transistor à effet de champ, caractérisé en ce que ces premier et second élé- ments d'amorçage sont commandés par la sortie de l'étage d'entrée à source cathodyne. 2 Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage d'entrée comprend égale- ment un transistor bipolaire dont le collecteur est rac- cordé à la source du transistor à effet de champ, sa ba- se étant raccordée à une tension de polarisation, tandis que son émetteur est raccordé à une source de courant. 3 Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de polarisation com- prennent plusieurs éléments abaisseurs de tension dispo- ses en série entre une source de tension d'alimentation ,: uositive et une source de tension d'alimentation négati- ve, ces éléments comprenant au moins deux diodes raccor- dées entre les bases des transistors à couplage par émet- teur 4 Amplificateur suivant la revendication 1, D.ô 'aractérisé en ce que le premier élément d'amorçage est :onstitué de deux éléments à tension constante. 2503 956 Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le second élément d'amorçage est constitué d'un transistor dont la base est raccordée aux éléments de polarisation et dont l'émetteur est rac- cordé au drain du transistor à effet de champ.