Brevet FR2514168A1 — publié le 19830408

INTEGRATEUR SYMETRIQUE ET APPLICATION A UN FILTRE. La présente invention concerne le domaine du filtrage analogique et elle a pour objet la réalisation -de filtres symétriques utilisant des amplificateurs symétriques. Une des composantes essentielles des filtres est l'élément intégrateur qui était jusqu'à maintenant le plus souvent réalisé par un amplificateur opérationnel ayant deux entrées et une sortie: une entrée non-inverseuse reliée à une masse du cir- cuit et une entrée inverseuse qui d'une part reçoit un signal- d'entrée à travers une résistance (ou un élément à caractéristique résistive formée par une capacité commutée) et d'autre part est reliée à la sortie de l'amplificateur opérationnel par une capacité d'intégration L'entrée de signal et la sortie de signal se font par rapport à une masse. La figure 1 montre un exemple d'intégrateur ainsi réalisé avec un amplificateur opérationnel AO bouclé par une capacité CI, avec une capacité d'entrée Co commutée par deux transistors MOS en - série, Tl et T 2, fonctionnant en opposition de phase L'entrée de signal est désignée par E et la sortie par V. La transformée en z de la fonction de transfert -de ce circuit échantillonné est inscrite à côté du schéma de la figure- 1 T est la période de commutation des transistors MOS Tl et T 2 (qui sont rendus conducteurs alternativement mais jamais simultanément) Cette fonction de transfert présente un coef- ficient négatif -Co T/Cl et un numérateur en z-1/2 Il s'agit bien d'une fonction d'intégration pure, mais ce type d'amplificateur est difficilement utilisable car il est beaucoup trop sensible aux capacités parasites. Un autre exemple d'intégrateur qui, lui, est peu sensible aux capacités parasites, est représenté à la figure -2 la capacité d'entrée Co peut être connectée par quatre transistors MOS Tl, T'l, T 2, T'2, d'abord entre la borne de signal E et la masse, puis entre l'entrée de l'amplificateur opérationnel et la masse, mais avec un signe inversé, pour réaliser la fonction de transfert indiquée à côté du schéma de la figure 2, qui est l'opposée de celle de la figure 1 Il s'agit bien encore d'une fonction d'intégration pure (ce que l'on voit par la présence du terme en z-1/2) Malheureusement, le coefficient de transfert est positif et il n'y a pas de moyen d'inverser son signe: on ne peut inverser les bornes d'entrée ou de sortie sans court-circuiter le signal utile. On a donc proposé de réaliser le schéma de la figure 3 lorsqu'il y a besoin d'obtenir des fonctions de transfert d'intégration à coefficient négatif La fonction de transfert obtenue est indiquée à côté du schéma de la figure 3 Ce circuit est peu sensible aux capacités parasites et il réalise bien un coefficient de transfert négatif Malheureusement, il ne s'agit pas d'un intégrateur pur, comme le montre l'absence de terme en z1/2 au numérateur Bien que le schéma de la figure 3 soit très proche de celui de la figure 2, puisqu'ils ne différent que par le croisement des phases de commutation des transistors d'entrée, il n'est pas possible de les utiliser pour obtenir deux fonctions intégrales pures de signes opposés. A ces inconvénients des circuits des figures 1 a 3, s'ajoute encore l'existence d'une diaphonie importante entre voies lorsque plusieurs filtres sont disposés côte-à c 8 te (par exemple intégrés sur un même substrat); cette diaphonie provient des sources d'alimentation qui sont communes, des horloges, de la transmission-de signaux à travers le substrat, etc. Enfin, dans la réalisation de filtres à partir d'intégrateurs, il est généralement utile de pouvoir créer des zéros de transmission dans la fonction de transfert du filtre, et un but de la présente invention est de réaliser un intégrateur qui, lorsqu'il est utilisé dans un filtre, permet facilement de créer des zéros de transmission pour obtenir les atténuations voulues en bande stoppée avec un nombre minimal de composants. Pour atteindre ces différents buts, on propose, selon la présente invention, un intégrateur symétrique qui comprend un amplificateur opérationnel à deux entrées flottantes dont l'une : = as 14158 est inverseuse et l'autre non-inverseuse, et à deux sorties flot- tantes, deux capacités de bouclage identiques reliant respec- tivement chaque entrée de l'amplificateur opérationnel à une sortie respective, une troisième capacité reliée par l'intermédiaire de deux premiers transistors à grille isolée respectivement aux deux entrées de l'amplificateur opérationnel, les deux premiers transistors étant rendus conducteurs en phase l'un avec l'autre, deux autres transistors à grille isolée étant prévus, également rendus conducteurs en phase l'un avec l'autre, mais avec une phase disjointe de celle des deux premiers, ces deux autres transistors reliant la troisième: capacité respectivement à deux entrées de l'intégrateur symétrique qui a par ailleurs pour sorties les sorties de l'amplificateur opérationnel. On peut prévoir que l'intégrateur symétrique possède d'autres couples d'entrées; dans ce cas, ces entrées sont reliées aux entrées de l'amplificateur opérationnel par un agencement a une capacité et quatre transistors à grille isolée, identique à l'agencement d'entrée des deux premières entrées. De plus, et c'est là un des intérêts principaux de l'invention, on peut prévoir que l'intégrateur possède au moins un autre couple d'entrées reliées, par l'intermédiaire de capacités de liaison directe, mais sans transistors à grille isolée, aux deux entrées de l'amplificateur opérationnel. Dans un filtre utilisant selon l'invention un tel intégrateur symétrique, ces capacités de liaison directe définiront par leur valeur des zéros de transmission de la fonc- tion de transfert du filtre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: les figures 1 à 3 déjà décrites représentent -des intégrateurs connus, la figure 4 représente l'intégrateur symétrique selon l'invention, la figure 5 représente un exemple de filtre selon l'invention réalisé avec des intégrateurs symétriques tels que 4- celui de la figure 4. L'intégrateur symétrique de la figure 4 comporte plusieurs couples d'entrées, respectivement El, E 2; E'l, E'2; E" 1, E" 2, et un couple de sorties VI, V 2. En laissant d'abord de côté les entrées autres que E 1 et E 2, on voit que l'intégrateur comporte un amplificateur opérationnel AO ayant une entrée inverseuse repérée par le signe - et une entrée non-inverseuse repérée par le signe + Ces entrées sont flottantes, c'est-à-dire que ni l'une ni l'autre n'est reliée à un potentiel fixe tel qu'une masse De même, les deux sorties de l'amplificateur opérationnel, qui sont confondues avec les sorties VI et V 2 de l'intégrateur, sont flottantes. Une capacité de bouclage Cl relie en permanence l'entrée inverseuse de l'amplificateur à la sortie V 1, et une autre capacité C 2, de même valeur, relie l'entrée non-inverseuse à l'autre sortie V 2. Entre les entrées E 1 et E 2 de l'intégrateur et les entrées de l'amplificateur AO, on a prévu un agencement avec une capacité d'entrée Co et quatre transistors de commutation T 1, T 2, T 3, T 4 qui sont des transistors à grille isolée fabriqués selon une technologie MOS (métaloxyde-semiconducteur) si l'intégrateur est formé sur un substrat semiconducteur selon cette technologie. L'agencement d'entrée est le suivant une première borne de la capacité Co est reliée d'une part à l'entrée E 1 par l'intermédiaire du transistor T 1 et d'autre part à l'entrée inver- seuse de l'amplificateur AO par l'intermédiaire du transistor T 3. L'autre borne de la capacité est reliée d'une part à l'entrée E 2 par l'intermédiaire du transistor T 2 et d'autre part à l'entrée non-ihverseuse de l'amplificateur AO par l'intermédiaire du tran- sistor T 4. Les transistors T 1 et T 2 peuvent être rendus conducteurs simultanément, auquel cas la capacité Co est reliée entre les entrées El et E 2, ou bloqués simultanément, auquel cas elle en est isolée De même, les transistors T 3 et T 4 peuvent être rendus con- ducteurs simultanément, auquel cas la capacité Co est reliée entre les entrées de l'amplificateur opérationnel, ou bloqués simultané- 251 4 1 68 ment, auquel cas elle en est isolée. La commutation des transistors a lieu cycliquement, à une fréquence fixe. La phase de conduction des transistors Tl et T 2 est en- tous les cas disjointe de la phase de conduction des transistors T 3 et T 4, de sorte que les entrées El et E 2 sont toujours isolées des entrées de l'amplificateur opérationnel. La fonction de transfert en z de cet intégrateur* entre les entrées El et E 2 et les sorties Vl et V 2 s'écrit, si on appelle E(z) le signal appliqué entre les bornes El et E 2, V(z) le signal de sortie entre les bornes Vl et V 2, et Vo une valeur ini- tiale de ce signal de sortie: Co z-1/2 V(z) -V T T E(z) 2 C 1 1 _ z-l Il s'agit d'une fonction intégrale pure dont on peut changer le signe en croisant les entrées ou les sorties (puisque le signal d'entrée est pris flottant et non fixé par rapport à une masse). A cette fonction on peut rajouter un deuxième terme simi- laire provenant de deux autres entrées E'l et, E'2 qui seraient couplées aux entrées de l'amplificateur opérationnel par un agen- cement à une capacité C'o et quatre transistors MOS tout à fait identique à l'agencement de Co, Tl, T 2, T 3 et T 4 On peut ainsi multiplier les couples d'entrées et obtenir une somme de fonctions intégrales de signaux distincts. De plus, on peut rajouter à cette fonction de transfert un terme correspondant à un signal non intégré, ceci en -prévoyant par exemple un couple d'entrées supplémentaires, E 1 et E 2, entre lesquelles est appliqué le signal à rajouter L'entrée E"l est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur AO par une capacité C"l de liaison directe (c'est-à-dire une capacité non commutée); de même, l'entrée E 2 est reliée à l'entrée non- inverseuse par une capacité de liaison directe C" 2 de même valeur. Ces capacités de liaison directe sont celles qui permettent, dans un filtre utilisant cet intégrateur symétrique, de créer des zéros de transmission. L'intégrateur selon l'invention comprend encore de préférence des moyens de compensation de la tension de décalage (offset) de zéro de l'amplificateur opérationnel Ces moyens peuvent être constitués par un élément à caractéristique résistive de forte valeur en parallèle sur chaque capacité de bouclage Cl et C 2 Dans l'exemple représenté, cet élément est constitué par une capacité commutée Ca, reliée d'un côté à la masse et de l'autre coté à la fois à une borne de la capacité de bouclage Cl (ou C 2) par l'intermédiaire d'un transistor Ta et à l'autre borne de cette capacité par l'intermédiaire d'un autre transistor Tb Les tran- sistors Ta et Tb sont commutés alternativement (phases de conduc- tion disjointes) à une fréquence nettement plus faible que la fréquence de commutation des transistors d'entrée de l'intégrateur. La figure 5 représente un schéma de filtre selon l'invention, utilisant cinq intégrateurs symétriques tels que celui de la figure 4 (les éléments de compensation d'offset n'ont pas été représentés). Chaque intégrateur reçoit des signaux d'entrée différentiels a travers des capacités commutées ou à travers des capacités de liaison directe, ces signaux provenant des sorties différentielles des différents intégrateurs Le filtre dessiné possède une fonction de transfert du cinquième ordre avec des zéros de transmission, et il réalise ainsi l'équivalent d'un filtre passe-bas purement réactif possédant deux circuits bouchons en série. Dans l'ensemble des figures I à 5, on n'a pas représenté les moyens de commande de commutation périodique qui sont nécessaires pour rendre conducteurs ou bloquer les transistors d'entrée de l'intégrateur ou les transistors du montage de compen- sation d'offset. REVENDICATIONS. 1 Intégrateur symétrique destiné à Etre utilisé dans un filtre, caractérisé par le fait qu'il comprend un amplificateur opérationnel (AO) à deux entrées flottantes, dont l'une est inver- seuse et l'autre non-inverseuse, et à deux sorties flottantes, deux capacités de bouclage identiques (Cl, C 2) reliant respec- tivement chaque entrée de l'amplificateur opérationnel à une sor- tie respective, une troisième capacité (Co) reliée par l'intermédiaire de deux premiers transistors à grille isolée (T 3, T 4) respectivement aux deux entrées de l'amplificateur opérationnel, les deux premiers transistors étant rendus conduc- teurs en phase l'un avec l'autre, deux autres transistors à grille isolée (Tl, T 2) étant prévus, également rendus conducteurs en phase l'un avec l'autre mais avec une phase disjointe de-celle des deux premiers, ces deux autres transistors (Tl, T 2) reliant la troisième capacité (Co) respectivement à deux entrées différentielles (El, E 2) de l'intégrateur symétrique qui a par ailleurs pour sorties (Vl, V 2) les sorties de l'amplificateur opérationnel. 2 Intégrateur symétrique selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il possède au moins un autre couple d'entrées (E'l, E'2) reliées aux entrées de l'amplificateur opérationnel, par l'intermédiaire d'un agencement à une capacité et quatre transistors actionnés en phases deux à deux, identique à l'agencement d'entrée des deux entrées mentionnées en premier (El, E 2). 3 Intégrateur symétrique selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait qu'il possède au moins un couple d'entrées (E" 1, E" 2) reliées par l'intermédiaire de capacités non commutées (C'l, C 2) aux deux entrées de l'amplificateur opérationnel. 4 Intégrateur symétrique selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait qu'en parallèle sur chacune des ,14168 deux premières capacités est placé un élément de compensation de tension d'offset à caractéristique résistive. Intégrateur symétrique selon la revendication 3 caractérisé par le fait que l'élément à caractéristique résistive est réalisé au moyen d'une capacité commutée (Ca) par deux tran- sistors à grille isolée rendus conducteurs alternativement. 6 Filtre caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un intégrateur selon l'une des revendications 1 à 5.