Brevet FR2535548A1 — publié le 19840504

"Atténuateur programmable à commande électrique pour hautes fréquences' La présente invention concerne de manière généra- le des atténuateurs programmables et, plus particulièrement, un atténuateur pouvant être commandé électriquement et parti- culièrement adapté à des applications en hautes fréquences. Du fait que les unités de commande numérique, tels que les micro-ordinateurs et les micro-processeurs sont facile- ment disponibles sur le marché,qu"il devient de plus en plus désirable d'automatiser des fonctions électriques dans des appareils automatiques d'essai et de mesure, tels que des oscilloscopes, dans lesquels on a souvent besoin de plusieurs commandes pour obtenir la sélection de paramètres en vue du réglage d'un essai que l'on désire effectuer Un tel règlage d'essai est la sélection de l'atténuation d'un signal d'entrée. Un atténuateur programmable de la technique con- nue est celui décrit dans le brevet français n 2 o 369 o 741 de la demanderesseo C est un atténuateur RC employant une commuta- tion à transistors à effet de champ I 1 existe plusieurs incon- vénients liés à ce type d'atténuateurs programmables La résis- tance limitée du transistor à effet de champ de commutation lorsqu Dil est conducteur cause une erreur d'atténuation et une instabilité thermiques Il est nécessaire de prévoir un ampli- ficateur commutable dans cet atténuateur pour obtenir plus de deux facteurs d'atténuation -inférieurs a dix v mais la présence de cet amplificateur de gain commutable entraîne une difficulté dans le maintien d'une réponse constante en fréquence. C'est donc un objet de la présente invention de fournir un atténuateur programmable amélioré, qui ne présente pas les inconvénients précités de l'atténuateur de la technique connueo C'est encore un autre objet de la présente inven- tion de fournir un atténuateur commutable qui soit approprié pour les applications à hautes fréquences 2 2535548 C'est encore un autre objet de la présente inven- tion de fournir un atténuateur programmable qui soit particu- lièrement approprié pour le circuit d'entrée verticale d'un oscilloscope. L'atténuateur programmable selon l'invention com- prend: une premiere et une seconde résistance reliées en série entre une borne d'entrée et la masse, un premier organe de commutation électronique branché entre la borne d'entrée et une borne de sortie, un second organe électronique de commutation branché entre la borne commune desdites premiere et seconde résistances-ét la borne sortie, et un organe de commande poulr actionner lesdits premier et second organe électronique de commutation: ledit second or- gane électronique de commutation comprenant un seul transis- tor alors que ledit premier organe électronique de commutation comporte une paire de transistors branchés en série et un transistor shunt additionnel branché entre la borne commune auxdits transistors en série et la masse - D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront de la description qui suit,faire en se réfé- rant aux dessins ci-annexés sur lesquels: la figure I est le schéma d'un atténuateur prograrmable se- ion la technique connue, la figure 2 est un schéma simplifié d'un atténuateur program- mable conforme à la présente invention, la figure 3 représente une variante de réalisation de la présente invention, et la figure 4 est le schéma d'un mode de réalisation conmer- ciale de la présente invention. Sur la figure 1, on a représenté un atténuateur programmable de la technique connue, comme décrit dans le brevet français n 2 369 741 qui a été cité plus haut Cet atté- nuateur de la technique connue comprend un ensemble d'atténua- tions RC 43 décimal (qui effectue une division par 10), un 3 2535548 convertisseur d'impédance 40, un atténuateur RC à division in- férieure à 10 (division par 2 et division par 5 qui comprend des résistances 50, 52 et 54, et un amplificateur 60 à gain, commutable 60 qui sont branchés en cascade entre une borne d'entrée 1 et une sortie 3 Un circuit de commande 21 est utilisé pour commander l'étape de conduction ou de non-conduction de transistors à effet de champ 5,7,9 et 16 pour insérer de manière sélective l'atténuateur décimal 43 dans le circuit et des transistors à effet de champ 11, 13, 15 et 17 pour sélec- tionner les atténuateurs à division inférieure à 10 et le gain d'un amplificateur de sortie 60 Soit l'une, soit l'autre des paires de transistors à effet de champ 5 et 19 ou 7 et 9 est rendue conductrice de manière sélective par le circuit de commande de commutation 21, ce qui retire ou insère effective- ment l'atténuateur 43 dans le trajet dusignal enfonction de la paire de transistors à effet de champ qui est conductrice. De manière similaire, l'une ou l'autre des deux paires de tran- sistors à effet de champ Il et 17 ou 13 et 15 est rendue conductrice de manière sélective pour sélectionner les facteurs d'atténuation à division par 2 et à division par 5 respective- ment L'atténuateur à division par 2 est formé par la résistance en série dans le trajet du signal et la combinaison parallèle des résistances 52 et 54,en tant qu'éléments shunt L'atténua- teur à division par 5 est formé par la résistance: 52 en tant qu'élément série alors que la combinaison parallèle des résis- tances 50 et 54 fournit l'élément shunt Il y a lieu de noter que les transistors à effet de champ ont une résistance finie lorqu'ils sont conducteurs, résistance qui peut varier en fonc- tion de la température Pour réduire la sensibilité à la tempé- rature, on ajoute un transistor à effet de champ additionnel 56 en série avec la résistance shunt 54 Cet atténuateur per- met de sélectionner des facteurs d'atténuation dans ce que l'on appelle la séquence 1-2-5 et utilise à la fois-les tran- sistors à effet de champ commutabl E Bet l'amplificateur 60 à gain commutable. 4 2535548 La figure 2 représente le circuit de principe d'un atténuateur programmable conforme à la présente invention. On peut choisir deux facteurs d'atténuation différents en fonction d'un signal de commande Sur une borne d'entrée 100 on applique une source de tension de signal d'entrée ein pré- sentant une résistance interne relativement faible En prati- que, la source de signal d'entrée ein peut représenter la sor- tie d'un amplificateur convertisseur d'impédance comprenant un étage de sortie à émetteur suiveur Un diviseur résistif 102 comprenant des résistances en série R 1 et R 2 est branché entre la borne d'entrée 100 et la masse Un premier commutateur électronique 103 est relié entre la borne d'entrée 100 et une borne de sortie 101 par l'intermédiaire d'une résistance R 3. Egalement, un second commutateur électronique 104 est relié entre la sortie du diviseur résistif 102 (borne commune aux résistances R 1, R 2) et la borne de sortie 101 Un circuit de commande de commutation 105 est utilisé pour commander les commutateurs électroniques 103 et 104. Le premier commutateur électronique 103 comprend une paire de transistors à effet de champ Q 1 et Q 2 du type DMOS (métal-oxyde à double diffusion) et un transistor à effet de champ à jonction Q 3 qui est branché entre la borne commune des transistors Qi et Q 2 et la masse Le second commutateur électronique 104 comprend un seul transistor à effet de champ du type DMOS Q 4 Les transistors, à effet de champ du type DMOS présentent la caractéristique de fonctionner à hautes fréquences et une résistance suffisament faible à l'état conducteur du fait de la longueur réduite de leur canal Les portes des transistors à effet de champ Q 1 à Q 4 sont branchés pour recevoir des signaux de commande provenant d'un circuit de commande de commutation 105. Lors du fonctionnement, on applique une tension appropriée de porte pour rendre Q 1 et Q 2 conducteurs, et pour bloquer Q 3 et Q 4 Les bornes d'entrée 100 et de sortie 101 sont couplées en vue de transmettre le signal d'entrée avec une atténuation de signal nulle ou minimale Il y a lieu de noter 2535548 qu'il -existe une capacité finie entre les électrodes de source et de drain du transistor à effet de champ DMOS Q 4, qui-est non conducteurs Cette capacité de fuite peut réaliser le couplage du signal d'entrée à la borne de sortie 101 Mais, ce signal de fuite est négligeable en pratiqueparce que le signal d'en- trée parvenant à Q 4 est déjà atténué par le diviseur résistif 102 d'un taux déterminé, par exemple 1/5, en fonction d'une application particulière En outre, du fait que la valeur des résistances RI, R 2 et R 3 peut être très faible, c'est-à-dire de l'ordre de 100 Ohms ou moins, la capacité source-drain de Q 3 est également négligeable pour le signal traversant Q 1 et Q 2 ' Par ailleurs, pour atténuer le signal d'entrée, Q 3 et Q 4 sont rendus conducteurs alors que Q 1 et Q 2 sont bloquéso Le second commutateur électronique Q 4 transmet alors le signal d'entrée atténué à la borne de sortie 101 Même une faible valeur de signal de fuite du signal d'entrée non atté- nué passant par des transistors Q 1 et Q 2, peut constituer un pourcentage relativement important du signal atténué passant par Q 4 et par suite le circuit de fuite n'est pas négligeable dans cette position Mais, Q 3 élimine en fait ce signal de fuite en l'envoyant à la masseo En outre, le branchement en série des deux transistors à effet de champ Q 1 et Q 2 réduit également cet effet du fait que la capacité source-drain est réduite de moitiéo La résistance série R 3 est inséée pour égaliser l 'impédance de sortie de l'atténuateur programmable pour les deux règlages d'atténuationo Evidemment, ceci est très impor- tant pour déterminer l'impédance d'entrée pour un atténuateur à large bande qui doit être relié à l'étage suivant de l'atténuateuro La résistance R 3 a également un autre rôle im- portant dans la réduction de la charge capacitive sur le signal d'entrée lorsque Q 3 est conducteuro C'est-à-dire que le signal d'entrée serait dérivé directement par la capacité drain-source de Q 1 en l'absence de la résistance R 3. 6 2535548 Bien que l'atténuateur représenté à la figure 2 ne sélectionne que des réglages sans atténuation et avec atté- nuation, la présente invention peut être facilement appliquée au cas de trois ou plus réglages d'atténuation différents. La figure 3 représente le schéma simplifié d'une variante d'un atténuateur programmable conforme à la présente invention, qui est capable de sélectionner trois facteurs d'atténuation différents La disposition du circuit et son fonctionnement sont similaires à ceux du circuit de la figure 2 à l'exception que le diviseur résistif 102 ' comprend maintenant trois résis- tances en série R 11, R 12 et R 13 et qu'un troisième commutateur électronique à transistors à effet de champ du type DMOS Q 15 est prévu Le signal n'est pas atténué lorsque Q 11 et Q 12 sont conducteurs, mais il est atténué de respectivement, par exem- ple, 1/2 et 1/5 lorsque Q 14 et Q 15 sont conducteurs En outre, aucune résistance n'est branchée en série avec Q 14 C'est-à- dire que la valeur des résistances R 11, R 12 et R 13 est choisie de manière à fournir la résistance de sortie prédéterminée tout en maintenant le taux d'atténuation approprié lorsque Qi 4 est conducteur Mais, les résistances R 14 et R 15 sont branchées en série avec leurs commutateurs électroniques respectifs afin de maintenir une impédance de sortie constante. Encore une fois, il y a lieu de noter que le pre- mier commutateur électronique dans l'étape de non-atténuation comprend une paire de transistors à effet de champ du type DMOS Q 11 et Q 12 en série,et également un transistor shunt additionnel à effet de champ Q 13 pour bloquer les fuites. La figure 4 représente le schéma d'un circuit d'un atténuateur programmable qui est approprié pour un oscil- locope ou des applications similaires et qui est conforme à la présente invention. Un signal d'entrée appliqué à un connecteur d'en- trée 110 est atténué de manière sélective par deux atténuateurs décimaux 112 et 114 qui sont branchés en cascade,et qui sont commandés respectivement par des commutateurs 113 et 115 Ces 7 _ 2535548 commutateurs peuvent être pilotés par des relais électriques, comme cela est bien connu dans la technique La sortie prove- nant de l'étape d'atténuateur décimal ou à décades est appli- quée à un convertisseur d'impédance 116. Le convertisseur d'impédance 11 6 comprend un condensateur de couplage en courant alternatif C 20, un diviseur résistif R 20-R 21 pour déterminer l'impédance d'entrée, un amplificateur opérationnel A 1 constituant un amplificateur bas- ses fréquences, un transistor à effet de champ Q 20 du type DOS qui est monté en source suiveuse et un transistor Q 21 constituant une source de courant, des transistors d'amplification Q 22-Q 23 montés en émetteurs suiveurs et constituant un étage de sortie, et un transistor de contre-réaction Q 24 La sortie des transis- tors Q 22 et Q 23 est ramenée à l'entrée inverseuse de l'amplifi- cateur opérationnel A, au moyen d'un diviseur résistif R 22-R 23 présentant un rapport de division semblable à celui du diviseur R O R 21 La sortie de l'amplificateur A 1 est envoyée à la porte du transistor à effet de champ Q 20 par l'intermédiaire d'une résistance élevée R 30 Les diodes D 3 et D 5 fournissent une protection contre la surcharge pour Q 20 Un condensateur 22 ajuste la capacité d'entrée, alors qu'un condensateur C 21 four- nit un réglage du gain à hautes fréquences Un condensateur C 23 est utilisé pour réduire la charge capacitive de substrat dans l'amplificateur opérationnel A 1 Le transistor Q 24 et la diode Zener D assurent que le transistor Q 20 amplifie le signal d'entrée avec une distorsion minimale du signal Le convertis- seur d'impédance 116 est, évidemment, un amplificateur à forte impédance d'entrée et à faible impédance de sortie, et à gain unitaire. Une section dlatténuation,à division inférieure à 10, 118 est, pour l'essentiel, la même que dans le mode de réalisation de la figure 3, et sélectionne trois facteurs d'at- ténuation différents, par exemple 1/1, 112 et 1/5 La seule différence significative est l'inclusion de condensateurs aux bornes des résistances de division R 11,,R 12 et R 13 ' de telle 8 2535548 manière que l'atténuateur fonctionne sur une large gamme de fréquenceset que la capacité d'entrée reste invariable pour différents facteurs d'atténuation. Le circuit de commande de commutation 105 comprend 4 comparateurs A 2 à A 5, et une source de tensions de référence E 1 et E 2 L'une ou l'autre de deux bornes de commande 120 ou 121 est au niveau logique haut et l'un ou l'autre des transistors Q 14 ou Q 5, selon celui auquel est appliqué une tension, devient conducteur pour fournir la sor- tie atténuée ( 1/2 ou 1/5) Simultanément, le comparateur A 3 fournit un niveau de sortie haut pour rendre le transistor Q 13 conducteur, ce qui bloque le signal de fuite cité plus haut Mais, si les deux bornes d'entrée 120 et 121 sont au niveau logique bas, les comparateurs A 2 et A 3 fournissent respectivement une sortie au niveau haut et une sortie au bas pour rendre les transistors Qll et Q 12 conducteurs, et pour bloquer le transistor Q 13, de manière à sélectionner la sortie sans atténuation Le signal de commande provenant aux bornes de commande 120 et 121 est fourni par un micro- processeur ou par un dispositif de commande central semblable au moyen d'un dispositif de verrouillage de données. L'atténuateur programmable représenté à la figure 4 fournit maintenant les facteurs d'atténuation de 1/1, 1/2, 1/5, 1/10, 1/20, 1/50, 1/100, 1/200 et 1/500, de manière à commuter la sensibilité en tension par des facteurs 1, 2 et 5. Les avantages de ce système d'atténuation programmable entre la borne d'entrée 110 et la borne de sortie 101 sont les sui- vants le facteur d'atténuation peut être commuté dans une large gamme avec des facteurs 1, 2 ou 5 sans commuter le gain d'un amplificateur de sortie. les facteurs d'atténuation peuvent être commutés par des si- gnaux de commande électriques pour des étages d'atténuation décimale ou de facteurs inférieurs à 5, ce qui permet la programmation et la commande à distance. 9 _ 2535548 l'utilisation de commutateurs à transistors à effet de champ du type DMOS pour l'atténuateur à division inférieure à 10 à résitances moins élevées assure une atténuation plus précise et une plus faible sensibilité aux variations de température. l'utilisation de deux transistors à effet de champ du type DMOS et d'un transistor shunt à effet de champ pour constituer le commutateur électronique destiné au réglage sans atténua- tion élimine de manière effective le problème des fuites associé à la capacité de fuite. le convertisseur d'impédance qui comprend à la fois une sec- tion d'amplification hautes fréquences et une section d'ampli- fication basses fréquences fournit une caractéristique très stable à basses fréquences ou en courant continu. La description ci-dessus d'exemples de réalisation de la présente invention n'a été fournie qu'à titre illustratif et nullement limitatif, et il est entendu que l'on peut y appor- ter des modifications ou variantes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. - REVENDICATION. Atténuateur programmable caractérisé en ce qu'il comprend: une première résistance ( R 1,R 11 J et une seconde résistance (R 2,R 12,R 13) branchées en série entre une borne d'entrée ( 100- ) et la masse, un premier organe de commutaton électronique ( 103)branché entre la borne d'entrée 1100-110) et une borne de sortie ( 101), un second organe de commutation électronique ( 104) branché entre la borne commune auxdites première et seconde résistances et la borne de sortie ( 101), et un organe de commande ( 105) destiné à activer lesdits premier ( 103) et second ( 104) organes de commutation électronique, ledit second organe de commutation électronique ( 104) comprenant un seul transistor (Q 4 t Q 14) , alors que ledit premier organe de commutation électronique ( 103) comporte une paire de transistors (Q, Q 2,Q 1 ' Q 12) branchés en série et un transistor shunt additionnel l Q 3, Q 13) branché entre la borne commune auxdits transistors en série (QI' Q 2, O Ql' Q 12) et la masse.