Brevet FR2536176A1 — publié le 19840518

I N R I A o Procédé et appareil pour la mesure de charges impulsionnelles. L'invention a pour objet un procédé et un appareil pour la mesure de charges électriques, notamment de petites charges électriques présentes en succession rapide dans le temps, comme il se produit sous l'effet de radiations, de parti- cules ionisantes, ou par voie piézo-électrique. D'une manière classique, une charge électrique est mesurée, non pas directement, mais par la tension électrique que développe ladite charge, ou une fraction déterminée de cette charge, sur une capacité connue. Par un tel mode de mesure, il est difficile de mesurer des charges électriques se succédant rapidement dans le temps, par exemple des charges fournies par des capteurs-cellulaires comprenant un réseau de photodiodes commutées soit à l'aide de transistors, soit par l'effet de transfert de charges, soit à l'aide d'ur aisceau électronique, etc. Jusqu'ici, on charge une capacité de mesure le plus parfai- tement possible par la totalité de la charge à mesurer, ou par une fraction connue de celle-ci, puis, après la mesure de tension électrique correspondante, on décharge le plus parfaitement possible ladite capacité pour qu'elle soit prête à recevoir la charge suivante à mesurer, ou une fraction de cette charge. La capacité de mesure est habituellement formée ou bien par la capacité de sortie d'un ensemble de capteurs et/ou la capacité de l'entrée du circuit de mesure, ou bien par la capacité d'intégration d'un intégrateur électronique. Dans tous les cas, l'alternance charge/décharge de la capacité est un facteur limitant la cadence des mesures. Si on utilise la méthode de l'intégration, en outre, on est obligé d'effectuer la décharge de la capacité d'intégration par un court-circuit entre les bornes de celle-ci, ce qui modifie grandement les paramètres de la boucle de rétroaction que comprend l'intégrateur et compromet ainsi sa stabilité. Si on cherche à y remédier, on doit augmenter le temps d'établissement, ce qui entraîne une limitation complémentaire de la cadence de mesure. L'invention propose de remplacer la remise à zéro de la capacité de mesure avant chaque mesure par la déduction de la charge mesurée précédemment. Cette déduction peut être simultanée à la mesure A cet égard, l'invention prévoit la mémorisation de chaque charge mesurée jusqu'à la mesure de la charge suivante. La boucle de rétroaction de l'intégrateur électronique peut alors être formée exclusivement de composants passifs et d'interrupteurs (transistors à effet de champ, par exemple) en nombre au moins égal à deux. Dans un tel cas, elle comprend un seul amplificateur opérationnel, à savoir celui de l'intégrateur. La variable doainante de la boucle de rétroaction étant effective- ment la charge électrique à mesurer et non le courant; ni la tension, ni le temps, le fonctionnement de la boucle est indépendant de la cadence des mesures, laquelle peut même varier de façon aléatoire d'une mesure à l'autre. Les variations de gain de la boucle de rétroaction dans 3 2536176 l'intégrateur, au cours des phases de fonctionnement, sont négligeables et les paramètres de cette boucle peuvent alors être optimisés pour obtenir un temps d'établissement de la charge très court. Le fonctionnement est insensible aux facteurs température, fréquence, variations de gain, etc. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est un schéma d'un appareil, pour une première forme de réalisation. La figure 1-1 est un schéma analogue dans un certain état des interrupteurs. La figure 1-2 est une vue analogue à la figure 1-1,mais pour un autre état. La figure 2 est un schéma d'une seconde forme de réalisation. La figure 2-1 est un schéma de l'appareil montré sur la figure 2, pour un-certain état des interrupteurs. La figure 2-2 est une vue analogue à la figure 2-1,mais pour un autre état. La figure 3 est une vue analogue à la figure 1, mais pour une variante. La figure 4 est un schéma d'un différenciateur comprenant un appareil selon les figures 1 à 3. Une première forme de réalisation d'un appareil pour la mesure de charges électriques selon l'invention est montrée sur la figure 1 L'entrée 1 du circuit est reliée à l'entrée 21 d'un amplificateur opérationnel 2 à gain presqu'infini, dont la boucle de rétroaction,passant par la sortie 6 de l'amplificateur 2 et par son entrée 1, comprend une branche 22 à capacité d'intégration C 1. La sortie 6 est reliée par un circuit 24, comprenant deux interrupteurs 3 et 4 montés en série, au point commun 25 de deux résistances R 1 et R 2 dont les autres extrémités sont reliées respectivement à l'entrée négative et à la masse. La partie 26 de ce circuit entre les interrupteurs 3 et 4 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une capacité C 2 La sortie 6 de l'amplificateur opérationnel 2 est en outre reliée à la sortie de l'appareil par un circuit 23 sur lequel est interposé un interrupteur 5 dont la fermeture met en communication la capacité C 1 avec l'armature d'une capaci- té C 3 dont l'autre armature est à la masse La capacité C O à l'entrée de l'appareil symbolise la capacité de sortie du capteur relié à l'entrée 1 et la capacité d'entrée de l'amplificateur opérationnel 2. Dans un premier temps (figure 1 1), les interrupteurs 3 et 5 sont ouverts et l'interrupteur 4 fermé Les charges initiales des capacités sont nulles Lorsqu'à l'entrée 1, qui, selon les lois connues de fonctionnement d'un intégrateur électro- nique, a les qualités d'une masse virtuelle arrive une - charge électrique Q, ladite charge, par application des mêmes lois, se trouve concentrée dans la capacité C 1. Après l'arrivée de la totalité de la charge Qi, la tension U. à la sortie 6 de l'amplificateur 1 est Q. Ui c 1,( 1) Dans un second temps (figure 1 2), les interrupteurs 3 et 5 se ferment et l'interrupteur 4 s'ouvre La tension Ui est alors transférée sur la capacité C 3 et sur la capacité C 2. La concentration de la charge Qi dans la capacité C 1 peut toutefois continuer. La capacité C 2 enferme alors une charge électrique Q 2 i dont la valeur est: Q 2 i = Qi'C 2/Cl ( 2) Dans un troisième temps, les interrupteurs 3 et 5 s'ouvrent à nouveau et l'interrupteur 4 se ferme et on retrouve la condition de la figure 1 1. La tension sur la capacité C 3 reste alors égale à la tension Ui, qui représente la mesure de Qi mémorisée dans la capacité C 3, qui est ainsi une capacité de mémoire. Cette tension est disponible pour d'éventuels traitements supplémentaires par des appareils reliés à la sortie 23 (amplification, conversion, etc). La capacité C 2 se décharge à travers les résistances R 2 et R 1, la charge se divisant dans le rapport des deux résis- tances. La fraction de la charge qui revient à l'entrée 21, la capacité C 2 jouant ainsi le rôle de capacité de rétroaction impulsionnelle, est: R 2 Q 2 i' R +R ( 3) 2 c'est-à-dire, en tenant compte de ( 2) C 2 R C (R ( 4) Qi' Ci(Ri+R 2) Cette charge s'ajoute à la charge déjà existante en C en donnant la charge résultante C 2 R 2 Qi.(l C(+R)( 5) Qi' ( 1 C 1 (Ri 1 +R 2)) Les valeurs de C 1, C 2, R 1, R 2 sont choisies pour satisfaire la formule C 2 R C(R 2 +R 2 ( 6) C 1 ( 1 +R 2 Avec ces valeurs, la charge provenant de la capacité C 2 est égale à la charge de la capacité C 1 et de signe contraire à celle-ci,de sorte que ladite capacité est déchargée complètement. On peut, dès le début du troisième temps, admettre à l'entrée 1 la charge suivante à mesurer, c'est-à-dire Q La charge sur la capacité Cl, dès la fin du troisième temps, sera alors dépendante seulement de cette dernière charge et ne sera pas influencée par la charge précédente Qi' le processus décrit dans ce qui précède ayant permis d'enlever complètement la charge Qi de la capacité C 1 pendant le troisième temps. On choisit avantageusement des résistances R 1 et R 2 ayant le même coefficient thermique, et également des capacités C 1 et C 2 ayant le même coefficient thermique Ces quatre composants sont en outre choisis pour présenter une bonne stabilité dans le temps. La technologie actuelle fournit des composants satisfaisant ces conditions avec une précision élevée et qui sont cepen- dant d'un prix modéré. L'équation de base ( 6) ne fait pas intervenir le temps Le fonctionnement du circuit est donc insensible aux durées d'ouverture et de fermeture des interrupteurs, sous la seule condition que celles-ci soient suffisantes pour l'amortisse- ment des processus transitoires engendrés par ces ouvertures et fermetures. Il est cependant requis que les fermetures des interrup- teurs 3 et 4 ne soient pas simultanées. L'influence de la capacité CO, constituée principalement par la capacité de sortie du capteur et la capacité d'entrée de l'amplificateur opérationnel, est aussi nulle: l'instabi- lité éventuelle de ces dernières est donc sans conséquence. On se réfère maintenant à la figure 2, visant une seconde forme de réalisation Celle-ci est analogue à la première forme de réalisationmais le circuit 24, outre la branche 26, comprend, en parallèle, une branche 31 comprenant deux interrupteurs 7 et 8 et une capacité C 4, équivalents respec- tivement des interrupteurs 3 et 4 et de la capacité C 2 de la branche 26. Dans un premier temps, les interrupteurs 3 et 8 sont ouverts et les interrupteurs 4 et 7 sont fermés, l'interrupteur 5 est ouvert L'état est celui montré sur la figure 2 1 Quand à l'entrée 1 arrive la charge Qil il se déduit de cette charge la charge de la capacité C 2 provenant du temps précédent, et cela en analogie de ce qui-a été décrit ci-dessus en référence aux figures 1 L'influence de la charge résultant de la mesure précédente est ainsi éliminée. La mesure de la charge Qi est ainsi effectuée sans qu'elle ait été influencée par les mesures antérieures. Dans un deuxième temps, les interrupteurs-3 et 8 se ferment et les interrupteurs 4 et 7 s'ouvrent: c'est la condition montrée sur la figure 2 2 La charge Qi,1 arrive sur l'entrée 1 et, de la même façon qu'à l'état précédent, la charge de la capacité C 4, mise en mémoire dans la condition précédente, se déduit à l'entrée 1,de sorte que l'influence de la charge antérieure Qi est éliminée. Comme dans la réalisation précédente, la condition suivante est remplie par les résistances R et R et la capacité C 2 C 2 R 2 2 (R 1 +R 2 > - En outre, la condition ci-après est remplie: ( 7) ( 8) L'interrupteur 5 est fermé pendant un bref intervalle, juste avant chaque commutation entre eux des deux couples des autres interrupteurs, à savoir respectivement 3 et 8,et 4 et 7. Dans cette forme de réalisation, on mesure une charge électrique pour chaque commutation, ce qui permet de doubler la cadence maximale des mesures par rapport à celle de la réalisation selon la figure 1 pour un amplificateur de même qualité. Dans les deux réalisations précédentes, c'est l'inter- rupteur 5 et la capacité C 3 qui procurent l'échantillonnage et le blocage de la charge électrique en cours de mesure. Dans une variante, la sortie 6 de l'amplificateur opéra- tionnel 2 est reliée directement à l'entrée d'un amplifi- cateur, ou d'un convertisseur, ou d'un différenciateur. L'invention prévoit des réalisations destinées à tenir compte des processus transitoires, des caractéristiques de stabilité de l'intégrateur, de la présence de capacités, inductances ou résistances distribuées ou parasites. Ces réalisations comprennent, à la place de simples résis- tances ou capacités, des impédances générales ou même des quadripôles généraux. Un exemple d'une telle réalisation est représenté sur la figure 3 et a la même organisation générale que celle représentée sur la figure 1 La capacité C O de la figure 1, qui symbolisait la capacité de sortie du capteur et la capacité d'entrée de l'amplificateur opérationnel, est ici remplacée par un premier quadripôle 10 entre l'entréede l'appareil et le point commun 25 des deux branches de la boucle de rétroaction et par un second quadripôle 11 entre le point 25 et l'entrée 21 de l'amplificateur opération- nel 2 La capacité C de la branche 22 de la boucle de la figure l est ici remplacée par un quadripôle 14 et la capacité C 3 de blocage et d'échantillonnage est remplacée par un quadripôle 15 La capacité C 2 est remplacée par un quadripôle 16 disposé entre les interrupteurs 3 et 4. Dans le circuit comprenant l'interrupteur 3, et reliant le quadripôle 16 au quadripôle général 14, est interposé un quadripôle 12 Le répartiteur constitué par les résistances R 1 et R 2 est remplacé par le quadripôle général 13 L'entrée positive de l'amplificateur opéra- tionnel 2 est mise à la masse par l'intermédiaire d'une impédance générale 17. Des transformateurs et/ou des éléments non linéaires ou actifs peuvent faire partie de ces quadripôles et impédances. Dans une réalisation, la fonction jouée par les résis- tances R 1 et R 2 de la forme de réalisation montrée sur la figure 1, à savoir la distribution de la charge électrique contenue dans la capacité C 2, est remplie par un transfor- mateur, auquel sont éventuellement adjoints des diodes et autres éléments. Des modifications analogues s'appliquent à la réalisation montrée sur la figure 2. Avantageusement, les circuits des figures 1 à 3 peuvent être réalisés avec des composants ajustables, comme des potentiomètres ou des condensateurs, ce qui permet d'ajuster chaque composant à la valeur exacte exigée pour le bon fonctionnement. Dans une variante, l'intégrateur ou amplificateur opéra- tionnel est supprimé et remplacé par un amplificateur à gain fini en tension égal à A La capacité C 1 est alors supprimée ainsi que la résistance R 2 L'accumulation de la charge se fait dans la capacité C 0, formée le plus souvent par la capacité de sortie du capteur fournissant la charge et la capacité d'entrée de l'amplificateur à gain en tension, éventuellement grâce à un condensateur supplémentaire. L'équation d'équilibre des charges est alors (A-1) C 2 =C O ( 9) La tension de mesure à la sortie de l'amplificateur est alors: A.Q. i U C +C ( 10) On prévoit une variante analogue pour la forme de réalisation représentée sur la figure 2. Des interrupteurs supplémentaires peuvent être ajoutés, pour améliorer la séparation, ou modifier le fonctionnement. Par exemple, on peut doubler les interrupteurs existants pour supprimer les courants de fuite. On peut aussi remplacer un couple d'interrupteurs, comme 3 et 4 ou 7 et 8, par un inverseur. L'invention prévoit que les interrupteurs de-l'appareil sont avantageusement constitués par des transistors à effet de champ. Dans des cas spéciaux, on peut aussi envisager l'utilisation de transis- tors bipolaires ou de contacts à commande optique, magnétique ou électromécanique. L'invention comprend dans son cadre un appareil pour la mesure de différences de charges électriques qui fait utilisation d'un appareil de mesure de charges cnmme montré sur l'une des figures 1 à 3. Un tel différenciateur fait application de la constatation suivant laquelle la totalité d'une charge électrique transitant par une capacité entre deux instants donnés est déterminée par la différence des tensions sur celle-ci existant à ces deux instants. Dans la forme de réalisation montrée sur la figure 4, on a représenté en 9 un des appareils comme selon la figure 1 ou la figure 2 ou la figure 3, avec son entrée 1 et sa sortie 6 L'échantillonneur est composé de la capacité C 3, reliée à la sortie 6 par l'intermédiaire de l'interrupteur S. La tension à l'entrée 18 du différenciateur est U Elle est reliée à l'entrée 1 du circuit 9 à travers une capacité de différenciation Cd. La charge Qi mesurée entre deux prises d'échantillon sur l'appareil 9 avec intégrateur est: Q 2 =(Ui-Ui-i)Cd ( 11) dans laquelle Ui et Ui sont les valeurs des tensions à l'entrée 18 à ces instants d'échantillonnage, et qui correspondent à des instants de ommutation des interrupteurs du circuit 9. A ces mêmses instants, la tension à la sortie 6 du circuit 9 est Cd Ui= (Ui-ui) ( 12) soit la différence des tensions U - 2. L'absence du facteur temps dans les relations aboutissant à la différence des tensions qui est à mesurer confère au différenciateur une stabilité de fonctionnement remarquable. Selon une réalisation, de petites résistances sont montées en série avec la capacité Cd, qui contrôlent la décharge de celle-ci et préservent la stabilité de l'amplificateur opérationnel faisant partie du différenciateur. Les amplificateurs utilisés dans les diverses réalisations décrites sont à très haute impédance d'entrée, par exemple des amplificateurs dont les étages d'entrée mettent en oeuvre des transistors à effet de champ. Les circuits selon les figures 1 à 4 peuvent fonctionner avec des valeurs Ci, C 2, R 1, R 2 qui ne satisfont pas l'équation ( 6. Si on désigne par-a la valeur de l'expression de la partie gauche de la formule 1 2 ( 13) C 1 (R 1 +R 2) alors le fonctionnement du circuit sera régi par l'équation à différences: Qi U +(-l)uil cl ( 14) Ui +(-)i-l= C- dont la solution oe Ui T Z Qik 1 (O)k ( 15) k=o montre que Ui va dépendre de toutes les charges précédentes. Ceci donne la possibilité, avec a 1, d'accentuer les transitions de la séquence des Qi' Un appareil selon l'invention s'applique avantageusement en relation avec des caméras à réseau linéaire ou matriciel de photodiodes à commutation et également à transfert de charge. Il rend possible une augmentation substantielle de la cadence de lecture conjointement avec une excellente stabilité et une excellente séparation des échantillons. Revendications. 1 Circuit d'amplification et de mesure impulsionnelle de charge électrique consistant en un amplificateur à haute impédance d'entrée et en un réseau de rétroaction, caracté- risé par le fait que ledit réseau contient au moins une branche ( 24) reliant la sortie ( 6) de l'amplificateur ( 2) à son entrée inverseuse ( 21) à travers au moins deux interrupteurs ( 3, 4), placés de façon qu'au moins deux d'entre eux ( 3, 4) à l'état ouvert interrompent la trans- mission du signal électrique par la branche considérée, cette interruption se faisant, pour l'un, avant, et pour l'autre, après la section de la branche comprise entre les deux dits interrupteurs, celle- ci contenant des éléments susceptibles d'emmagasiner l'énergie électrique (C 2). 2 Circuit d'amplification et de mesure impulsionnelle de charge électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits interrupteurs ( 3, 4) susceptibles d'interrompre une branche ( 24) et placés l'un, avant, l'autre après la section ( 26) de la branche contenant des éléments susceptibles d'emmagasiner l'énergie électrique enfermée entre eux, sont commandés de façon qu'ils s'ouvrent et se ferment alternativement, chacun étant fermé une substan- tielle partie du temps de l'ouverture de l'autre, avec exclusion de fermeture simultanée, et en admettant des instants d'ouverture simultanée. 3 Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite commande alternative s'applique à toutes les branches ( 26, 31) de rétroaction contenant au moins deux interrupteurs ( 3, 4 et 7, 8) susceptibles d'interrompre la transmission de signal par ladite branche. 4 Circuit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que son réseau de rétroaction contient deux branches ( 26, 31), parallèles l'une à l'autre et sensiblement identiques dans leur construction, contenant chacune au moins deux interrupteurs ( 3, 4 et 7, 8) susceptibles d'interrompre le transfert de signal par la branche respective et une section ( 26, 31) capable d'emmagasiner l'énergie électrique enfermée entre les deux interrupteurs mentionnés, lesquels sont commandés par une commande alternative qui, pour une branche, est sensiblement l'inverse de la commande de l'autre branche, pour les inverseurs correspondants, à savoir, placés les deux ou bien avant, ou bien après la section intermédiaire respective. 5 Circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caracté- risé par le fait que lesdits éléments susceptibles d'emmaga- siner l'énergie électrique dans la section ( 26, 31) entre deux interrupteurs ( 3, 4 et 7, 8) susceptibles d'interrompre la transmission de signal électrique par leur branche du réseau de rétroaction respective sont constitués essentiel- lement par des éléments capacitifs, tels que des conden- sateurs dehaute qualité (C 2, C 4). 6 Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit amplificateur à haute impédance d'entrée est un amplificateur opérationnel à très haut gain ( 2), complété par une branche de rétroaction ( 22) essentiellement capacitive, susceptible de réaliser la fonction d'intégration. 7 Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'au moins une des branches de rétroaction commandées par des interrupteurs contient de simples éléments ou combinaison d'éléments tels que résistances, condensateurs, inductances, transformateurs, impédances, formant un quadri- pôle de sortie de la branche concernée, placé en aval de l'interrupteur suivant la section de la branche susceptible d'emmagasiner l'énergie et aboutissant à l'entrée de l'amplificateur. 8 Circuit différenciateur, caractérisé par le fait qu'il est formé à l'aide d'une impédance (Cd) essentiellement capaci- tive placée entre la tension à différencier et un circuit ( 9) selon l'une des revendications 1 à 7. 2536 1 76 9 Caméra à capteur à réseau de photodiodes, caractérisée par le fait que la charge développée sur des diodes de réseaux par le rayonnement capté est évaluée à l'aide de l'un des circuits selon les revendications l à 8.