Brevet FR2538660A1 — publié le 19840629

CIRCUIT A GAIN SELECTIONNABLE ET MULTIPLEXEUR ANALOGIQUE UTILISANT CE CIRCUIT La présente invention concerne un circuit électrique réalisant une amplification ou une atténuation de signal avec un gain variable. Pour mieux faire comprendre les buts et avantages de cette invention, on va expliquer rapidement l'application pour laquelle elle a été conçue. Dans une casera de télévision en couleurs à analyseur d'image solide, on reçoit de l'analyseur des signaux successifs représentant la luminance de points d'image successifs ou de lignes d'image successives. Ces points (ou lignes) successifs correspondent à des couleurs différentes, l'analyseur solide étant recouvert d'un filtre matriciel colore. Pour rétablir un signal de luminance global, il s'avère nécessaire de multiplier les signaux correspondants à chaque couleur par un coefficient numérique bien déterminé correspondant à cette couleur. On s'est donc posé le problème de la realisation d'un circuit pouvant avoir plusieurs valeurs de gain (ou d'atténuation) correspondant aux différents coefficients. Par tailleurs, dans le cas où l'analyseur solide comporte plusieurs registres de sortie fonctionnant alternativement, il peut etre nécessaire de mu1tiplexer les signaux en provenance de ces registres de sortie, mais en donnant à chacun un gain différent. La présente invention propose donc d'une part un circuit à gain sélectionnable et d'autre part un multiplexeur utilisant ce circuit à gain sélectionnble en vue de multiplexer des signaux d'entrée en affectant à chacun un gain différent. Parmi les problèmes techniques à résoudre pour obtenir un circuit fonctionnant convenablement, notamment dans l'application de caméra envisagée ici, on os peut citer - la nécessité de concevoir un circuit simple, facilement réalisable sous forme de circuit intégré et peu encombrant, - la nécessité de réaliser une commande de variation de gain simple, efficace et très rapide, compte tenu des vitesses auxquelles on doit travailler, - la nécessité de ne pas modifier, lors des changements de gain, le point de polarisation du signa de sortie, lorsqu'il est pris sous forme différentielle, faute de quoi les signaux de sortie seraient difficilement exploitables, surtout lorsqu'il y a multiplexage de signaux. Pour résoudre aussi efficacement que possible ces problèmes, la présente invention propose un circuit à gain sélectionnable comprenant - un étage différentiel principal recevant un signal à traiter, et un étage différentiel auxiliaire, ces deux étages ayant des sorties différentielles connectées en parallèle, et la consommation en courant de ces étages étant fixée par un ensemble de sources de courant - des moyens de commutation commandes agissant pour connecter une partie, sélectionnable à volonté, de cet ensemble de sources de courant à l'etage différentiel principal et le reste de l'ensemble à l'étage différentiel auxiliaire de telle marnière que la consommation totale en courant des deux étages reste constante indépendamment de la répartition des sources de courant entre l'étage différentiel principal et l'étage différentiel auxiliaire; - un étage de polarisation commun aux deux étages différentiels, connecte entre une source d'alimentation en énergie et les sorties communes des étages différentiels. Ce circuit de base constitue un circuit à gain sélectionnable, la sélection - s'effectuant par la répartition adéquate des sources de courant entre les étages différentiels principal et auxiliaire. Pour constituer un circuit de mélange susceptible de mélanger deux signaux en leur affectant des gains différents (qui peuvent d'ailleurs être sélectionnables chacun entre plusieurs valeurs possibles), on prévoit au moins un deuxième étage differentiel principal qui reçoit un autre signal à traiter, les sorties différentielles de ce deuxième étage principal étant connectées en parallèle avec celles du premier et celles de l'étage auxiliaire, les moyens de commutation de l'ensemble des sources de courant étant aptes à aiguiller les sources de courant vers les différents étages principaux et auxiliaire de telle manière que la somme des courants consommés par les différents étages principaux et auxiliaire ayant leurs sorties différentielles reliées en parallèle soit constante. Enfin, pour réaliser un circuit de multiplexage susceptible de multiplexer deux signaux (ou plus) en leur affectant des gains différents, on utilise le circuit de mélange ci-dessus mais en adaptant les moyens de commutation commandés et en rajoutant des moyens de commutation périodique agencés pour effectuer les commutations périodiques suivantes - dans une première phase de chaque période, une partie des sources de courant de l'ensemble est reliée au premier étage amplificateur différentiel principal et le reste des sources de l'ensemble est connecté à l'étage auxiliaire, aucune source n'alimentant le deuxième étage principal - dans une deuxième phase de chaque période, une partie, éventuellement différente de celle de la première phase, des sources de courant est connectée au deuxième étage dlfférentiel principal, et le reste à l'étage auxiliaire, aucune source n'étant connectée au premier etage principal. D'autres caracteristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un exemple de réalisation du circuit de base à gain sélectionnable selon l'invention - la figure 2 représente un circuit mélangeur réalisé à partir du circuit de la figure 1 et d'un étage différentiel supplémentaire ; - la figure 3 représente un circuit de commutation pour effectuer un multiplexage avec des gains différents sur, les différentes voies de multiplexage. La figure 1 represente le schéma de base de l'invention. Le circuit à gain sélectionnable comprend essentiellement - un étage différentiel principal représente dans un cadre pointillé 10 ayant deux entrées différentielles Al et B1, deux sorties différentielles S1 et T1 et une borne d'alimentation en courant N1. Cet- étage est par exemple composé de deux transistors NPN 12 et 14 ayant leurs émetteurs relies à la borne N1 et ayant l'un son collecteur relié à la borne Sl et sa base reliée à la borne Al, l'autre son collecteur relié à la borne T1 et sa base reliée à la borne B1 - un étage differentiel auxiliaire représenté dans un cadre pointillé 16, ayant deux-entrées différentielles A2 et B2, deux sorties différentielles S2 et T2 et une borne d'alimentation en courant N2.Les entrées sont ici connectées à un meme potentiel de référence V2 pour repartir également dans les sorties S2 et T2 le courant provenant de la borne N2 Cet étage différentiel 16 est par exemple consitué, comme ltétage 10, de deux transistors NPN 18 et 20 ayant leurs émetteurs relies à la borne N2 et ayant l'un sa base reliée à la borne A2 et son collecteur relie à la borne S2 et l'autre sa base reliée à la borne B2 et son collecteur relié à la borne T2. Les sorties différentielles des étages principal et auxiliaire sont connectées en parallèle, c'est à dire que S1 est reliée à S2 et T1 à T2. - un étage de polarisation représente dans un cadre pointillé 22, commun aux étages différentiels 10 et 16 et ayant d'une part une borne A3 reliee à une source d'alimentation en énergie fournissant un potentiel Vcc, et d'autre part deux bornes S3 et T3 reliées respectivement aux sorties différentielles communes S1, S2 et T1, T2 des étages différentiels 10 et 16 pour leur appliquer des tensions de polarisation. L'étage de polarisation est parcouru par un courant global (addition des courants circulant dans les bornes S3 et T3) qui est égal au courant global consommé par les étages différentiels dont les sorties sont connectées en parallèle aux bornes S3 et T3. t'étage de polarisation 22 possède par ailleurs deux bornes de sortie S et T qui constituent les sorties du circuit selon l'invention, sorties entre lesquelles apparat une tension différentielle résultant de la différence entre les chutes de tension produites dans deux résistances égales 24 et 26. L'étage de polarisation peut comprendre ces deux résistances 24 et 26 et deux transistors NPN 28 et 30. La résistance 24 est reliée d'un côté à la borne A3 (tension Vcc) et de l'autre à la borne S et au-collecteur du transistor 28 dont l'émetteur est relie à la borne S3. ta résistance 26 est reliée d'un côté à la borne A3 et de l'autre à la borne T et au collecteur du transistor 30 dont l'emetteur est relié à la borne T3. Les bases des deux transistors 28 et 30 sont relies ensemble à un potentiel fixe V3 supérieur à V2. L'étage de polarisation 22 est commun aux deux étages différentiels 10 et 16 en ce sens que ses bornes S3 et T3 sont reliées en parallèle aux sorties des deux étages différentiels. Sur ces bornes apparaissent des tensions voisines de V3 moins une chute de tension base-émetteur en direct de transistor NPN, typi queutent 0,7 à 0,8 volt, de sorte que les collecteurs des transistors 12, 14, 18 et 20 ont un potentiel de polarisation pratiquement fixe. - un étage 32 comprenant plusieurs sources de courant en parallèle et un étage de commutation 34 pour relier ces sources individuellement soit à la borne N1 de l'étage différentiel principal 10, soit à la borne N2 de l'etage différentiel auxiliaire 16. Dans l'exemple représenté, on a prévu trois sources de courant 36, 38, 40 reliées entre une masse électrique et l'étage de commutation 34. L'étage de commutation 34 comprend alors trois commutateurs 42, 44, 46 pour connecter respectivement chaque source de courant soit à la borne Nl, soit à la borne N2. L'ensemble des sources de courant connectées à la borne N1 fixe le courant consommé par l'étage 10, et, de même, l'ensemble des sources de courant connectées à la borne N2 fixe le courant consommé par l'étage 16. Toutes les sources de courant doivent etre connectées à l'une des bornes d'alimentation en courant des étages différentiels dont les sorties sont connectées en parallèle à l'étage de polarisation commun (ici il n'y a que deux étages différentiels en parallèle, mais on verra qu'il peut y en avoir plus). L'étage de commutation 34 comprend enfin des bornes de commande de commutation, désignes globalement par la référence 48, pour actionner les commutat-eurs de manière à diriger les diverses sources de courant sur l'un ou l'autre des étages différentiels. Ce sont ces bornes de commnnde de commutation qui permettent d'agir sur le gain du circuit. Enfin, dans l'exemple représente à la figure 1, on a prévu un étage différentiel d'entrée de type classique, ayant deux bornes d'entree différentielles ai et bl entre lesquelles est appliquée une tension d'entrée à amplifier ou atténuer avec un gain sélectionnable, et deux bornes de sortie ci et dl rellées aux bornes d'entrée Al et B1 de l'étage différentiel principal 10. Cet étage différentiel d'entrée peut comprendre deux transistors NPN 50 et 52 (collecteurs relies aux sorties ci et dl, bases reliées aux entrées al et bl). tueurs émetteurs sont reliés respectivement à des résistances 54 et 56 reliées par ailleurs à une source de courant 58.Deux transistors 60 et 62 servent à la polarisation des transistors 50 et 52 en assurant une compression logarithmique de la tension différentielle appliquée entre les entrées ai et bî : leurs émetteurs sont relies respectivement aux collecteurs des transistors 50 et 52, leurs collecteurs reçoivent la tension d'alimentation Vcc, leurs bases sont polarisées par un potentiel commun fixe V1 inférieur à Vcc ; V1, V2 et V3 doivent être choisis de manière à faire fonctionner les transistors 12, 14, 18, 20, 28, 30, 50, 52, 60, 62 en régime linéaire. Les entrees du circuit selon l'invention sont les entrées al et bl ; les sorties sont les bornes S et T. Le circuit fonctionne de la manière suivante Le signal appliqué entre les bornes d'entrée Al et B1 de l'étage différentiel principal 10 (signal dépendante de la tension entre les bornes al et bl, et de l'amplitude de la source de courant 58), engendre des courants déséquilibrés dans les transistors 12 et 14, la somme de ces courants ayant une valeur imposée par les sources de courant connectées à la borne N1 (ici la source 36) et le déséquilibre étant proportionnel à cette somme. Ces courants déséquilibrés circulent aussi respectivement dans les transistors de polarisation 28 et 30 et les résistances 24 et 26 qui sont par ailleurs parcourues par les courants circulant dans les transistors 18 et 20 de ltétage différentiel auxiliaire. Une tension différentielle apparaît alors entre les bornes S et T, proportionnelle au déséquilibre des courants qui traversent les résistances égales 24 et 26. Or l'étage différentiel auxiliaire 16 fournit des courants équilibrés sur les bornes S3 et T3 du fait qu'il reçoit une tension différentielle d'entrée nulle (bornes A2 et B2 reliées). Seul l'étage différentiel principal 10 contribue donc au déséquilibre des courants dans les résistances 24 et 26. La tension différentielle de sortie est donc elle-même proportionnelle au désequilibre des courants dans l'nage différentiel principal, donc au courant global traversant cet étage et provenant de la ou les sources connectées a la borne N1. Le gain ou l'atténuation, entre la tension différentielle de sortie entre S et T et la tension différentielle d'entrée entre al et bl, peut être réglé par l'application de courants de valeur différente à la borne Nl au moyen des commutateurs de l'étage 34. En pratique, le gain est d'ailleurs directement relié aux rapports entre les amplitudes des sources de courant appliquées à la borne NI et l'amplitude du courant de la source 58 de l'étage d'entrée. Le point de polarisation moyen de la tension différentielle de sortie reste constant quel que soit la répartition des sources de courant entre les bornes N1 &commat;t et N2, donc quel que soit le gain obtenu, du fait que toutes les sources de courant sont effectivement connectées à l'une des bornes et que par consequent la somme des courants dans les résistances 24 et 26 reste constante : les tensions différentielles s'établissent autour d'un point de repos correspondant à une tension de mode commun, sur les bornes S et T, qui est VCc diminuée de la chute de tension introduite dans la résistance 24 ou 26 par la moitié de la somme des courantsde l'ensemble des sources de l'étage 32. On peut noter ici qu'un changement de gain du circuit peut se faire très rapidement car il fait appel à une commutation de courant, laquelle peut se faire beaucoup plus rapidement qu'une commutation de sources de tension. La figure 2 montre comment on peut-réaliser, à partir du circuit de l'invent-ion, un circuit de mélange de deux ou plusieurs signaux avec des gains différents pour les différents signaux. On a rajouté au schéma de la figure 1 un autre étage differentiel principal 10' identique à L'étage 10, ayant des bornes d'entrée A'1 et B'1, des bornes de sortie S'1 et Tt1, deux transistors 12' et 14', une borne d'alimentation en courant N'1. On a également rajoute éventuellement un autre étage différentiel d'entrée, identique au premier3 avec des bornes d'entrez atl et b'1, une source de courant d'alimentation 58', quatre transistors 50', 52', 60', 62r, deux résistances 54fol, 56' et deux bornes de sortie c'l et d'l mîmes aux bornes '1 et B'1. Les sorties S'1 et T'1 du deuxième étage principal sont reliées respectivement aux bornes S1 et T11 donc également aux bornes 53 et T3 de l'étage de polarisation qui devient maintenant commun aux deux étages différentiels principaux et à l'nage differentiel auxiliaire. Les commutateurs de l'étage 34 sont maintenant agences pour relier certaines sources de courant de l'étage 32soit à la borne NI, soit à la borne N2, et les autres sources soit à la borne N'l, soit à la borne N2, de manière que toutes les sources soient reliées à l'une de ces bornes et qu'ainsi la consommation totale de l'ensemble des étages principaux et auxiliaire reste en permanence égale à la somme des courants des sources de l'ensemble 32 quel que soit l'étant des commutateurs de l'étage 34. Des signaux d'entrée sont appliqués entre les bornes al et bl d'une part, entre les bornes a'l et b'l d'autre part et la tension différentielle apparaissant entre S et T est un mélange de ces signaux avec des gains différents- réglés indépendamment par le choix des courants appliqués aux étages principaux 10 et 10'. La modification des gains n'influe pas sur la polarisation du signal de sortie pour les mêmes raisons que dans le cas de la figure 1. On peut prévoir plus de deux étages principaux, par exemple trois pour le mélange de trois signaux, ce qui augmente toutefois le nombre de sources de l'étage 32 si on veut pouvoir varier indépendamment les gains de chacun des signaux d'entrée. A partir du circuit de la figure 2 mais en modifiant l'étage de commutation 34 et en prévoyant en outre des moyens de commande de commutation périodique, on peut réaliser un circuit de multiplexage capable de multiplexer les deux signaux d'entrée (sur al, bl d'une part et a'1, b'1 d'autre part) en leur donnant un gain différent. Le signal multiplex est obtenu sur les sorties S et T dont la polarisation moyenne ne change pas lorsque changent les gains des deux voies de multiplexage. Un exemple d'étage de commutation modifie dans- ce but est representé à la figure 3. I1 comprend une série de commutateurs 100 équivalents à ceux- des figures 1 et 2 et commandes par un ensemble de bornes désignées globalement par la reférence 48.Ces commutateurs ont pour fonction d'aiguiller le courant des sources de l'ensemble 32 soit entre les bornes N1 et N2 pour la moitié des commutateurs, soit entre les bornes N'1 et N2 pour l'autre moitie Les courants des sources n'arrivent toutefois pas directement à ces commutateurs mais par l'intermédiaire d'une autre série de commutateurs 110 actionnes en synchronisme par des moyens de commutation périodique 120 ayant pour fonction d'aiguiller les courants, dans une première phase de chaque période, vers la première moitié des commutateurs de l'ensemble 100, puis, dans une deuxième phase, vers l'autre moitié. Ainsi, les commutateurs 110 sont actionnés périodiquement à la fréquence de multiplexage souhaitée tandis que les commutateurs de l'ensemble 100 ont des états stables qui ne sont modifiés que lorsqu'on veut changer le gain des voies de multiplexage. Le circuit de commutation est agencé en tous cas pour que dans chaque phase la totalité des sources de l'ensemble -32 soit répartie entre l'étage differentiel auxiliaire et un étage principal donné, l'autre étage principal n'étant pas alimenté en courant pendant cette phase. te multiplexage peut se faire avec plus de deux signaux en prévoyant d'autres étages dirferentiels principaux et un cir cuit de commutation approprié à un plus grand nombre de phases de commutation. Dans ce qui précèdes on a donné des exemples de réalisation, non llmitatifs, des divers etages differentiels et de l'étage de polarisation commun. En ce qui concerne les com- mutateurs, ils peuvent par exemple btre réalisés chacun par deux transistors travaillant en opposition de phase. Quand aux sources de courant, étant donné que l'on souhaite précisément connattre leurs rapports, il est particulièrement souhaitable de les réaliser, en technique de circuits intégrés, par des montages bien connus dits en miroirs de courant , où plusieurs transistors, de surfaces d'émetteurs differentes et proportionnelles aux courants à obtenir, sont connectes avec leurs emetteurs tous relies ensemble et leurs bases toutes reliées ensemble, les collecteurs définissant les sorties des sources de courant individuelles. REVENDICATIONS 1. Circuit à gain sélectionnable, caractérisé en ce qu'il comprend - un étage différentiel principal (10) recevant un signal à traiter, et un étage différentiel auxiliaire (16), ces deux étages ayant leurs sorties différentielles (S1, T1 ; S2, T2) connectées en parallèle, la consommation en courant de ces étages étant fixée par un ensemble de sources de courant (32) - des moyens de commutation commandés (34) agissant pour connecter une partie sélectionnable de cet ensemble de sources de courant à l'étage différentiel principal et le reste de l'ensemble à l'étage auxiliaire de telle manière que la consommation en courant totale des étages différentials dont les sortitts sont connectées en parallèle, reste constante - un étage de polarisation (22) commun aux deux étages différentiels, connecte entre une source d'alimentation en énergie (Vcc) et les sorties communes des étages différentiels et ayant des sorties différentielles (S,T) fournissant une tension différentielle amplifiée ou atténuée avec un gain sélectionnable par rapport au signal à traiter. 2. Circuit à gain sélectionnable selon la revendication 1 > caractérisé en ce que l'étage différentiel auxiliaire (16) reçoit une tension d'entrée différentielle nulle. 3. Circuit à gain selectionnable selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étage de polarisation (22) comprend deux résistances (24, 26) connectées respectivement entre la source d'alimentation (Vcc) et les sorties du circuit (S, T). 4. Circuit à gain sélectionnable selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étage de polarisation comprend deux transistors (28, 30) connectés respectivement chacun entre une des sorties communes des étages différentiels et une sortie correspondante du circuit. 5. Circuit à gain sélectionnable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu en outre un étage différentiel d'entrée en amont de l'etagè différentiel principal, les entrées (al, bl) de cet étage d'enerée recevant une tension à traiter et les sorties (el, dl) étant reliées aux entrées (Al, B1) de ltétage différentiel principal. 6. Circuit à gain sélectionnable selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce quoil est prévu au moins un deuxième étage differentiel principal (10') recevant sur ses entrées (A'1, B'1) un autre signal à traiter et ayant des sorties différentielles (S'1, T'1) connectées en parallèle avec celles du premier étage principal, les moyens de commutation (34) étant agencés pour aiguiller les sources de courant de l'ensemble vers les différents etages principaux et auxiliaire de telle manière que la somme des courants consommes -par les différents étages principaux et auxiliaire reste constante. 7. Circuit à gain sélectionnable selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu en outre des moyens de commutation périodique (110, 120) agences pour effectuer les commutations périodiques suivantes - dans une première phase de chaque période, une partie des sources de courant de l'ensemble est reliee au premier étage différentiel principal, et le reste des sources de l'ensemble à l'étage auxiliaire ; - dans une seconde phase de chaque période, une partie, éventuellement différente de celle de la première phase, des sources, est connectée au deuxième étage différentiel principal et le reste des sources de l'ensemble à l'étage auxiliaire.