Brevet FR2538636A1 — publié le 19840629

"Terminaison destinée à un atténuateur à impédance élevée". La présente invention concerne de manière générale une terminaison destinée à un atténuateur à impédance élevée, et plus particulièrement, un circuit d'entrée d'oseilloscope comprenant un étage constituant un atténuateur à impédance élevée et une terminaison d'entrée d'un tel étage atténuateur. Les instruments-électroniques d'essais et de mesure généralement utilisés tels que par exemple, les oscilloscopes, sont normalement conçus pour inclure des atténuateurs commuta- bles qui constituent une partie de leur circuit d'entrée afin de pouvoir accepter une large gamme de tension pour les si- gnaux d'entrée De tels atténuateurs présentent de préférence une résistance d'entrée élevée, telle que 1 mégohm, ce qui ré- duit l'effet de charge sur la source du signal à mesurer De tels circuits d'entrée présentent une capaçité propre {C) éle- vée qui, en combinaison avec la résistance d'entrée (R) élevée des atténuateurs, constitue un circuit (RC) qui limite la ban- de passante, ce qui rend l'appareil impropre pour mesurer l'ex- trémité d'une ligne de transmission à large bande présentant une impédance caractéristique (Z 0) classique de 50 ohms. Une première approche usuelle pour remédier à ce problème est d'utiliser une terminaison commutable à faible impédance (par exemple 50 ohms) du côté de l'entrée de tels atténuateurs, comme cela est représenté à la fig 1 Un signal d'entrée appliqué au connecteur d'entrée 10 est atténué à une amplitude appropriée par un atténuateur 12 commutable de 1 mégohm avant d'être appliqué à un amplificateur tampon 14 qui comprend une capacité propre d'entrée 18 La sortie de l'ampli- ficateur tampon 14 est ensuite amplifiée par des amplificateurs reliés à la borne de sortie 16 L'atténuateur 12 peut être un atténuateur de type haute fréquence qui est réalisé sur un subs- trat céramique par la technique de dépôt de films minces com- me décrit dans le brevet américain No 3 753 170 délivré au nom de la demanderesse Une combinaison en série d'un interrup- teur 22 et d'une résistance de terminaison 20 est reliée entre l'entrée de l'atténuateur 12 et la masse L'interrupteur ou commutateur 22 est normalement ouvert pour réduire l'effet de charge, mais il est fermé lorsque l'on mesure les extré- mités de source de signaux à faible impédance et à bande pas- sante large. Une autre approche usuelle est représentée à la fig 2 elle utilise un étage d'atténuation 24 commutable à faible im- pédance d'entrée qui cocprend un atténuateur 23 et un étage d'atténuation à impédance d'entrée élevée qui comprend un atténuateur 25 à impédance élevée et un convertisseur d'impédance 27 Le signal d'entrée appliqué sur la borne d'entrée 10 est transmis à l'étage atténuateur com- mun 30 de faible impédance soit par l'intermédiaire de l'étage d'atténuation d'entrée 24, soit par l'intermédiaire de l'étage d'atténuation d'entrée 26 en fonction de la sélection réalisée par le commutateur 28 avant d'atteindre la borne 16 par l'inter- médiaire de l'amplificateur tampon 14 Les étages d'atténuateurs 23,25 et 30 sont généralement couplés ensemble afin de permet- tre la commande par un seul bouton. Les inconvénients de ces techniques antérieures sont constitués par leur réflexion élevée et par leur construction complexe tant mécanique qu'électrique C'est-à-dire que l'atté- nuateur 12 est fabriqué le long d'une ligne de transmission présentant une impédance caractéristique uniforme Lorsqu'une impul -ior en Forme de grad-l;i, comme reprdésentée fic a, est appliquée à la borne d'entrée 10, cette impulsion est réfléchie et fournit une réflexion négative comme représenté par la for- me d'onde B de la fig 4 du fait de la capacité propre 18 Le temps T représente le retard de la ligne de transmission d'un tel atténuateur 12 Ceci cause un effet inverse sur la source de signal. Pour réduire la réflexion du signal dans le circuit d'entrée d'un étage d'atténuation à résistance élevée, tout en maintenant une disposition de circuit aussi simple que possi- ble, la présente invention engendre de manière volontaire une réflexion positive pour annuler de manière efficace la réflexion -3 - négative cidessus mentionnée, ce qui minimise l'effet de charge sur l'extrémité de toute autre source de signal à haute fréquence à laquelle on relie l'atténuateur à haute impédance Les réflexions négative et positive sont ajustées soigneusement pour réaliser un degré élevé d'annulation Il faut noter cependant que l'impédance de la terminaison reste constante sur la large gamme de fréquence malgré l'addition d'une telle réflexion positive. C'est donc un objet de la présente invention de fournir une terminaison destinée à un atténuateur à impédance élevée et qui présente un effet de-charge minimal. C'est encore un autre objet de la présente invention de fournir un circuit d'entrée d'impédance pouvant être sélec- tionné à volonté pour un instrument d'essai et de mesure tel que par exemple, un oscilloscope, un analyseur logique etc La terminaison d'atténuateur à impédance élevée selon l'invention comprend une borne d'entrée un premier circuit de signal comprenant un atté- nuateur à haute impédance, un amplificateur tampon relié en cascade audit atténuateur et-une première résistance pour coupler ladite bor- ne d'entrée à l'entrée dudit atténuateur, et. n u deuxième circuit de signal comprenrant taie con- nexion en série d'une seconde résistance, d'une ligne à retard et d'une inductance branchées entre ladite borne d'entrée et une source de potentiel de référence Avantageusement les première et seconde résistances ont une valeur égale et l'impédance caractéristique et le re- tard dudit atténuateur et de ladite ligne à retard sont égales entre elles. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront de la description qui suit faite à titre il- lustratif en se référant au dessin sur lequel les fig 1 et 2 représentent des exemples d'atté- nuateurs de la technique antérieure; la fig 3 est un schéma simplifié illustrant le principe de la présente invention; la fig 4 représente une série de forme d'onde pour expliquer la terminaison d'atténuateur à impédance élevée repré- sentée à la fig 3; la fig 5 est un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation préféré de la présente invention et, la fig 6 représente de manière schématique un au- tre mode de réalisation préféré de la présente invention. Comme on peut le comprendre en comparant les fig 1- et 3, la présente invention diffère de la technique antérieure par l'addition d'une résistance d'amortissement 32 branchée en série avec l'atténuateur 12 à l'entrée de ce dernier et par la combinaison en série d'une ligne à retard 24 et d'une inductance 36 branchée entre la résistance de terminaison 20 et la masse. De préférence, les deux résistances 20 et 32 ont la même résis- tance, par exemple 50 ohms Cette faible résistance 32 ne cause pratiquement aucun effet sur les performances de l'atté- nuateur lorsque le commutateur 22 est ouvert, parce que la ré- sistance est négligeable par rapport à la résistance d'entrée (par exemple 1 mégohm) de l'atténuateur 12 à haute impédance (résistance -Il en résulte que le circuit peut fonctionner comme un atténuateur usuel à haute impédance pour des applica- tions à basse fréquence. Dans le mode de fonctionnement à faible impédance, (ou à terminaison), lorsque le commutateur de terminaison 22 est fermé, les deux trajectoires de signal comprenant la résis- tance d'amortissement 32 et la résistance de terminaison 20 sont reliées en parallèle sur le connecteur d'entrée 10 Pour des composantes de signal à haute fréquence, l'atténuateur 12 est considéré comme une ligne de transmission à faible impé- dance présentant un retard T Si l'on suppose que l'impédance caractéristique Z 0 de chacun des deux éléments,atténuateur 12 et ligne à retard 32 est de 50 ohms, l'impédance combinée ap- pliquée sur le signal au connecteur d'entrée 10 à l'instant t O - de la fig 4 est de 50 ohms parce que chaque trajectoire de signal comprend le branchement en série d'une résistance de ohms (élément 32 ou 20) et d'une ligne de transmission de ohms (élément 12 ou 34) Le signal d'entrée est donc divi- sé en deux parties égales dans les deux trajectoires de signal. Lorsque le signal atteint les extrémités de sortie de telles lignes de transmission, une réflexion négative est créée par la capacité 18 à la sortie de l'atténuateur 12 et se propage en retour vers le connecteur d'entrée 10 par l'intermédiaire de l'atténuateur 12 et de la résistance d'amortissement 32 La résistance d'amortissement 32 atténue cette réflexion Cette réflexion du fait de la capacité 18 peut apparaitre comme re- présenté par la forme d'onde B représentée à la fig 4 lors- que l'on observe en utilisant un réflectomètre de domaine des temps(Time Domain Prefectometer) De manière similaire, le si- gnal présent à la sortie de la ligne à retard 24 présentant le retard T est réfléchi de manière positive dans cette trajectoire du signal du fait de l'impédance élevée (L) de l'inductance 36. La réflexion positive est transmise en retour au connecteur d'entrée 10 par l'intermédiaire de la ligne à retard 34 et de la résistance de terminaison 20 avec une atténuation égale à celle de la première trajectoire de signal La visualisation de la réflexion positive fournie par la visualisation du réflec- teur à domaine de temps peut apparaitre comme représenté par la forme d'onde C de la fig 4 Les deux réflexions positive et ne- gative prennent un temps égal à 2 T pour atteindre l'entrée après l'application de l'impulsion en gradin A Le résultat net est représenté par la forme d'onde D représentée à la fig 4 et on comprend qu'il n'y a pas de réflexion à l'instant t 1. Il faut noter que la résistance de terminaison 20 détermine à elle seule la résistance de terminaison d'entrée en continu et à basse fréquence L'impédance de la deuxième trajec- toire du signal qui comprend la résistance de terminaison 20 augmente lorsque la fréquence du signal augmente Mais celle de la première trajectoire de signal comprenant l'atténuateur 12 _-6 _ diminue, ce qui maintient l'impédance d'entrée sensiblement égale à 50 ohms pour toute la large gamme de fréquences. L'inductance propre de l'inducteur 36 est calculée en fixant le produit de l't impédance ZC du condensateur 18 et de l'impédance ZL de l'inductance 36 égal au carré de l'impé- dance caractéristique Z O Ceci veut dire que: jÉ ta L L 2 ZL ZC =)C = = Z O jw C C et par suite: L = Z 2 C. Si on se réfère à la fig 5 qui représente un mode de réalisation préféré de l'invention, la ligne à retard est représentée par ce que l'on appelle une ligne à bandes paral- lèles 34 ' d'une longueur prédéterminée pour fournir le retard désiré L'atténuateur 12 est constitué, dans ce mode de réali- sation particulier, par deux étages commutables 12 a et 12 b re- liés en cascade Evidemment, on peut relier plus de deux étages d'atténuation présentant des facteurs d'atténuation différents pour fournir plus de facteurs d'atténuation Chaque étage d'atténuateur comprend deux paires d'interrupteurs couplés 38 a à 38 d et 40 a à 40 d et un atténuateur RC à impédance élevée comprenant au moins une résistance en série R 1, une résistance paralië e R 2 et d$s condensatears C 1 et C 2 branches en parall Ule- sur les résistances R et R 2 Les atténuateurs à impédance élevée sont bien connus des spécialistes de la technique et ils ne seront donc pas décrits ci-après en détail Chaque étage d'at- ténuateur 12 a et 12 b fournit une atténuation donnée en fonc- tion de la position des interrupteurs 38 et 40 En fermant les interrupteurs 38 a et 38 b ou les interrupteurs 40 a et 40 b, ltat- ténuateur considéré est court-circuité par la trajectoire de signal parallèle S qui a une configuration en ligne à bandes parallèles et le signal est transmis sans aucune atténuation. Si on ferme les interrupteurs 38 c et 38 d ou 40 c et 40 d, l'on -7- insère l'atténuateur concerné pour fournir l'atténuation pré- déterminée du signal La ligne à bandes parallèles 34 ' peut avoir sensiblement la même longueur que la somme des lignes de transmission des atténuateurs 12 a et 12 b. Si l'on suppose que la capacité 18 est égale à 1,5 p F et que l'impédance caractéristique Z O est de 50 ohms, l'inductance propre L de l'inductance36 peut être de L = z 02 C 2500 x 1,5 x 10 -12 = 3,75 x 109 = 3,75 n H. Si l'on se réfère maintenant à la fig 6 qui repré- sente un autre mode de réalisation de la présente invention, le circuit représenté est semblable à celui de la fig 5 à l'excep- tion de détails de l'atténuateur 12 et de l'amplificateur tam- pon 14 L'atténuateur 12 est constitué d'un seul étage d'atté- nuation commutable qui comprend des interrupteurs couplés 51 et 52, une résistance série Rj, une résistance parallèle R 2 et quatre condensateurs C 1 à C 4 Le signal n'est pas atténué lorsque l'interrupteur 51 est fermé et que l'interrupteur 52 est ouvert, mais le signal est atténué du facteur prédéterminé lorsque 51 est ouvert et 52 fermé On peut brancher plus d'un étage atténuateur commutable en cascade. L'étage d'amplificateur tampon 14 est quelque peu différent du concept usuel; il est constitué d'un amplificateur à courant alternatif 42 qui comporte une faible capacité d'en- trée à l'entrée, d'un amplificateur sommateur 47 et d'un étage de sortie 46 convertisseur d'impédance qui peut fournir deux signaux de sortie de polarités opposées Le signal d'entrée de l'amplificateur à courant alternatif 42 et la sortie inverseuse de l'amplificateur de sortie 46 sont reliés à l'entrée de l'am- plificateur sommateur 44 par l'intermédiaire de résistances 48 et 50 sensiblement égales La tension présente à la jonction des deux résistances 48 et 50 reste à la valeur O aussi long- temps que le signal de sortie présent sur la borne de sortie 16 ' suit de manière précise le signal d'entrée mais avec une polarité opposée En d'autres termes, toute erreur dans les composantes continues et à basse fréquence entre les signaux /25 É 38636 -8- d'entrée et de sortie est amplifiée par l'amplificateur som- mateur 44 et l'amplificateur de sortie 46 L'amplificateur à courant alternatif 42 peut être constitué par un amplificateur à transistor à effet de champ source du transistor à effet de champ L'amplificateur somma- teur 44 peut être constitué par un amplificateur opérationnel dont la sortie sera envoyée à l'émetteur du transistor en base commune L'amplificateur de sortie peut être constitué par un transistor monté en émetteur suiveur (emitter follower) com prenant un amplificateur à transistor à base commune relié au collecteur du transistor à émeteur suiveur La sortie directe peut être reliée à l'émetteur du transistor monté en émetteur suiveur alors que la sortie inverseuse 16 ' peut être reliée au collecteur du transistor à base commune. On peut noter de la description ci-dessus que la terminaison pour un atténuateur à haute impédance conforme à la présente invention fournit la terminaison idéale pour la totalité de large gamme de fréquences sans réflexion de signal mesurable qui puisse créer un effet inverse tel que des opéra- tions de signaux connues sous ne nom de "bavures" (glitch) dans la source du signal mesuré La construction du circuit est très simple et compatible avec tout circuit existant La ligne a retard et i inductance appropriées qui-sont nécessai- res pour obtenir un haut niveau d'annulation sont déterminées physiquement pour chaque circuit particulier de manière à éli- miner la nécessité de réglage ou de calibrage. La description ci-dessus n'a été fournie qu'à titre d'exemple nullement limitatif et il est évident que l'on peut y apporter des modifications ou variantes sans sortir pour autant du cadre de la présente invention. En particulier, l'invention peut également s'appli- quer à un circuit de terminaison destiné à une ligne de transmission qui est branchée sur une charge capacitive Dans ce cas, la ligne elle-même constitue un atténuateur et la -9- capacité de la charge qui est branchée à sa sortie correspond à la capacité propre de l'amplificateur d'entrée ou de l'am- plificateur tampon 14 Dans cette application, l'invention consiste à brancher une résistance d'amortissement correspon- dant à la résistance 32 en série avec l'entrée de la ligne de transmission et à brancher entre la borne ou l'extrémité d'en- trée de cette résistance d'amortissement et la masse une combi- naison ou circuit comprenant en série une résistance de termi- naison correspondant à la résistance 20, une ligne à retard et une inductance. Avantageusement, dans ce cas, la ligne à retard est choisie de manière à présenter la même impédance caractéristi- que et le même retard que la ligne de transmission et on choi- sit pour les résistances d'amortissement et de terminaison une valeur de résistance égale à cette impédance caractéristique. REVENDICATIONS 1 ) Terminaison destinée à un atténuateur d'impé- dance élevée, caractérisée en ce qu'elle comprend une borne d'entrée ( 10) un premier trajet de signal comportant un atténua- teur ( 12) à haute impédance, un amplificateur tampon ( 14) re- lié en cascade avec ledit atténuateur ( 12) et une première résistance reliant ladite borne d'entrée ( 10) à l'entrée du- dt atténuateur ( 12), et un second trajet de signal comportant, branchées en série, une seconde résistance ( 20), une ligne à retard ( 34, 34 ') et une inductance ( 36) reliée entre ladite borne d'entrée ( 10) et une source de potentiel de référence. 2 ) Terminaison selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que lesdites première ( 32) et seconde ( 20) résistances ont une valeur égale et en ce-que l'impédance caractéristique et le retard dudit atténuateur ( 12) et de ladite ligne à retard ( 34,34 ') sont égaux entre eux. 3 ) Terminaison selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second trajet de signal comprend en outre un inter- rumpteur ( 22) reliant de manière sélective le second trajet de signal à ladite borne d'entrée ( 10). 4 ) Terminaison selon la revendication 2, caracté- risée en ce que la résistance et l'impédance caractéristiques dezdites prsmière ( 32) et-secordó '20) rds;tai zes, dudit attéei. nuateur ( 12) et de ladite ligne à retard ( 34,34 ') sont choisies pour être,égales à 50 ohms. ) Terminaison selon la revendication 1, caracté- risée en ce que ladite ligne à retard ( 34,34 ') est une ligne à bandes parallèles. 6 ) Circuit d'entrée pour un instrument de mesure électrique à large bande comprenant un atténuateur à impé- dance élevée commutable ( 12) et un amplificateur d'entrée ( 14) présentant une capacité d'entrée propre ( 18), ledit circuit d'entrée étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre: une résistance ( 32) d'amortissement branchée entre une borne d'entrée ( 10) et l'entrée dudit atténuateur ( 12),et un circuit comprenant en série un interrupteur ( 22), une résistance de terminaison ( 20) une-ligne à retard ( 34,34 ') et une inductance ( 36)et branché entre ladite borne d'entrée ( 10) et une source de potentiel de référence. 7 ) Circuit d'entrée selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que ledit atténuateur ( 12) est un atténuateur commutable de 1 mégohm et en ce que ladite résistance de termi- naison ( 20) a une valeur de 50 ohms. 8 ) Circuit d'entrée selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que ledit amplificateur d'entrée ( 14) comprend un amplificateur ( 42) à courant alternatif, un amplificateur sommateur ( 44) et un amplificateur de sortie ( 46) branches en cascade et en ce que l'entrée dudit amplficateur ( 42) à courant alternatif et la sortie inverseuse dudit amplificateur de sor- tie ( 46) sont appliquées audit amplificateur sommateur ( 44), chacune par l'intermédiaire d'une résistance de couplage ( 48,50). 9 ) Circuit de terminaison pour une ligne de trans- mission branchée sur une charge capacitive, caractérisé en ce qu'il comprend: une résistance d'amortissement ( 32) branchée en série avec l'entrée de ladite ligne de transmission, et une combinaison en série d'une résistance de ter- minaison ( 20), d'une ligne à retard ( 34,34 ') et d'une induc- tance ( 36), ladite combinaison étant branchée entre l'extrémité d'entrée de ladite résistance d'amortissement ( 36) et la masse. ) Circuit de terminaison selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission et ladite ligne à retard ( 34,34 ') ont des impédances caractéristiques et des retards égaux l'un à l'autre et en ce que lesdites résistances d'amortissement ( 20) et de terminaison ( 32) ont la même résistance que ladite impédance caractéristique.