Brevet FR2544502A1 — publié le 19841019

CIRCUIT DE MESURE DES CARACTERISTIQUES DE BRUIT DE FOND D'UN COMPOSANT ELECTRONIQUE L'invention concerne un circuit de mesu- re des caractéristiques de bruit de fond d'un composant élec- tronique Elle s'applique en particulier pour mesurer les ca- ractéristiques de bruit de fond ramenées à l'entrée de tran- sistors bipolaires, notamment en basses et moyennes fréquences. On sait que l'une des caractéristiques fondamentales des composants électroniques, notamment des composants actifs (transistors, amplificateurs élémentaires, ) est constituée par le bruit de fond généré par ledit composant et ramené à l'entrée de celui-ci, bruit de fond dont la connaissance permet de définir l'amplitude du plus petit signal qui peut être traité par le composant. Les circuits de mesure de bruit de fond classiques effectuent une mesure indirecte de ce bruit de fond, en mesurant le bruit à la sortie dudit composant, en mesurant le gain de celui-ci et en faisant le rapport de ces grandeurs pour déduire le bruit de fond ramené à l'entrée du composant Ce principe traditionnel de mesure qui est utilisé de façon universelle depuis le début de l'électronique, s'est imposé de façon naturelle en raison des très faibles valeurs du bruit à l'entrée: le bruit est mesuré à la sortie du com- posant pour profiter du gain propre de celui-ci, ce qui per- met d'avoir à mesurer en sortie un signal de bruit plus im- portant, compatible avec les appareils de mesure existants. Toutefois, ce principe de mesure présen- te le grave inconvénient de nécessiter trois mesures distinc- tes, l'une du bruit à la sortie, une autre d'un signal auxi- liaire injecté à l'entrée dans le but de déterminer le gain, enfin une troisièmede ce signal à la sortie En outre, des moyens de calcul sont nécessaires pour déterminer le gain et le bruit à l'entrée à partir des résultats de ces mesures de plus un générateur de signal auxiliaire doit être prévu pour la détermination du gain. Il s'ensuit que la mise en oeuvre du principe traditionnel de mesure cidessus évoquée conduit à des appareillages de structure complexe, imprécis en raison des erreurs cumulées dues aux trois mesures et exigeant des temps de mesure qui peuvent être très longs. La présente invention se propose de four- nir un nouveau circuit de mesure remédiant aux défauts sus- évoqués des circuits connus. Un objectif de l'invention est en parti- culier de fournir un dispositif apte à réaliser une mesure directe du bruit de fond ramené à l'entrée du composant, sans avoir à effectuer une mesure de gain ou à utiliser des moyens de calcul ou un générateur de signal auxiliaire. Un autre objectif de l'invention est d'effectuer la mesure directe sus-évoquée au moyen d'un cir- cuit de structure simple et peu coûteuse. Un autre objectif lié aux précédents est d'augmenter considérablement à la-fois la rapidité de la mesu- re et sa précision. A cet effet, le circuit de mesure visé par l'invention est du type comprenant une alimentation élec- trique de polarisation continue par rapport à une référence de potentiel continue, une impédance de charge reliée à la- dite alimentation et à une première borne destinée à être connectée à la sortie du composant, un amplificateur ayant une entrée reliée à la première borne précitée et une sortie reliée à des moyens de mesure des caractéristiques du signal issu dudit amplificateur, et une impédance de source, reliée à une seconde borne destinée à être connectée à l'entrée du composant; selon la présente invention, la sortie de l'am- plificateur est rebouclée sur l'impédance de source par l'en- tremise d'un pont diviseur ayant une borneconnectée à ladite sortie d'amplificateur, une borne médiane connectée à l'impé- dance de source et une borne basse reliée à la référence de potentiel continu. Un tel circuit fonctionne sur le princi- pe d'un asservissement à contre réaction ayant une commande constituée par le bruit de fond à l'entrée du composant et une sortie o se trouve disponible le bruit de fond à mesurer multiplié par un facteur d'amplification constant et connu par construction Un tel circuit profite de l'avantage des circuits classiques qui est de mesurer un signal de bruit amplifié (donc d'amplitude mesurable) mais élimine les défauts de ces circuits du fait que le signal mesuré est directement proportionnel au bruit de fond ramené à l'entrée; il évite donc d'avoir à procéder à une mesure du gain du composantet supprime les calculs nécessaires dans les circuits classiques et la nécessité d'un générateur de signal- auxiliaire De plus, le caractère direct de la mesure combinée à l'amplification de la grandeur à mesurer conduit à une précision notablement améliorée par rapport aux dispositifs connus. Selon un mode de réalisation permettant de mesurer le bruit de fond dans une gamme étendue de condi- tions de fonctionnement du composant, on choisit comme alimentation de polarisation continue, une source de tension de valeur réglable, et comme impédance de charge et impé- dance de source, des impédances variables. Ceci permet de procéder à la mesure du bruit de fond en plusieurs points (de façon continue ou dis- crète) de la plage de fonctionnement du composant. En outre, selon une autre caractéristique de l'invention, l'impédance de charge et l'impédance de source sont des impédances non linéaires, adaptées pour-conférer à l'étage constitué par lesdites impédances et par le composant un gain en tension sensiblement indépendant de la polarisa- tion continue dudit composant. De telles dispositions assurent en pra- tique une simplification importante de la structure des impé- dances de charge et de source, en évitant, d'une part, la multiplicité de composants, qu'imposent les charge et source de type linéaire, d'autre part, les commutations qu'exige ce type de charge et source Dans le cas de l'invention, le choix d'impédances non linéaires,adaptées au type de composant à mesurer,permet de limiter leur nombre et de supprimer la né- cessité des commutations. Par ailleurs, selon une autre caractéris- tique de l'invention, l'amplificateur utilisé est un amplifi- cateur différentiel ayant une seconde entrée reliée à une seconde alimentation continue Cette disposition assure un asservissement précis de la tension continue de sortie du composant à la seconde alimentation Cette dernière est en particulier une source de tension de valeur réglable pour per- mettre des mesures dans une plage étendue de conditions de fonctionnement du composant. De plus, dans le but de bénéficier d'une large bande passante (mesure de bruit précise dans une large plage de fréquence), le circuit comprend les caractéristiques suivantes une impédance est interposée entre la seconde entrée de l'amplificateur et la seconde alimentation continue, un circuit de contre réaction est con- necté entre ladite seconde entrée de l'amplificateur et la sortie de celui-ci, ce circuit de contre réaction étant adapté pour conférer à l'étage d'amplification formé par l'amplifica- teur, l'impédance et le circuit de contre réaction un gain statique très supérieur à son gain dynamique. Par gain statique très supérieur au gain dynamique, on entend un gain statique d'au moins un ordre de grandeur (et si possible de plusieurs) supérieur au gain dy- namique (par exemple rapport de 100 à 1000). Le gain statique élevé assure une grande précision de l'asservissement de la polarisation continue du composant, cependant qu'un gain dynamique faible permet un fonctionnement dans une plage de fréquence étendue. D'autres caractéristiques, buts et avan- tages de l'invention se dégageront de la description qui suit en référence au dessin annexé qui présente un exemple de cir- cuit conforme à l'invention dans le cas d'une application à la mesure du bruit de fond d'un transistor bipolaire; sur ce dessin: la figure 1 est un schéma électronique de ce circuit, les figures 2 et 3 sont des schémas symboliques destinés à faciliter la compréhension de ce cir- cuit et de son fonctionnement. Le circuit représenté en exemple à la figure 1 est destiné à mesurer les caractéristiques de bruit de fond d'un transistor 1, ramené à l'entrée de celui-ci, c'est-à-dire une part, la densité spectrale de puis- sance du générateur équivalent de bruit en tension ramené à l'entrée, d'autre part, la densité spectrale de puissance du générateur équivalent de bruit en courant ramené à l'entrée, enfin, le facteur de bruit à résistance donné. On a schématisé à la figure 1 un transis- tor NPN mais le circuit est utilisable pour caractériser des transistors PNP à condition de changer la polarité des sources. Ce circuit comprend deux alimentations électriques 2 et 3 adaptées pour autoriser un réglage de la tension Ces alimentations sont du type à faible bruit, par exemple pile cadmium/nickel associée à un potentiomètre dix tours. L'alimentation 2, dite première alimenta- tion, est reliée à une impédance de charge variable 4 consti- tuée par une pluralité de diodes du type "Schottky" (sili- cium,faible bruit) Une dizaine de diodes montées en série peuvent en particulier être prévues; le cas échéant des ca- pacités de faible valeur sont branchées en parallèle en vue d'augmenter la stabilité du circuit. Cette impédance 4 est reliée à une borne , dite première borne, à laquelle est connecté le collecteur du transistor 1. A cette même borne est reliée l'entrée positive d'un amplificateur différentiel 6, de faible bruit ( 4 nanlt/par \f HI), du type opérationnel à impédance d'entrée élevée ( 10 O ohms en parallèle avec 3,5 picofarads) et à im- pédance de sortie faible ( 200 ohms) Cet amplificateur est choisi pour posséder uin produit gain-bande élevé ( 70 méga- hertz). En particulier, on peut choisir un ampli- ficateur du type " 50 K ANALOG-DEVICES". L'entrée négative de l'amplificateur 6 est reliée par l'entremise d'une impédance constituée en l'exemple par une résistance 7, à l'alimentation 3, dite seconde alimentation La résistance 7 présente une valeur fai- ble pour que sa contribution en bruit soit négligeable. Entre la sortie de l'amplificateur 6 et son entrée négative est relié un circuit de contre-réaction constitué par une branche 8 purement résistive montée en pa- rallèle avec une branche 9 à la fois résistive et capacitive. Les valeurs de la résistance 7 et des résistances et capacité des branches 8 et 9 sont adaptées pour conférer à l'étage d'amplification visé,un gain statique très élevé et un gain dynamique faible Par exemple, les valeurs suivantes peuvent être adoptées: résistance 7: de l'ordre de 100 ohms, résistance 8: de l'ordre de 10 kilo- ohms, résistance de la branche 9: environ 1 kiloohms, capacité de la branche 9: 1 à 10 mi- crofarads, Le gain statique d'un tel montage est égal ou supérieur à 100 et le gain dynamique est de l'ordre de 10. De plus, la sortie de l'amplificateur 6 est rebouclée sur une impédance de source 10 reliée à une borne 11, dite seconde borne, o est connectée la base du transistor Ce rebouclage s'effectue par l'entremise d'un pont diviseur 12, en l'exemple purement résistif. L'impédance 10 est reliée à la borne médiane 12 b du pont; la résistance haute de celui-ci peut être de l'ordre de 180 ohms et sa résistance basse de 20 ohms, de façon à donner un rapport de pont r égal à 1/10. L'impédance de source 10 est en l'exemple constituée par trois branches commutables, en parallèles: un court-circuit doté d'un interrupteur 13, une résistance variable 14 en série avec un interrupteur 15, et une impédance non linéaire 16 de même type que l'impédance de charge 4, en série avec un in- terrupteur 17. Par ailleurs, la sortie de l'amplificateur 2 44502 6 attaque des moyens de mesure 18, adaptés pour mesurer la densité spectrale de puissance du signal de sortie issu de l'amplificateur Ces moyens de mesure peuvent être constitués par un analyseur de spectre de type analogi- que ou numérique ou par un voltmètre sélectif, précédé par une chaîne d'amplification de faible bruit. Il est à noter que, de façon tradition- nelle, les alimentations 2 et 3, l'émetteur du transistor let la borne basse du pont 12 sont reliés à une référence-(R) de potentiel de même que conventionnellement les moyens-de mesure. Afin de faciliter la compréhension du fonctionnement du circuit décrit, la figure 2 représente le schéma équivalent en bruit de fond du transistor 1, supposé attaqué par l'impédance 10 (de valeur Rs) Dans ce schéma, le transistor avec son bruit propre est supposé équivalent à un transistor 1 ' sans bruit, associé à un générateur de bruit en tension En et à un générateur de bruit en courant In. Le bruit de fond du transistor est carac- térisé par la densité spectrale de puissance du bruit en tension et la densité spectrale de puissance du bruit en courant 4 1 In j| D'un point de vue pratique, on caractérise plus souvent le bruit de l'étage constitué par le transistor et la résistance de source Rs, par le facteur de bruit F, donné par la formule suivante 4 KT Rs -+ ^^ 1 En + Rs In I 2 > F = 4 K T Rs K étant la constante de Boltzmann et T une température abso- lue de référence égale à 2900 Kelvin. On peut démontrer que le circuit conforme à l'invention est équivalent à un système asservi tel que symbolisé à la figure 3, comprenant: un signal de commande I constitué par la valeur quadratique moyenne du bruit total en tension et un courant du transistor 1 ' et de la résistance Rs, un amplificateur G constitué par l'étage formé par le transistor à mesurer 1, son impédance de charge 4, son impédance de source 10 et l'étage d'amplifica- tion 6, 7, 9, un bloc H représentant le pont divi- seur 12, un sommateur e symbolisant le rebou- clage en contre réaction. Le produit G H étant par construction grand devant l'unité, la valeur quadratique moyenne du bruit en tension à la sortie est égale à la commande divisée par H. Par conséquent, la valeur quadratique moyenne du signal déli- vré vers les moyens de mesure 18 est égale au bruit de fond ramené à l'entrée du transistor et-de l'impédance de source, multiplié par un facteur d'amplification égal au carré de l'inverse du rapport du pont diviseur ( 1)2 = 100. r La mesure du bruit en tension ramené à l'entrée du transistor lorsque l'impédance de source est mise en court-circuit (bran- che 13). La mesure du bruit en courant ramené à l'entrée est obtenu pour Rs très élevée, telle que / En| 2 Rs > V 4 Ini 2 $? Dans ce cas, on utilise de préférence l'impédance 16 (à diodes), laquelle en liaison avec l'impé- dancede charge 4 (également à diodes) confère à l'étage cons- titué par lesdites impédances et le composant, un gain en tension sensiblement constant, indépendant de la polarisation et des caractéristiques du transistor lui-même et ce, sans aucune commutation à réaliser En effet, ces impédances à diodes ont des valeurs variables inversement proportionnelles aux courants qui les traversent. Enfin, le facteur de bruit F à résistan- ce donné Rs est obtenu en prenant pour impédance 10 une ré- sistance égale à Rs; la mesure donne le numérateouf 7 F, le dé- nominateur étant connu. 2 44502 Il est à noter que dans le circuit de l'invention, la tension collecteur du transistor 1 est automa- tiquement réglée suivant le principe des asservissements grâce à une commande fournie par l'alimentation 3 Le courant collec- teur est alors facilement réglé par l'alimentation 2 et l'im- pédance 4 Ce système rend la tension collecteur totalement in- dépendante du courant collecteur. 2 44502 REVENDICATIONS 1/ Circuit de mesure des caractéris- tiques de bruit de fond ramenées à l'entrée, d'un composant électronique, comprenant une alimentation électrique ( 2) de polarisation continue par rapport à une référence de potentiel continue (R), une impédance de charge ( 4) reliée à ladite ali- mentation et à une première borne ( 5) destinée à être connec- tée à la sortie du composant, un amplificateur-( 6) ayant une entrée reliée à la première borne ( 5) précitée et une sortie reliée à des moyens ( 18) de mesure des caractéristiques du signal issu dudit amplificateur, et une impédance de source ( 10) reliée à une seconde borne-M( 1) destinée à être connectée à l'entrée du composant, ledit circuit de mesure étant carac- térisé en ce que la sortie de l'amplificateur ( 6) est rebou- clée sur l'impédance de source ( 10) par l'entremise d'un pont diviseur ( 12) ayant une borne haute ( 12 a) connectée à ladite sortie d'amplificateur, une borne médiane ( 12 b) connectée à l'impédance de source ( 10) et une borne basse ( 12 c) reliée à la référence de potentiel continu (R). 2/ Circuit de mesure selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que son alimentation de polarisation continue ( 2) est une source de tension de valeur réglable, son impédance de charge ( 4) et son impédance de source ( 10) sont des impédances variables. 3/ Circuit de mesure selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que l'impédance de charge ( 4) et l'impédance de source ( 10)-comprennent des impédances non linéaires, adaptées pour conférer à l'étage constitué par les- dites impédances et par le composant, un gain en tension sen- siblement indépendant de la polarisation continue dudit com- posant. 4/ Circuit de mesure selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que l'impédance de source ( 10) comprend une impédance non linéaire ( 16) commutable avec une résistance variable ( 14) et/ou un court-circuit ( 13). / Circuit de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'amplifi- cateur ( 6) est un amplificateur différentiel ayant une seconde 2 _ 44502 entrée reliée à une seconde alimentation continue ( 3). 6/ Circuit de mesure selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que la seconde alimentation con- tinue ( 3) est une source de tension de valeur réglable. 7/ Circuit de mesure selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une impédance ( 7) est interposée entre la seconde entrée de l'amplificateur ( 6) et la seconde alimentation continue ( 3) et en ce qu'un cir- cuit de contre réaction ( 8, 9) est connecté entre ladite se- conde entrée de l'amplificateur et la sortie de celui-ci, ce circuit de contre réaction étant adapté pour conférer à l'é- tage d'amplification formé par l'amplificateur 16), l'impé- dance ( 7) et ledit circuit de contre réaction ( 8, 9) un gain statique très supérieur à son gain dynamique. 8/ Circuit de mesure selon la reven- dication 7, caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction est constitué par une branche résistive ( 8) montée en parailè- le avec une branche ( 9) à la fois résistive et capacitive. 9/ Circuit de mesure selon l'une des revendications 5, 6, 7 Tou 8 dans lequel l'amplificateur ( 6) est du type opérationnel-à impédance d'entrée élevée et impédance de sortie faible. / Circuit de mesure selon l'une des revendications 5, 6, 7, 8 ou 9 dans lequel l'amplificateur ( 6) est du type à produit gain-bande passante élevé. 11/ Circuit de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, 8, 9 ou 10, dans lequel les moyens de mesure ( 18) sont adaptés pour mesurer la densité spectrale de puissance ou la puissance du signal de sortie issu de l'amplificateur ( 6). 12/ Circuit selon l'une des reven- dications 1 à 11 pour la mesure des caractéristiques de bruit de fond d'un transistor bipolaire ( 1) ayant un collecteur ap- pelé à être connecté à la première borne ( 5) du circuit et une base et un émetteur appelés à être connectés à la seconde borne ( 11) et au potentiel de référence (R) dudit circuit. 13/ Circuit de mesure selon la re- vendication 12 dans lequel les impédances de charge ( 4) et de source ( 10) comprennent des diodes, en particulier du type "Schottky".