Brevet FR2553545A1 — publié le 19850419

-Il INTEGRATEUR EXPONENTIEL A CONSTANTE DE TEMPS ELEVEE, REALISE AVEC DES CAPACITES COMMUTEES. La présente invention concerne les circuits intégrés à capacités commutées qui, parmi beaucoup d'applications possibles, permettent notamment de réaliser des fonctions de filtrage. Dans certains cas, on peut avoir besoin d'obtenir une 5 constante de temps élevée en réponse à un échelon de tension continue, ce que l'on réaliserait tout simplement dans un circuit non échantillonné, par une association d'une résistance R en série avec une capacité C, et qu'on pourrait réaliser, en circuits à capacités commutées, par une capacité commutée (remplaçant la 10 résistance) en série avec une capacité non commutée On obtient ainsi une courbe d'intégration exponentielle dont la constante de temps est le produit RC de la résistance par la capacité, égal à C/Cefe si Ce est la capacité commutée, échantillonnée à une fréquence fe, remplaçant la résistance R. Lorsqu'on veut une constante de temps élevée, on est donc limité par les valeurs possibles en circuit intégré des paramètres C, Ce et fe; concrètement, on ne peut guère descendre la fréquence d'échantillonnage au dessous de 1 kilohertz, et la capacité Ce au dessous de 0,1 picofarad; d'un autre côté, la 20 capacité C ne pourra pas monter au dessus de 50 picofarads qui correspondent déjf à l'utilisation d'une surface importante de circuit intégré Ces valeurs conduisent à une constante de temps de 0,5 seconde Si on veut une valeur supérieure, on est obligé de recourir à une capacité C extérieure au circuit intégré, ce qu'on 25 ne souhaite pas (bien que le probleme puisse être alors totalement résolu) pour ne pas être obligé de prévoir une borne d'accès extérieur supplémentaire dans le circuit intégré. La présente invention propose donc un circuit intégré permettant, sans nécessiter une augmentation de valeur de la 30 capacité non commutée, de multiplier par un facteur important la constante de temps susceptible d'être obtenue avec cette capacité. Ce circuit d'intégration exponentielle à capacités commutées comporte trois ensembles à capacités commutées reliés d'un côté à un point commun, le premier ensemble étant relié par ailleurs à une entrée du circuit, le second à la sortie d'un amplificateur opérationnel monté en suiveur de tension à gain uni5 taire, et le troisième étant relié à une sortie du circuit et à une entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel, une capacité non commutée étant connectée entre la sortie du circuit et une masse électrique Ce circuit réalise bien une intégration exponentielle, 10 avec une constante de temps relativement importante lorsque la valeur de la capacité commutée du troisième ensemble est beaucoup plus petite que celle du second. Parmi les applications possibles de l'invention, on peut citer notamment la réalisation de bascules monostables pour 15 effectuer des temporisations de durées importantes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 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 mode de réalisation de 20 l'invention; la figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Le circuit de base selon l'invention, représenté à la figure 1 comprend: une borne d'entrée E et une borne de masse M, le signal d'entrée (tension Ve) tant applique entre ces deux bornes; une borne de sortie S, le signal de sortie (tension Vs) étant prélevé entre cette borne et la masse; un amplificateur opérationnel AO monté en suiveur de 30 tension, sa sortie reliée directement à son entrée inverseuse; son entrée non-inverseuse est reliée à la borne de sortie S; un premier ensemble 10 à capacité commutée constitué par une capacité Ce et quatre interrupteurs actionnés deux à deux selon deux phases de fermeture disjointes a et b à chaque période 35 d'échantillonnage du circuit; la phase de fermeture a ou b de chaque interrupteur du circuit est indiquée à côté de cet 25535 4 interrupteur; l'ensemble 10 est connecté entre l'entrée E et un point commun P du circuit; l'ensemble 10 correspond en fait à la simulation par capacité commutée d'une résistance de valeur l/F Ce, o F est la fréquence d'échantillonnage; un deuxième ensemble 20 à capacité commutée, constitué par une capacité Cs et quatre interrupteurs dont deux sont fermés pendant la phase a et deux pendant la phase b; l'ensemble 20 a une constitution identique à celle de l'ensemble 10 mais est connecté entre la sortie de l'amplificateur AO et le point commun 10 P; il correspond à la s Aimulation d'une résistance de valeur 1/F Cs un troisième ensemble 30 à capacité commutée, constitué par une capacité Cp et quatre interrupteurs dont deux sont fermés pendant la phase a et deux pendant la phase b; l'ensemble 30 a une constitution identique aux ensembles 10 et 20 15 mais est connecté entre la sortie S du circuit et le point commun P; il correspond à la simulation d'une résistance l/F Cp. On peut décrire plus précisément les interrupteurs des ensembles 10, 20 et 30 en spécifiant que, pour l'ensemble 10, une borne de la capacité Ce est reliée par un interrupteur Ill à 20 l'entrée E et par un interrupteur I 12 à la masse; l'autre borne de la capacité est reliée par un interrupteur I 13 au point commun P et par un interrupteur I 14 à la masse; les interrupteurs Ill et I 14 sont fermés pendant la phase a; les deux autres pendant la phase b. Pour l'ensemble 20, les interrupteurs correspondant aux interrupteurs 111, I 1 2, I 13, I 14, sont désignés par I 21, I 22, I 23, I 24, et, pour l'ensemble 30, ils sont désignés par I 31, I 32, I 33, I 34 respectivement. Le fonctionnement du circuit est le suivant: au départ, 30 on peut supposer que toutes les capacités sont déchargées, que Ve = O et Vs = O. On applique un échelon de tension continue Ve à un instant t = 0, et on va voir comment la tension de sortie Vs subit une montée exponentielle. A la première période d'échantillonnage, durant la phase a, la capacité Ce prend une charge Ce Ve; les autres restent déchargees car elles voient Vs = O à leurs bornes A la phase b, la charge de Ce se répartit, proportionnellement à leurs valeurs respectives, entre les capacités Ce, Cp et Cs qui sont en effet alors toutes connectées en parallèle entre le point commun P 5 (isole) et la masse Notamment, la capacité Cp prend une charge Cp Ce Ve/Ce+Cs+Cp. A la phase a de la période suivante, la capacité Cp vient en parallèle sur la capacité non commutée C et la charge de la capacité Cp se répartit, proportionnellement à leurs valeurs 10 respectives entre Cp et C La capacité non commutée C prend donc une charge (Cp Ce Ve/Ce+Cs+Cp)(C/C+Cp). Il apparaît donc alors entre la borne de sortie S et la masse, durant cette deuxième phase a, une tension de sortie Vs = Cp Ce Ve/(Ce+Cs+Cp)(C+Cp). Cette tension apparaît également en sortie de l'amplificateur opérationnel AO qui est monté en suiveur a gain unitaire, de sorte que la capacité Cs prend alors une charge Cs Vs. Les charges prises par les capacités commutées sont alors Ce Ve, Cs Vs et Cp Vs respectivement et, durant la phase b suivante, comme 20 ces capacités se retrouvent en parallèle, la somme des charges se répartit à nouveau entre Ce, Cs et Cp proportionnellement à leur valeur; enfin, durant la phase a de la troisième période d'échantillonnage, la capacité Cp transfèere une partie de sa nouvelle charge a la capacité non commutée C, augmentant la ten25 sion de sortie Vs qui se met i croître, de periode en periode en suivant, comme on va le montrer, une courbe de montée exponentielle dont la constante de temps est T(C+Cp)(Ce+Cs+Cp)/Ce Cp oh T est la période d'échantillonnage. Pour mettre en évidence cette période, on peut examiner 30 ce qui se passe entre la nieme période d'échantillonnage et la période suivante. On appelle Vs(n), la tension de sortie à la fin de la nième période et Vs(n+l) la tension à la fin de la période suivante. A la phase a de la nieme période, on a une charge Ce Ve sur Ce, Cs Vs(n) sur Cs, Cp Vs(n) sur Cp et C Vs(n) sur C. A la phase b, une charge Ce Ve + Cs Vs(n) + Cp Vs(n) se répartit entre Ce, Cs et Cp selon leurs valeurs respectives. Cp prend donc une charge: lCe Ve + Cs Vs(n) + Cp Vs(n)l Cp/(Ce+Cs+Cp) A la phase a de la période suivante, Cp vient en paralle avec C; la somme de leurs charges respectives est: C Vs(n) + lCe Ve + Cs Vs(n) + Cp Vs(n)l Cp/(Ce+Cs+Cp). Cette somme se répartit entre C et Cp en proportion de leurs valeurs et établit sur la sortie S un nouveau potentiel Vs(n+l) 10 tel que la nouvelle charge C Vs(n+l) de la capacité C soit une proportion C/C+Cp de la somme ci-dessus: C Vs(n+l) C l C Vs(n) + lCe Ve+Cs Vs(n) + Cp Vs(n)l Cp/(Ce+Cs+Cp)l C+Cp Vs(n+l) C Vs(n) + (Cs+Cp) Cp Vs(n) + Ce Cp Ve C + Cp (C+Cp) (Ce+Cs+Cp) (Ce+Cs+Cp)(C+Cp) Vs(n+l) C+Cp-Cp Vs(n) + (Cs+Cp+Ce)CpCe Cp Vs(n) + Ce Cp Ve C+Cp (C+Cp) (Ce+Cs+Cp) (Ce+Cs+Cp)(C+Cp) Vs(n+l) = Vs(n) Ce Cp Vs(n) + Ce Cp Ve (C+Cp)(Ce+Cs+Cp) (Ce+Cs+Cp)(C+Cp) Vs(n+l) Vs(n) = Ce Cp (Vs(n)-Ve) (C+Cp)(Ce+Cs+Cp) Comme la période d'échantillonnage T = 1/F du circuit est très brève devant les temps d'intégration considérés, on peut considérer la variation de tension Vs(n+ l) Vs(n) durant 30 l'intervalle T comme une variation différentielle d Vs pendant un intervalle de temps dt, et écrire l'équation différentielle suivante: d Vs/dt = K lVs(t) Vel C e C p _ __ __ avec K = Ce Cp (C+Cp) (Ce+Cs+Cp) T équation dont la solution est: Vs = Ve ( 1 e-Kt) qui montre bien que lorsqu'on applique un échelon de tension Ve à l'entrée, la tension de sortie Vs tend exponentiellement (en fait en marches d'escalier puisque le système est échantillonné) vers la valeur Ve, avec une constante de temps égale à 1/K donc à: (C+Cp) (Ce+Cs+Cp) T Ce Cp Il faut noter que si l'intégration exponentielle était réalisée simplement par une capacité non commutée C et une capacité commutée Ce (équivalente à une résistance de valeur T/Ce), la constante de temps d'intégration serait TC/Ce. Ici, en supposant que Cp est petit devant C, la constante de temps obtenue est pratiquement multipliée par un facteur (Ce+ Cs+Cp)/Cp. Dans le cas o on cherche à obtenir une grande constante de temps, on choisira une valeur de Ce faible et une valeur de C 20 élevée (comme on l'aurait fait de toutes façons avec un circuit RC simple), et on agira sur le facteur multiplicatif (Ce+Cs+Cp)/Cp en choisissant une valeur de capacité Cs relativement importante et une valeur de capacité Cp relativement faible. A titre d'exemple, en supposant qu'on ne veuille pas de 25 capacité plus petite que 0,5 picofarad, ni de capacité plus grande que 50 picofarads, on pourra, avec Ce et Cp égales à 0,5 pf et Cs égale 50 pf, obtenir une constante de temps 100 fois plus grande qu'avec un circuit ne comportant que les capacités Ce et C. Un exemple numérique peut être donné: avec une 30 fréquence d'échantillonnage de l kilohertz, des capacités Ce et Cp de 0,5 picofarad et des capacités C et Cs de 25 picofarads, la constante de temps obtenue est de 2,6 secondes. Une variante de réalisation représentée à la figure 2 est obtenue à partir de la constatation qu'il y a une certaine 35 redondance des interrupteurs I 13, 114, I 23, I 24, I 33, I 34: dans la phase b, les capacités sont toutes reliées d'un côté au point commun P tandis que dans la phase a elles sont toutes reliées de ce côté à la masse Les trois armatures des capacités du côté du point commun P sont donc toujours reliées les unes aux autres et il suffit de prévoir une connexion permanente entre ces armatures 5 et le point P, avec un interrupteur I 44 qui relie ce point P à la masse durant la phase a. Les ensembles 10, 20, 30 à capacités commutées sont donc simplifiés puisqu'ils ne comportent chacun plus que deux interrupteurs, mais le circuit est plus sensible à l'influence des 10 capacités parasites des interrupteurs 112, 122, I 32. On peut envisager de prévoir que la constante de temps de décharge de la capacité C soit réduite par rapport à la constante de temps de montée, en utilisant par exemple un interrupteur (non représenté) pour connecter le point commun P à 15 la masse, pendant toute la durée de retour à zéro de la tension Vs; la constante de temps de descente est alors TC/Cp Cet interrupteur est fermé indépendamment des phases d'échantillonnage, contrairement à l'interrupteur I 44 de la figure 2 qui est fermé pendant les phases a seulement. Enfin, on peut prévoir une possibilité de programmation de la constante de temps en prévoyant non pas une capacité Cp et une capacité Cs, mais plusieurs champs de capacités Cp et/ou Cs permettant de choisir de connecter dans le circuit des valeurs de capacités désirées en fonction des besoins. REVENDICATIONS 1 Circuit d'intégration exponentielle à capacités commutées, caractérisé en ce qu'il comporte trois ensembles à capacité commutée reliés d'un côté à un point commun (P), le premier ensemble ( 10) étant relié par ailleurs à une entrée (E) du 5 circuit, le second ( 20) à la sortie d'un amplificateur opérationnel (AO) monté en suiveur de tension à gain unitaire, et le troisième ( 30) étant relié à une sortie (S) du circuit et à une entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel, une capacité non commutée (C) étant connectée entre la sortie (S) du 10 circuit et une masse électrique. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de la capacité (Cp) du troisième ensemble est beaucoup plus petite que celle du second (Cs). 3 Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, 15 caractérisé en ce que chaque capacité commutée (Ce,Cs,Cp) est reliée à des interrupteurs actionnés selon deux phases distinctes disjointes (a et b) de manière que dans une premiere phase (a), les capacités soient reliées, du côté du point commun (P), à la masse (M), et, de l'autre c 8 té, respectivement à l'entrée (E), à 20 la sortie de l'amplificateur (A 0), et à la sortie (S) du circuit, et que, dans une deuxième phase (b), les capacites commutees (Ce,Cs,Cp) soient reliées d'un cote au point commun (P) isolé alors de tout autre élément de circuit, et de l'autre côté à la masse (M). 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque capacité commutée est reliée, du côté du point commun, à un premier interrupteur respectif (I 14, I 24, I 34) capable de la relier dans une première phase à la masse, ainsi qu'à un second interrupteur respectif (I 13, I 23, I 33) capable de la relier dans 30 une autre phase (b) au point commun. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque capacité commutée est directement connectée au point commun, et qu'un interrupteur unique (I 44) pour les trois capacités est prévu pour relier, dans la premiere phase, le point commun à la masse. 6 Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, 5 caractérisé en ce qu'il est prévu un interrupteur supplémentaire susceptible d'être fermé ou ouvert indépendamment des deux phases de commutation des capacités commutées pour relier le point commun à la masse et permettre le retour de la tension de sortie à zéro avec une constante de temps plus rapide que la constante de temps 10 normale de montée de cette tension de sortie.