Brevet FR2571189A1 — publié le 19860404

Amplificateur linéaire à faible bruit et à large bande passante La présente invention a pour objet un amplificateur linéaire à faible bruit et à large bande passante. Celle-ci peut s'étendre du continu à plus de 200 MHz. L'invention s'applique notamment en spectrophotométrie pour l'amplification des signaux détectés par des photod-iodes infrarouges de type Si ou Ge et s'applique également particuliérement à la commande de déflexion verticale dans un tube cathodique à plaques distribuées (oscilloscope,...). Un premier type d'amplificateur linéaire connu sous le nom de multiplicateur de Gi lbert est décrit dans IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. Sc 3 n04, dec. 1968, pp 353-365. On a représenté schématiquement sur la figure 1 un amplificateur conforme à cet art connu. Cet amplificateur comprend un premier groupe de deux transistors 2, 4 en cascade, le collecteur du transistor 2 étant relié à La base du transistor 4. La base et le collecteur du transistor 2 s-ont en outre reliés (le transistor 2 fonctionne en diode) et son émetteur est mis à La masse. Le transistor 4 reçoit une tension de polarisation Vcc sur son collecteur à travers une résistance R et une tension de polarisation V sur son émetteur relié à un générateur de cou ee rant 6. Un deuxième groupe de transistors 8, 10 est disposé en parallèle avec le premier groupe. Cet amplificateur constitue un amplificateur linéaire de courant dont Les entrées E1 et E2 sont les bases des transi s tors 2 et 8 et les sorties S1 et S2 Les collecteurs des transistors 4 et 10. Cet amplificateur a une bande passante très large mais présente des inductances parasites qui ne peuvent être limitées que par une réalisation à haut degré de miniaturisation, donc délicate et coûteuse. On connait également un autre type d'ampli fi- cateur linéaire qui comporte une chaîne de contre-réaction. Un premier exemple de réalisation dtun tel amplificateur dont la chaîne de contre-réaction comporte un transformateur est représenté sur la figure 2. Cet amplificateur comprend un transistor 12 à base commune et un transformateur 14. Le circuit primaire de celui-ci est disposé entre l'entrée E de l'amplificateur et l'émetteur du transistor et son circuit secondaire entre une source de tension de polarisation V et Le collecteur du transistor. La sortie S de cc L'amplificateur est prise sur le point milieu du circuit secondaire. L'utilisation d'un transformateur a pour avantage de ne pas dégrader le facteur de bruit du transistor. Cependant, bien que des bandes passantes supérieures à 1 GHz puissent être obtenues avec un tel amplificateur, celui-ci est peu adapté au couplage continu. Ceci crée, notamment en application spectrophotométrique, une distorsion de la ligne de base du signal qui est particulièrement gênante. On connaît par ailleurs des amplificateurs linéaires à contre-réaction dans lesquels la channe de contre-réaction est de nature résistive. De tels amplificateurs sont décrits dans l'ouvrage "Nanosecond Pulse Technique", pp 167-177, W. MEILING et F. STARY, Gordon Breach Editors. A partir de cet art antérieur connu en matière d'amplificateurs 5 contre-réaction résistive, il est possible d'imaginer Le montage de la figure 3. Cet amplificateur comprend un premier transistor 16 de type PNP et un second transistor 18 de type NPN monts en cascade. Une résistance 20 et un condensateur 22 sont disposés en série entre le collecteur du transistor 18 et l'émetteur du transistor 16. Un tel montage ne permet pas un couplage continu à cause du condensateur 22 figurant dans la chaîne de contre-réaction. De plus, cet amplificateur n'est pas compensé en température. Cet inconvénient peut cependant être réduit mais il reste un problème au niveau du réglage de zéro (en anglais "offset") qui n'est alors plus compensable. Ceci interdit L' l'utilisation d'un tel amplificateur pour les signaux ayant une composante continue non nulle comme par exemple Les signaux produits par des photodétecteurs au Germanium. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients des amplificateurs linéaires selon l'art connu. Ce but est atteint par un amplificateur de structure nouvelle. Cet amplificateur comprend un premier et un deuxième transistors en cascade, un troisiè- me transistor formant avec le premier transistor une paire à transconductance, et une chaîne de contre-réaction formée d'un pont diviseur résistif. Cette structure nouvelle pour un amplificateur linéaire à couplage continu est rendue possible par l'apparition de nouveaux transistors ayant un faible déphasage interne aux hautes fréquences et une bonne linéarité sur une bande passante très large. Dans cet amplificateur, la chaine de contreréaction est à déphasage aussi réduit que le permet l'état de la technique. De même, les résistances du pont diviseur sont aussi purement résistives que possible, c'est-à-dire que leur inductance parasite série et leur capacité parasite parallèle sont aussi réduites que le permet l'état de la-technologie, et notamment de celle des résistances à f i lm mince. De manière précise, l'invention a pour objet un amplificateur linéaire à couplage continu, à faible bruit et à large bande passante comprenant un premier transistor, un deuxième transistor et un troisième transistor, la base du premier transistor constituant l'entrée de l'amplificateur et le collecteur du deuxième transistor sa sortie, la base du deuxième transistor étant reliée au collecteur du premier transistor et t'émetteur du troisième transistor étant relié à l'émetteur du premier transistor, les collecteurs et émetteurs desdits trois transistors étant polarisés, ledit amplificateur comprenant en outre une channe de contre-réaction résistive disposée entre le collecteur du deuxième transistor et la base du troisième transi s tor, ladite chaîne de contre-réaction comprenant un ensemble de résistances formant.un pont diviseur. Par couplage continu, on entend que la bande passante comprend Les signaux continus. Selon un mode de réalisation préféré, le premier transistor est de type PNP et le deuxième transistor de type NPN. Ce choix permet d'avoir un temps de montée très faible, de l'ordre de 1,5 ns. Selon un autre mode de réalisation préféré, le troisième transistor est identique au premier, afin d'assurer au mieux la compensation de la tension de décalage (ou d'offset) et la compensation en température. Cette compensation peut être pratiquement parfaite si ces transistors existent sous forme de paire sur un même circuit intégré. Selon une caractéristique importante de l'invention, un moyen de réglage du zéro est prévu. Ce moyen agit sur Le courant de polarisation de base du troisième transistor et est réglé de sorte que la tensi on de sortie de l'amplificateur soit nulle en absence de signal en entrée de L'amplificateur. Selon une caractéristique de l'invention, on réalise un amplificateur à deux étages en mettant en série deux amplificateurs comprenant chacun un premier transistor, un deuxième transistor, un troisième transistor et un pont diviseur résistif agencé comme indiqué ci-dessus. Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise un amplificateur à deux étages et on relie les émetteurs des deuxièmes transistors de chaque étage ainsi quelea base du troisième transistor du premier étage à la base du premier transistor du deuxième étage. On dispose également une ligne à retard sur la sortie du premier étage pour que le temps de transit d'un signal soit égal dans les deux étages. L'amplificateur obtenu est à sorties symétriques et peut notamment être utilisé pour commander la déflexion verticale d'un faisceau, en oscilloscopie ou autre. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 à 3, déjà décrites, illustrent des amplificateurs linéaires selon L'art connu, - la figure 4 représente la structure de base de l'amplificateur linéaire de l'invention, - La figure 5 représente un mode de réalisation d'un amplificateur linéaire à deux étapes conforme à l'invention, et - La figure 6 représente un mode de réalisation d'un amplificateur linéaire à sorties symétriques conforme à l'invention. La structure de base de l'amplificateur li néaire de l'invention est représentée sur la figure 4. Cet amplificateur comprend principalement un premier transistor 24, ou transistor d'entrée, un deuxième transistor 26, ou transistor de sortie, un troisième transistor 28 et un pont diviseur 30. La base du premier transistor 24 est reliée à l'entrée E de l'amplificateur et son collecteur est relié à la base du second transistor. Le collecteur de ce dernier est reliée à la sortie S de l'amplificateur. Les premier et deuxième transistors sont donc en cascade et délivrent sur la sortie S un signal amplifié du signal reçu sur l'entrée E. Le troisiéme transistor 28 et le pont diviseur 30 constituent la chaîne de contre-réaction qui linéarise le gain de l'amplificateur. Le pont diviseur 30 comprend une résistance 32 entre le collecteur du deuxième transistor 26 et un noeud N et une résistance 34 entre le noeud N et la masse. Le troisième transi s tor 28 est relié par sa base au noeud N et par son émetteur à L'émetteur du premier transistor 24. De plus, le montage comprend classiquement un certain nombre de résistances de polarisation et de condensateurs de découplage : une résistance 36 entre la base du premier transistor 24 et la masse, une résistance 38 entre les émetteurs des premier et troisie- me transistors 24, 28 et une source de tension +V, une résistance 40 entre le collecteur du deuxième transistor 26 et la source de tension +V, une résistance 42 entre le collecteur du premier transistor et une source de tension -V, une résistance 44 entre le collecteur du troisième transistor 28 et la source de tension -V, une diode Zener 46 entre l'émetteur du deuxième transistor 26 et la source de tension -V et des condensateurs 48, 50 respectivement entre le collecteur du troisième transistor 28 et la masse et entre l'émetteur du deuxième transistor 26 et la masse. Dans le mode de réalisation de la figure 4, Le transistor d'entrée est de type PNP et, concomitamment, Le transistor de sortie est de type NPN. Ceci permet d'avoir un temps de montée tres faible pour les signaux à pente négative, de l'ordre de 1,5 ns. Il est bien entendu toutefois que l'invention englobe aussi les amplificateurs selon la structure de l'invention et dont le transistor d'entrée est de type NPN. Le premier mode de réalisation est cependant préférable dans de nombreuses applications car il est difficile de trouver des transistors de sortie de type PNP à haute fréquence de transition pour signaux forts qui sont nécessaires lorsque le transistor d'entrée est de type NPN. La chaîne de contre-réaction fonctionne de la manière suivante. Une fraction de la tension de sortie est prélevée par le pont diviseur 30 sur l'émetteur du premier tran-sistor 24 à travers le troisième transistor 28 connecté en émetteur-suiveur. Le montage en parallèle des premier et troi sième transistors 24, 28 offre l'avantage de compenser la tension de décalage de zéro ("offset") de la jonction base-émetteur du premier transistor 24, pour autant que les caractéristiques thermiques de ces deux transistors soient proches. Ainsi, il est préférable d'utiliser deux transistors identiques. Pour assurer une compensation optimale, on aura soin de choisir des transistors appariés, c'est-à-dire réalisés sur un même substrat et formant un seul circuit intégré. Le circuit MD 4957 produit par Motorola et comprenant deux transistors PNP appariés de référence 2N 4957 est particu lièrement adapté à cet usage. On note sur la figure 4 que la tension du collecteur du premier transistor 24 est fixée par la jonction base-émetteur du deuxième transistpr 26. Ainsi, l'effet de Mille, qui consiste en une augmentation de la capacité base-émetteur, avec le gain en tension, est inexistant sur le deuxième transistor 26. Il s'ensuit qu'it n'y a pas de Limitation sur le gain en tension du premier transistor 24. En ce qui concerne te deuxième transistor 26, qui procure la plus grande partie du gain en tension, il convient d'utiliser un transistor ayant un produit gain-bande passante eleve. A titre d'exemple, on peut employer le transistor Non de référence BFR 91. Le tableau I indique, à titre purement illustratif, quelques transistors qui peuvent être employés avantageusement dans l'amplificateur de l'invention. TABLEAU I Type Référence Fréquence courant de bruit de tran- collecteur sition maximal PNP 2N4957 1,2 GHz 20 mA 3 dB à 600MHz PNP BFR 99 1,4 GHz 30 mA 2,4dB à 500MHz PNP BFQ 23 5 GHz 35 mA 2,4dB 8 500MHz PNP BFQ 32 3,6 6Hz 75 mA 3,8dB à 500MHz NPN BFY 90 1,3 6Hz 25 mA 4 dB à 500MHz NPN BFR 91 5 6Nz 35 mA 1,9dB à 500MHz NPN BFR 94 3,5 6Hz 150 mA 8 dB à 200MHz NPN BFR 96 4,5 6Hz 70 oeA 3,3dB à 500MHz NPN LT1001 3 GHz 200 oeA 2,5dB à 200MHz NPN BFW 16 1,2 6Hz 300 mA 46 dB à 200MHz NPN BFR 65 1,2 6Hz 400 mA 8 dB à 200MHz NPN BFT 51 3 GHz 180 mA 9 dB à 800MHz La réalisation de L'amplificateur de la figure 4 nécessite quelques précautions, qui sont connues de l'homme de l'art, si on désire que l'amplificateur ait une bonne stabilité. Il faut notamment limiter au mieux les capacités parallèles sur l'entrée de l'amplificateur et les inductances parasites entre la terre et les émetteurs des premier et troisième transistors. Pour les capacités parallèles, on admet par exemple une valeur limite de 5 pF au-delå de laquelle on ajoute des éléments résistifs en entrée de l'amplificateur pour éviter les oscillations dans le domaine des ondes UHF. Pour les inductances parasites, on les supprime en évitant les connexions des transistors sur le circuit imprimé mais en utilisant au contraire des supports en verre ou en téflon. On emploie d'autre part pour la résistance 38 une résistance à film métallique. Le demandeur a realisé un amplificateur conforme à la figure 4 comprenant un circuit MD 4957 pour les premier et troisieme transistors et un transistor BFR 91 pour le deuxième transistor. Cet amplificateur a un gain en tension de 20 dB, une bande passante du continu à 220 Hz et un temps de montée inferieur à 1,5 ns. Un amplificateur linéaire plus puissant est obtenu simplement en mettant en série plusieurs étages amplificateurs comme celui de la figure 4. On a repré senté un tel amplificateur linéaire à deux étages sur La figure 5. Les deux étages de l'amplificateur linéaire de cette figure sont reliés en série. Ces etages portent les références 100 et 200. Chaque étage a une structure identique à celle de l'amplificateur linéaire de la figure 4. Dans le premier et le second étages respectivement les éléments identiques à ceux de la figure 4 portent les mêmes références augmentées respectivement de 100 et 200. Quelques autres éléments ont été ajoutés. Ces éléments sont classiques et n'appellent pas de commentaire particulier. On a notamment ajouté deux groupes 102 et 104 de diodes de protection en entrée du premier étage 100 pour limiter la tension positive ou négative du signal entrée. Par ailleurs, on a ajouté des condensateurs de découplage 106, 108, 110 et 112 dans le premier étage 100 et symétriquement des condensateurs de découplage 206, 208, 210 et 212 dans le second étage 200. Enfin, des inductances 114 et 116 pour le premier étage 100 et 214 et 216 pour le second étage 200 appor tent une isolation respectivement entre le premier et le second etages et entre le second étage et les sources de tension de polarisation +V et -V. Ces inductances constituent également un antiparasitage des lignes d'alimentation. La presence du transistor 247 et de la résistance 245 dans le second étage 200 n'a d'autre origine qu'une contrainte pratique de réalisation. La diode Zener 246 utilisée dans un amplificateur realisé par le demandeur et conforme à ta figure 5 est une diode de 400 mW, ce qui est insuffisant. On a donc ajouté le transistor 247 monté en amplificateur de courant à contre-réaction de tension (base reliée au collecteur à travers la diode Zener 246) pour simuler la diode 6V, 2W nécessaire au fonctionnement correct de l'ampLifica- teur. Selon une caractéristique de l'invention, L'amplificateur comprend un moyen de réglage du zéro ("offset"). Ce moyen n'est pas prévu dans les amplificateurs linéaires à couplage continu connus car il est en général incompatible avec la compensation de temperature. La possibilité de régler le zéro et de compenser la température est donc un avantage de l'amplificateur de l'invention. Le moyen de réglage du zéro comprend essentiellement un rhéostat 52 dont les extrémités sont reliées aux lignes d'alimentation apportant les ten'sions +V et -V et dont le point milieu est relié à la base du transistor 128 de la channe de contre-réaction du premier étage. Cette liaison se fait par l'intermédiaire d'une résistance 54 en série et d'un condensateur de filtrage 56 en parallèle. Ce moyen de réglage permet d'agir sur le courant de base du troisieme transistor 128. Du point de vue de la réalisation, de menues différences peu-vent apparaître entre les deux etages car les contraintes ne sont pas identiques. Ainsi, s'il est très important que les transistors 124 et 128 du premier étage aient des caractéristiques thermiques les plus proches possible pour assurer une bonne compensation en température, ce critère est moins important pour le second étage. Cet allégement de contrainte sur les transistors 124 et 128 est mis à profit pour augmenter le produit gain-bande passante par l'utilisation de deux transistors à fréquence de transition élevée tel que BFQ 32 (voir tableau I). Par ailleurs, dans le second étage, il importe que la fréquence de transition du transistor de sortie 226 reste importante pour une valeur de courant de coîl-ecteur au moins égale à 180 mA. Des transistors tels que BFT 51, BFR 94 ou LT1001 conviennent parfaitement (voir tableau I). Dans certains cas particuliers, on peut avoir recours à des transistors moins performants. Si, par exemple, L'amplificateur est sus- ceptible d'être mis en présence d'interférences radiofréquences, on emploie, par exemple, un transistor tel que 2N 3866, mais le temps de montée tombe alors à 4 ns. Le demandeur a réalisé un amplificateur linéaire à deux étages comme il vient d'être décrit. Ses caractéristiques sont les suivantes - bande passante du continu à 220 MHz, - gain en tension de 40 dB (20 dB par étage), - dynamique supérieure à 66 dB, - tension de sortie 8V crête à crête sous 50 ohms, - temps de montée inférieur à 1,5 ns, - bruit de 5,5 dB. D'autres combinaisons d'étages amplificateurs élémentaires tels que celui de la figure 4 permettent d'obtenir d'autres amplificateurs linéaires. La figure 6 illustre un amplificateur linéaire à deux sorties symétriques, élaboré à partir de deux étages amplificateurs élémentaires. Ces étages portent les références générales 300 et 400. Dans ces étages, les éléments identiques à ceux des étages 100 et 200 de la figure 5 portent les mêmes références, au chiffre des centaines près. Les éléments dont la référence a 5 pour chiffre des centaines sont des éléments communs aux deux étages. Ils assurent la polarisation de l'émetteur du transistor de sortie 326, 426 de chaque étage. Ces éléments sont identiques aux éléments du deuxième étage 200 de l'amplificateur de la figure 5 portant les mêmes références, au chiffre des centaines près. Les deux étages sont reliés de la manière suivante. La base du premier transistor 324 du premier étage 300 est reliée à L'entrée E de l'amplificateur. La base du premier transistor 424 du second étage 400 est reliée à la base du troisième transistor 328 du premier étage 300. Les deuxièmes transistors 326, 426 de chaque étage sont reliés par leurs émetteur-s ; ils sont en parallèle. Les collecteurs de ces transistors constituent les deux sorties de l'amplificateur. Ces sorties ne sont pas symétriques. En effet, le signal délivré par le second étage 400 est en retard car le signal d'entrée de l'amplificateur doit traverser les transistors 324 et 328 avant d'arriver sur le second étage. Ce retard est compensé par une ligne à retard 600, par exemple une ligne coaxiale, disposée en sortie du premier étage 300. La longueur de la ligne est choisie de sorte que les signaux délivrés par chaque étage soient en phase. Les sorties symétriques sont référencées S1 et S2 sur la figure. Une application typique de l'amplificateur de la figure 6 est la commande de déflexion verticale d'un oscilloscope dont le tube est à plaques distri buees. La référence 602 indique les plaques distribuées et les références 604 et 606 des inductances transmettant les signaux de commande aux plaques. On a décrit l'amplificateur de l'invention en référence à des modes particuliers de réalisation mettant en oeuvre un ou deux étages amplificateurs. Il est bien entendu que l'invention couvre les amplificateurs comprenant un nombre quelconque d'étages reliés entre eux selon toute manière connue. REVENDICATIONS 1. Amplificateur linéaire à couplage continu, à faible bruit et à large bande passante caracterisé en ce qu'il comprend un premier transistor (24), un deuxième transistor (26) et un troisième transistor (28), La base du premier transistor constituant l'entrée (E) de l'amplificateur et le collecteur du deuxième transistor sa sortie (S), la base du deuxième transistor étant reliée au collecteur du premier transistor et l'émetteur du troisième transistor étant relié à l'émetteur du premier transistor, les collecteurs et émetteurs desdits trois transistors étant polarisés, ledit amplificateur comprenant en outre une chaîne de contre-réaction résistive disposée entre le collecteur du deuxième transistor et la base du troisième transistor, ladite chaîne de contre-réaction comprenant un ensemble de résistances formant un pont diviseur (30). 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier transistor (24) est de type PNP et le deuxième transistor (26) de type NPN. 3. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le troisième transistor (28) est identique au premier transistor (24). 4. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (52) de réglage du zéro agissant sur Le courant de polarisation de base du troisième transistor (128). 5. Amplificateur à plusieurs étages, carac térisé en ce que lesdits étages sont en série et en ce que chaque étage (100, 200) comprend un premier transistor, un deuxième transistor, un troisième transistor et un pont diviseur de type résistif, lesdits moyens de chaque étage étant agencés conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Amplificateur à sorties symétriques, caractérisé en ce qu'il comprend un pre-mier et un second étages (300, 400), chacun constitué d'un premier transistor, d'un deuxième transistor, d'un troisième transistor et d'un pont diviseur de type résistif, lesdits moyens de chaque étage étant agencés conformément 1 l'une quelconque des revendications 1 à 4, en ce que les émetteurs des deuxièmes transistors (326, 426) de chaque étage sont reliés entre eux, en ce que La base du troisième transistor du premier étage et la base du premier transistor du deuxième étage sont reliés entre eux, et en ce qu'une ligne à retard (600) est disposée en sortie du premier étage (300) pour que les signaux délivrés par chaque étage soient en phase.