Brevet FR2577082A1 — publié le 19860808

-1- AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL DE COURANT La présente invention concerne les amplificateurs différentiels de courant, c'est-à-dire des amplificateurs susceptibles de recevoir un courant Il sur une première borne d'entrée et un courant I2 sur une deuxième borne d'entrée, pour produire en sortie un courant proportionnel à 11-I2. On sait réaliser ce type d'amplificateur par exemple à l'aide d'un schéma tel que celui de la figure 1i: le courant Il est appliqué à une résistance RI et le courant I2 à une résistance R2 de même valeur que R 1. La différence des chutes de tension RII1 et R212 dans ces résistances est mesurée par un amplificateur différentiel de tension AT. On sait bien réaliser des amplificateurs de tension ayant une bonne réjection de mode commun. La tension de sortie de l'amplificateur est proportionnelle à RIII-R212. Si RI est bien égale à R2 il n'y a pas de problème. Mais en pratique il est difficile de réaliser des résistances suffisamment précises, notamment si l'amplificateur de courant doit être réalisé sous forme de circuit intégré. Il apparaîtra dans le signal de sortie une composante de mode commun due à la différence de valeur des résistances (composante proportionnelle à la valeur moyenne des courants et à la différence RI-R2). La précision est donc directement liée à l'appairage des résistances. La présente invention propose un schéma d'amplificateur de courant qui évite ce défaut en permettant de faire une mesure diff érentielle très précise aussi bien pour des courant continus que pour des courants alternatifs. Pour cela, l'invention propose un amplificateur différentiel de courant ayant deux entrées recevant chacune un courant d'entrée respectif, pour produire en sortie un signal proportionnel à la différence des courants d'entrée, comprenant deux résistances reliées à un même noeud de circuit et ayant sensiblement la même valeur, des connexions entre les entrées de l'amplificateur de courant et les résistances, et un moyen pour établir dans la résistance RI une chute de tension variant comme le produit RIII et dans la résistance R2 une chute de tension variant comme R212, les résistances étant par ailleurs reliées chacune à une entrée d'un amplificateur diffé- rentiel de tension, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de commutation périodiques actionnés avec un rapport cyclique voisin de 0,5 pour: 1) intervertir les connexions entre les entrées de l'amplifi- cateur de courant et les résistances pendant la moitié de chaque cycle de commutation, de manière à produire pendant cette moitié de cycle une chute de tension variant comme RII2 dans la résistance R1 et une chute de tension variant comme R2II dans la résistance R2, 2) intervertir également les connexions entre les résistances et les entrées de l'amplificateur pendant cette moitié de cycle. Par chute de tension variant "comme RIII" (ou RII2, ou R212 ou R211), on entend notamment une chute de tension RIII ou -RIII, mais aussi Rl(Io+Il) o Io est une constante, ou encore Rl(Io-Il) etc..., l'essentiel étant qu'on puisse facilement établir deux chutes de tension, (par exemple Rl(Io-Il) et Rl(Io-I2), dont la différence, ici RI(I1 - I2), se ramène à une valeur proportionnelle à Il - 12. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I déjà mentionnée représente la technique anté- rieure, - la figure 2 représente un schéma de principe d'amplificateur de courant, - la figure 3 représente à titre d'exemple seulement un amplificateur différentiel de tension, - la figure 4 représente un schéma particulier de réalisation permettant l'amplification différentielle de courants sortant des bornes d'entrée, - la figure 5 représente un schéma particulier de réalisation permettant l'amplification différentielle de courants entrant ou sortant sur les bornes d'entrée. L'amplificateur différentiel de courant de la figure 2 comprend deux bornes d'entrée E et F. Les bornes E et F sont reliées aux entrées d'un amplificateur différentiel de tension 10 ayant une forte impédance d'entrée et ayant une bonne réjection de mode commun (ce que l'on sait bien faire pour un amplificateur différentiel de tension). Deux résistances R1 et R2, reliées d'un côté à un même noeud de circuit qui peut être une masse M, sont reliées d'un autre côté l'une (RI) à un premier commutateur KI et l'autre (R2) à un second commutateur K2. Les commutateurs sont actionnés périodiquement en phase l'un avec l'autre avec un rapport cyclique de commutation voisin de 0,5 c'est-à-dire qu'ils sont dans un premier état pendant une demi période de la fréquence de commutation et dans un second état pendant la demi période suivante. - Le commutateur double KI permet de relier la résistance R1 soit à la borne E soit à la borne F. Le commutateur double K2 permet de relier la résistance R2 soit à la borne F soit à la borne E. Lorsque la résistance RI est reliée à la borne E, la résistance R2 est reliée à la borne F et réciproquement. Un courant d'entrée Il est injecté par la borne E et un autre courant d'entrée 12 est injecté par la borne F. L'amplificateur différentiel de tension a par exemple (pour simplifier) un gain unitaire. Dans ce cas, il produit à sa sortie une tension qui est RlII-R212 pendant une première demi période et R211-Rl12 pendant la demi période suivante. Pour analyser le courant moyen I1-12, on place en sortie de l'amplificateur de tension un filtre passe-bas RC qui lisse les variations dues à la commutation. La tension moyenne aux bornes de R + R2 la capacité est alors (R1 2 R2) (11-12). Même si RI et R2 ne sont pas égales il n'y a pas (au premier ordre) de composante de mode commun due à la différence de valeur des résistances. On s'arrangera cependant pour réaliser des valeur R1 et R2 aussi égales que possible pour éviter une composante de mode commun qui serait due par exemple à un rapport cyclique de commutation non égal à 0,5. Ainsi, il y a bien une amplification purement différentielle des courants Il et I2, les composantes de mode commun n'existant qu'au second ordre. Si les courants Il et I2 sont alternatifs, on choisira la fréquence de commutation des commutateurs plus élevée que la fréquence des signaux I1 et I2. Dans certains cas très particulier, on peut prévoir qu'il n'y a pas de lissage de la tension de sortie de l'amplificateur de tension par un filtre RC. Par exemple cela peut se produire lorsque les courants d'entrée Il et I2 sont alternatifs, qu'ils ont une même fréquence f connue et que l'on effectue une commutation des commutateurs K1 et K2 justement à la fréquence f, par exemple dans le but de détecter une composante continue dans le signal alternatif I1-12: on peut dans ce cas convertir la tension de sortie de l'amplificateur de tension en un courant et appliquer ce courant à un condensateur; puis on échan- tillonne la tension aux bornes du condensateur à la fréquence f. La croissance ou la décroissance de cette tension échantillonée est une mesure de la composante continue de la différence des courants Il et I2. La figure 3 représente à titre d'exemple seulement une struc- ture d'amplificateur de tension à bonne réjection de mode commun utilisable dans le schéma de la figure 2. Il comprend un étage différentiel de sortie à deux transistors Ta et Tb parcourus par des courants égaux en l'absence de signal d'entrée et parcourus par des courants différents en présence d'un signal d'entrée, la différence des courants étant proportionnelle au signal et étant appliquée à un réseau RC parallèle relié au collecteur de l'un des transistors. La tension aux bornes de ce réseau constitue la tension de sortie de l'amplificateur et n'a pas besoin d'être filtrée par un autre réseau RC. Les entrées de cet amplificateur de tension sont les bases des transistors Ta et Tb, éventuellement précédées chacune d'un autre étage différentiel à grande impédance d'entrée, l'une des entrées de cet autre étage étant rebouclée sur l'émetteur du transistor Ta (ou Tb). La figure 4 représente un exemple concret de réalisation de l'amplificateur de courant. Dans cet exemple, au lieu que les bornes d'entrée E et F recevant les courants Il et I2 (courants sortants dans ce cas) soient directement connectées aux entrées de l'amplificateur de tension, elles sont connectées à ces entrées par l'intermédiaire de deux groupes de commutateurs. Le premier groupe comprend un commutateur KI et un com- mutateur K2. Le commutateur K1 comprend un transistor TI relié entre la borne E et la résistance R Iet un transistor T2 relié entre la borne E et la résistance R2. Le commutateur K2 comprend un transistor T4 relié entre la borne F et la résistance RI et un transistor T3 relié entre la borne F et la résistance R2. Les transistors T1 et T3 sont rendus conducteurs pendant une demi- alternance de la fréquence de commutation des commutateurs et bloqués pendant l'autre demi-alternance. Les transistors T2 et T4 sont rendus conducteurs et bloqués en opposition de phase avec les transistors T1 et T3. Les résistances RI et R2 sont reliées par ailleurs à un même noeud de circuit. Le deuxième groupe de commutateurs comprend un commu- tateur K3 et un commutateur K4 actionnés à la même fréquence de commutation. Le commutateur K3 permet de relier une entrée C de l'amplificateur différentiel de tension soit au point de jonction A de la résistance RI et des transistors Ti et T4 pendant la demi alternance o Tl et T3 sont conducteurs soit au point de jonction B de la résistance R2 et des transistors T2 et T3 pendant la demi- alternance ou T2 et T4 sont conducteurs. Le commutateur K4 permet de relier l'autre entrée D de l'amplificateur differentiel de tension soit au point de jonction A pendant que T2 et T4 sont conducteurs soit au point B pendant que Tl et T3 sont conducteurs. La différence moyenne des chutes de tension dans R1 et R2 est la même qu'à la figure 2. Dans une autre variante de réalisation représentée à la figure , on conserve intégralement le schéma de la figure 4 et on y rajoute les éléments suivants: la borne E est reliée à un transistor T5 et à un transistor T8. Le transistor T5 est relié entre la borne E et une source de courant Ipl; le transistor T8 est relié entre la borne E et une source de courant Ip2. La borne F est reliée à un transistor T6 et un transistor T7. Le transistor T6 est relié entre la borne F et la source de courant Ipl; le transistor T7 est relié entre la borne F et la source de courant Ip2. Les transistors T5 et T7 sont rendus conducteurs et bloqués en phase avec les transistors TI et T3; les transistors T6 et T8 en phase avec les transistors T2 et T4. Dans ces conditions, la résistance RI est parcourue par un courant Ipl Il pendant une demi-alternance et par un courant Ipl - I2 pendant la demi-alternance suivante. Réciproquement la résistance R2 est d'abord parcourue par le courant Ip2 I2 (première demi-alternance) puis par le courant Ip2- Il. La différence des chutes de tension dans RI et dans R2 est donc d'abord R2(Ip2-I2) - Rl(Ipl-Il) puis R2(Ip2-Il) - Rl(Ipl-I2), mais cette dernière valeur est inversée aux bornes de l'amplificateur de tension pendant la deuxième demi-alternance (par les commutateurs K3 et K4). En moyenne, la tension différentielle aux bornes d'entrée de l'amplificateur de tension est donc égale à: (R2(Ip2-12) - Rl(Ipl-Il) + RI(Ipl-I2) - R2(Ip2-I1))l" soit 2 (Rl+R2) (11-I2) Là encore, l'erreur sur l'égalité des résistances RI et R2 n'intervient pas au premier ordre. De même l'erreur sur l'égalité des courants Ipl et Ip2 que l'on choisit cependant de préférence égaux. La réjection de mode commun là encore, n'est limitée que par les performances de l'amplificateur de tension si les résistances R1 et R2, les courants Ipl et Ip2, et les demi-alternances du cycle de commutation, sont aussi bien appairés que possible. REVENDICATIONS 1. Amplificateur différentiel de courant ayant deux entrées (E,F) recevant chacune un courant d'entrée respectif(Il et 12), pour produire en sortie un signal proportionnel à la différence des courants d'entrée, comprenant deux résistances (RI et R2) reliées à un même noeud (M) de circuit et ayant sensiblement la même valeur, des connexions entre les entrées de l'amplificateur de courant et les résistances, et un moyen pour établir dans la résistance R1 une chute de tension variant comme le produit RII! et dans la résistance R2 une chute de tension variant comme R212, les résistances étant par ailleurs reliées chacune à une entrée d'un amplificateur différentiel de tension (10), caractérisé en ce qu'il est prévue des moyens de commutation périodiques (KI, K2, K3, K4) actionnés avec un rapport cyclique voisin de 0,5 pour: 1) intervertir les connexions entre les entrées de l'ampli- ficateur de courant et les résistances pendant la moitié de chaque cycle de commutation, de manière à produire pendant cette moitié de cycle une chute de tension variant comme R112 dans la résistance RI et une chute de tension variant comme R211 dans la résistance R2, 2) intervertir également les connexions entre les résistances et les entrées de l'amplificateur pendant cette moitié de cycle. 2. Amplificateur différentiel selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les courants d'entrée Il et I2 sont directement appliqués à la résistance RI et la résistance R2 respectivement pendant une première moitié de cycle et appliqués à la résistance R2 et la résistance RI respectivement pendant une deuxième moitié de cycle. 3. Amplificateur différentiel selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les résistances sont parcourues chacune par un courant qui est la différence entre un courant fixe (Ipl, Ip2) et l'un des courants d'entrée (Il, 12). 4. Amplificateur différentiel selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que la première résistance (Ri1) est reliée à un premier transistor (TI) et à un second transistor (T4) reliés respectivement à la première entrée (E) et à la seconde entrée (F) de l'amplificateur de courant, la deuxième résistance (R2) est reliée à un troisième transistor (T2) et un quatrième transistor (T3) reliés respectivement à la deuxième et la première entrée de l'amplificateur de courant, les résistances étant reliées par ailleurs par un commutateur double aux entrées de l'amplificateur de tension, les transistors et le commutateur étant commutés pério- diquement en alternance de phase avec un rapport cyclique voisin de 0,5, les premier et quatrième transistors étant rendus conducteurs pendant une première moitié du cycle périodique et bloqués pendant l'autre moitié et inversement les deuxième et troisième transistors étant bloqués pendant la première moitié et conducteurs pendant la deuxième, le commutateur double inversant les connexions entre la résistances et les entrées de l'amplificateur à chaque demi-alter- nance.