Brevet FR2583935A1 — publié le 19861226

- 1 - La présente invention a trait en général à des circuits amplifi- cateurs et plus particulièrement à des circuits amplificateurs appelés "circuits amplificateurs d'isolation", conçus pour isoler électriquement un signal d'entrée d'un signal de sortie. On utilise un circuit amplificateur d'isolation pour isoler un composant à courant continu d'un signal d'entrée par rapport à un compo- sant à courant continu d'un signal de sortie. On prévoit couramment deux types principaux de circuits amplificateurs d'isolation. Dans l'un de ces types de circuits amplificateurs le signal d'entrée est isolé électrique- ment du signal de sortie grace à un circuit transformateur. Ce circuit transformateur est très répandu en raison de ses conceptions caractéris- tiques bien connues. Toutefois, étant donné la basse fréquence inaccep- table des composants à courant continu, le transformateur n'offre qu'une utilité restreinte dans l'application de tels circuits amplificateurs d'isolation. Cette limitation peut être surmontée en modulant le signal d'entrée appliqué aux bornes d'entrée du transformateur et en reconsti- tuant le signal de sortie aux bornes de sortie de ce transformateur. Ce procédé assure une compensation de la basse fréquence, mais cela au prix d'une baisse de rendement en haute fréquence. Bien que l'on puisse conce- voir des circuits complexes pour obtenir une réponse adéquate dans les deux gammes de fréquences, le résultat se traduit par un circuit d'une complexité croissante, donc plus onéreux. Une seconde méthode technique consiste à utiliser un coupleur optique grâce auquel une diode électro- luminescente produit un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est ensuite détecté par une diode photosensible. Un tel appareil à couplage optique est relativement onéreux et exige notamment une source de courant pour exciter la diode électroluminescente du circuit d'entrée. Par conséquent, il existe une demande pour un circuit amplifica- teur d'isolation capable de réagir à des signaux à basse fréquence et de garantir cependant un isolement électrique total entre le signal d'entrée et le signal de sortie. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention consiste à prévoir un circuit amplificateur d'isolation d'un type perfectionné. Un autre but de la présente invention consiste à prévoir un cir- cuit amplificateur d'isolation, capable de réagir autant à des signaux basse fréquence qu'à des signaux haute fréquence. Par ailleurs, l'invention a pour but de prévoir un appareil et un procédé pour réaliser un circuit amplificateur d'isolation utilisant l'ef- fet de Hall. -2 - En outre, l'invention a pour but de prévoir un dispositif semi- conducteur à collecteur fractionné en tant que détecteur à effet de Hall dans un circuit amplificateur d'isolation. D'autre part, la présente invention a pour objet de prévoir plu- sieurs circuits amplificateurs d'isolation utilisant l'effet de Hall, ces circuits étant agencés de façon à annuler les effets produits par des champs magnétiques ambiants- De plus, la présente invention a pour objet de prévoir une nouvel- le technique de fabrication d'amplificateurs monolithiques d'isolation. Enfin, l'invention a pour but de prévoir un amplificateur d'iso- lation qui n'exige aucune alimentation en courant pour la partie signal d'entrée de l'amplificateur d'isolation. Ces différents buts ainsi que d'autres propres à l'invention sont réalisés grace à une conception particulière des conducteurs d'entrée qui appliquent un champ magnétique, déterminé par un signal d'entrée, à un dispositif à effet de Hall. Ce dispositif à effet de Hall fournit un si- gnal que l'on peut appliquer à un circuit amplificateur. Ce circuit am- plificateur applique un signal de sortie à un ensemble de conducteurs qui engendrent un champ magnétique de compensation dans le dispositif à effet de Hall. Le circuit amplificateur, conjointement à la boucle de réaction à champ magnétique, neutralise le champ magnétique produit par un signal d'entrée dans le dispositif à effet de Hall. Le détecteur d'effet de Hall peut comporter un dispositif semi-conducteur à collecteur fractionné dis- posé de telle sorte que le courant circulant entre les bornes émettrice et collectrice peut être influencé par le champ magnétique. Dans le mode préféré de réalisation de l'invention, plusieurs détecteurs de ce type sont couplés selon une orientation spatialement inversée. Cette orien- tation spatialement inversée assure l'intégration du signal produit par le chap magnétique d'entrée tout en effaçant l'effet produit par les champs magnétiques ambiants. Dans le même mode préféré de réalisation, les collecteurs des détecteurs de champ magnétique du dispositif semi- condcteur à effet de Hall peuvent être couplés à un miroir de courant dont le signal de sortie peut être appliqué à un circuit amplificateur afin de contr8ler la réaction du champ magnétique et de fournir un signal de sortie de circuit. Ces différentes caractéristiques de l'invention, ainsi que d'au- tres encore, ressortiront au cours de la lecture de la description ci- après qui se réfère au dessin annexé, sur lequel: La FIGURE 1 est une vue schématique illustrant le phénomène appelé -3 - "effet de Hall"; La FIGURE 2 est un schéma montrant le procédé grâce auquel on peut utiliser un dispositif à effet de Hall pour détecter un champ magnétique en tant qu'amplificateur d'isolation suivant la présente invention; La FIGURE 3 est un schéma relatif à l'utilisation de dispositifs fonctionnant selon le principe de l'effet de Hall de façon à neutraliser les effets produits par les champs magnétiques ambiants suivant la pré- sente invention, et La FIGURE 4 est un schéma des connexions d'un circuit électrique équivalent au dispositif à effet de Hall de la Figure 3. Si l'on se réfère à la Figure 1, on voit que l'on a appliqué à travers des bornes 11 et 12 un courant électrique à un matériau appro- prié 10. En m9me temps que l'on applique ce courant, on introduit un champ magnétique 13 d'une force B dans une direction sensiblement per- pendiculaire à la circulation du courant à travers la géométrie sensible- ment plane dudit matériau 10. Un champ électrique 14 est engendré par suite de l'interaction produite entre les porteurs de champ magnétique et de charge dans le substrat 10. Si l'on se reporte maintenant à la Figure 2, on voit qu'un signal d'entrée V.in est appliqué entre deux bornes, à savoir la borne 1 et la borne 2. La borne 2 applique le signal d'entrée à travers une résistance 24 à la première borne d'un conducteur de forme 21, tandis que la borne 1 applique le signal d'entrée à une seconde borne de ce conducteur de forme 21. Une source de courant 23 est reliée à une source d'alimentation V+, tandis qu'un courant est appliqué à une borne 251 du dispositif 25 à effet de Hall. La borne 252 de ce dispositif à effet de Hall 25 est re- liée au potentiel de masse. Les deux bornes situées de part et d'autre du passage de courant 253 et 253' sont reliées respectivement à chacune des bornes d'entrée d'un amplificateur différentiel 26. Cet amplificateur différentiel 26 comporte une borne de sortie reliée à travers une résis- tance 27 à une première borne d'un autre conducteur de forme 22 dont la seconde borne est reliée à la masse. La borne de sortie de l'amplifica- teur différentiel 26 applique le signal de sortie Vout de l'amplificateur d'isolation entre la borne de sortie 3 et la borne d'entrée 4, cette der- nière étant reliée à la masse ou au potentiel commun. Si l'on se reporte maintenant à la Figure 3, on voit qu'un signal d'entrée Vin est appliqué à des bornes d'entrée 1 et 2. La borne 1 est reliée à une seconde borne du conducteur de forme 21, tandis qu'une pre- mière borne de ce conducteur 21 est reliée à une première borne d'un autre -4- conducteur de forme 21'. Une seconde borne de ce conducteur de forme 21' reçoit le signal d'entrée V.in par l'intermédiaire de la résistance 24, grâce à une borne 2. La source de courant 23 est reliée à la source de tension positive d'alimentation V+ et applique du courant à la borne 251 d'un dispositif 25 à effet de Hall. Le courant provenant de la borne 252 du dispositif 25 à effet de Hall est appliqué à une source de tension d'alimentation VB. Une seconde source de courant 23' est reliée à la sour- ce de tension positive V+ et s'applique à la borne 251' du dispositif 25' à effet de Hall. La borne 252' de ce dispositif 25' à effet de Hall est reliée à la source de tension d'alimentation VB. La borne 253 du disposi- tif 25 à effet de Hall est reliée à la borne 253"' du dispositif 25' à effet de Hall, tandis que la borne 253' du dispositif 25 à effet de Hall est reliée à la borne 253" du dispositif 25' à effet de Hall. La borne 253 du dispositif 25 à effet de Hall et la borne 253 "' sont également reliées à une borne de l'amplificateur 26 ainsi qu'à un collecteur du transistor 32 dont l'émetteur est relié à une source de tension négative -V, alors que la base de ce même transistor 32 est reliée à celle du tran- sistor 31 et aussi au collecteur du transistor 31. L'émetteur du transis- tor 31 est relié à la source de tension négative -V. Le collecteur du transistor 31 est relié à la borne 253" du dispositif 25' à effet de Hall ainsi qu'à la borne 253' du dispositif 25 à effet de Hall. La borne de sortie de l'amplificateur 26 délivre le signal de sortie Vout à la borne 3 de sortie du dispositif, l'autre borne de sortie 4 de ce dispositif étant mise à la masse. Le signal de sortie de l'amplificateur 26 est éga- lement appliqué par l'intermédiaire d'une résistance 27 à une seconde borne du conducteur de forme 22'. Une première borne de ce conducteur de forme 22' est reliée à une première borne du conducteur de forme 22, alors que la seconde borne de ce conducteur 22 est reliée à la masse. Si l'on se reporte maintenant à la Figure 4, on voit qu'il repré- sente un circuit qui est l'équivalent du dispositif 25 et 25' à effet de Hall, ici sous forme d'un transistor PNP à collecteur subdivisé. La base 252 de ce transistor 252 est reliée à la source de tension VB (comme le montre la Figure 3) tandis que l'émetteur du transistor 25 reçoit du courant de la source dle courant d'alimentation 23. Le transistor 25 est un transistor à collecteur fractionné et une borne de ce collecteur est reliée au collecteur du transistor NPN 32 alors qu'une seconde borne du dispositif à semiconducteur 25 est reliée au collecteur du transistor 31, à la base du transistor 42 et à la base du transistor 32. Les émetteurs des transistors 31 et 32 sont reliés à la source négative V-. - 5 - Fonctionnement du mode préféré de réalisation La Figure 2 montre le mode fondamental de fonctionnement de l'am- plificateur à isolation utilisant un dispositif à effet de Hall. Le con- ducteur de forme 21 est en fait un enroulement conducteur plat (celui re- présenté ayant une spire et demi) produisant un champ magnétique en subs- tance perpendiculaire au plan du dispositif 25 à effet de Hall. La pré- sence du courant et d'un champ magnétique perpendiculaire produit une différence de potentiel dans le dispositif 25 à effet de Hall entre les bornes 253 et 253'. En état d'équilibre, c'est-à-dire en l'absence de champ magnétique, les courants qui circulent en provenance des bornes 253 et 253' sont égaux. Lorsque les collecteurs sont disposés correctement par rapport au champ magnétique, la différence de potentiel qui résulte de l'application du champ magnétique se traduit par un état de déséqui- libre dans le courant circulant à travers les deux bornes de collecteurs. Cette différence de courant en circulation dans les deux bornes de col- lecteurs entraîne un état de déséquilibre dans la tension aux deux bornes de l'amplificateur différentiel 26. Un signal est appliqué au conducteur de forme 22 qui délivre à son tour un champ magnétique au dispositif 25 à effet de Hall, mais en sens inverse par rapport au champ magnétique pro- duit par le conducteur de forme 21. Ainsi, le signal d'entrée V.in appliqué in entre les bornes 2 et 1 sera réfléchi avec précision, en raison du gain important dudit amplificateur différentiel, dans le signal de sortie en- tre les bornes 3 et 4 aux bornes de sortie. Comme on l'a indiqué plus haut, dans le mode préféré de réalisa- tion, le dispositif de détection 25 à effet de Hall peut être considéré comme étant un transistor PNP à collecteur fractionné. L'effet de Hall qui est dû à l'application d'un champ magnétique produit une différence de potentiel entre les bornes 253 et 253' qui détermine un étatde désé- quilibre dans les courants qui circulent en provenance des deux bornes de collecteurs. Lorsqu'il n'y a pas de champ magnétique ou s'il y a deux champs magnétiques qui se compensent, il n'y a pas génération de tension entre les deux bornes du dispositif à effet de Hall, et les courants qui circulent en provenance de ce dispositif seront égaux. Si l'on se réfère de nouveau à la Figure 3, on y voit un second mode possible de réalisation d'un circuit amplificateur d'isolation, dans lequel deux dispositifs 25 et 25' à effet de Hall sont disposés de telle sorte que les champs magnétiques de compensation sont inversés dans les deux dispositifs. Du fait de cette inversion, la compensation s'obtient automatiquement pour des champs magnétiques ambiants, par exemple dans le -6 - cas d'un champ magnétique terrestre. Si l'on compare avec le circuit de la Figure 4, on voit que dans cette disposition le dispositif à effet de Hall est effectivement un transistor PNP à collecteur fractionné. Le cou- rant provenant des deux bornes des collecteurs jumelés résultant de ce fractionnement est appliqué à un dispositif à miroir de courant comportant des transistors 31 et 32 qui entretiennent un courant identique dans les deux transistors. Il est évident que le signal d'entrée peut être iso- lé électriquement (ou "flottant") par rapport au signal de sortie, atten- du que le couplage entre l'entrée et la sortie s'effectue à l'aide d'un champ magnétique. Le circuit à miroir de courant, qui comprend les tran- sistors 31 et 32, a pour r8le d'accrottre le gain pour les différences de courant créées par le champ magnétique. Il est évident que l'amplificateur d'isolation suivant la présente invention ne nécessite aucune alimentation en courant dans la partie si- gnal d'entrée de l'amplificateur d'isolation, la seule alimentation en courant nécessaire étant utilisée pour les sources de courant 23 (et 23') et l'amplificateur opérationnel 26. Il est également clair pour tout spé- cialiste dans l'art que la présente invention peut 9tre aisément mise en oeuvre en utilisant des techniques monolithiques. La description qui précède vise à illustrer le fonctionnement du mode préféré de réalisation de l'invention, sans limiter toutefois la portée de celle-ci. Il est donc évident que l'invention peut faire l'ob- jet de différentes variantes sans s'écarter cependant des principes de base qui ont été définis ci-dessus. - 7 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Amplificateur d'isolation caractérisé par le fait qu'il com- prend: a) un premier moyen (21) conçu pour produire un champ magné- tique en réponse à un signal d'entrée (Vin); b) un dispositif à effet de Hall (25) pour produire une ten- sion induite en réponse audit champ magnétique, et c) un second moyen générateur de champ magnétique (22) qui produit un champ magnétique propre à annuler approximativement le champ magnétique du premier moyen (21) en réponse à ladite tension induite. 2. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen amplificateur (26) destiné à ampli- fier ladite tension induite, cet amplificateur produisant ledit champ magnétique de compensation afin d'effacer ledit champ magnétique. 3. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 2, caractéri- sé par le fait qu'il comprend un moyen de compensation comportant un se- cond premier moyen générateur de champ magnétique (21'), un second dis- positif à effet de Hall (25') et un second moyen générateur de champ ma- gnétique (22') ledit moyen de compensation ayant pour rôle de compenser ou annuler le champ magnétique ambiant. 4. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif à effet de Hall comprend un transistor PNP (25) ayant un collecteur fractionné, des bornes de collecteur (253, 253') de ce collecteur subdivisé pour engendrer un courant différentiel circu- lant à travers les bornes de collecteur en réponse audit champ magnétique. 5. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend des éléments de circuit (31, 32) reliés aux- dites bornes de collecteur (253, 253') afin d'augmenter ledit courant différentiel. 6. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est réalisé par des procédés de fabrication monolithi- que. 7. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le premier moyen de génération de champ magnétique (21) et le second moyen de génération de champ magnétique (22) comportent un matériau conducteur auquel on donne sensiblement la forme d'une boucle. 8. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 7, caractéri- sé par le fait que le second moyen générateur de champ magnétique (22) comprend un amplificateur (26) destiné à amplifier ladite tension induite, -8- cet amplificateur contrôlant un courant circulant dans le second moyen générateur de champ magnétique (22) et délivrant un signal de sortie (Vout) proportionnel audit signal d'entrée (Vin). 9. Procédé d'isolation d'un signal d'entrée par rapport à un signal de sortie en utilisant l'amplificateur d'isolation selon la Revendication 1, caractérisé par les phases suivantes: a) on produit ledit champ magnétique dans ledit moyen à effet de Hall, ce champ étant proportionnel audit signal d'entrée; b) on utilise un signal induit par effet de Hall afin de four- nir un signal de sortie, et c) on produit ledit champ magnétique compensateur dans ledit moyen à effet de Hall, ce champ compensateur étant proportionnel audit signal d'entrée. 10. Procédé d'isolation d'un signal d'entrée par rapport à un si- gnal de sortie selon la Revendication 9, caractérisé par la phase qui consiste à compenser les champs magnétiques ambiants. 11. Procédé selon la Revendication 9, caractérisé par la phase qui consiste à réaliser un circuit selon les techniques de fabrication monolithiques. 12. Procédé selon la Revendication 9, caractérisé par le fait que la phase qui consiste à produire un champ.agnétique comprend l'applica- tion d'un signal à une première zone conductrice en forme d'enroulement (21), et à amplifier le signal de sortie et l'appliquer après amplifica- tion à une seconde zone conductrice également en forme d'enroulement (22). 13. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 1, caracté- risé par le fait que ledit moyen à effet de Hall comprend: a) un matériau à effet de Hall (25); b) une source de courant (V+, 23) propre à fournir un courant circulant à travers ledit matériau à effet de Hall (25), des première et seconde bornes (253, 253')dudit matériau (25) étant en substance au même potentiel en l'absence d'un champ magnétique; c) moyen à champ magnétique (21) destiné à appliquer un champ magnétique à ladite source de courant et propre à conférer auxdites pre- mière et seconde bornes (253, 253') un potentiel différent, et d) un dispositif à réaction (26) relié auxdites première et seconde bornes (253, 253') afin d'appliquer un champ magnétique d'effa- cement audit matériau à effet de Hall (25) afin de supprimer le champ magnétique dudit moyen générateur de champ magnétique, ce dispositif à réaction (26) délivrant en outre un signal de sortie (V out) déterminé par - 9 - e valeur donnée du champ magnétique d'effacement. 14. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 13, caracté- risé par le fait qu'il comprend un moyen (25') pour compenser la présence de champs magnétiques ambiants. 15. Amplification d'isolation selon la Revendication 13, caracté- risé par le fait que ledit moyen à champ magnétique comprend un second matériau à effet de Hall (25'), une seconde source de courant (23') et un second moyen générateur de champ magnétique (21') pour appliquer un second champ magnétique audit second matériau à effet de Hall (25'), le- tO dit second moyen générateur de champ magnétique (21') ayant une compo- sante perpendiculaire audit second matériau à effet de Hall (25') et é- tant orienté suivant un angle sensiblement de 180 par rapport à un com- posant dudit champ magnétique qui est perpendiculaire audit matériau à effet de Hall, ledit dispositif à réaction (26) effaçant également ledit second champ magnétique. 16. Circuit amplificateur d'isolation selon la Revendication 13, caractérisé par le fait que l'amplificateur d'isolation proprement dit est réalisé sous forme d'un circuit monolithique. 17. Circuit amplificateur d'isolation selon la Revendication 1, o20 caractérisé par le fait qu'il comprend: a) une première zone de matériau conducteur (25); b) dans ledit moyen à effet de Hall, un matériau à effet de Hall (21) traversé par un courant, ce matériau à effet de Hall comportant deux bornes de sortie (253, 253'), de telle sorte que l'application d'un signal à ladite zone se traduit par l'application d'un champ magnétique audit matériau à effet de Hall et par l'application d'une différence de tension entre lesdites bornes de sortie; c) un amplificateur (26) dont les bornes d'entrées sont re- liées aux bornes dudit matériau à effet de Hall, et d) une seconde zone de matériau conducteur (25') reliée à une borne de sortie dudit amplificateur (26), cette seconde zone de matériau conducteur agissant de telle sorte qu'un champ magnétique engendré dans ledit matériau à effet de Hall annule le champ magnétique de ladite pre- mièere zone. 18. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 17, caractéri- sé par le fait qu'il comprend un second circuit d'isolation, disposé de telle sorte, par rapport audit amplificateur d'isolation, qu'il annule :ous les effets produits par des champs magnétiques ambiants. 19. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 17, caracté- - 10 - risé par le fait que ledit matériau à effet de Hall (25) est constitué par un transistor PNP à collecteur fractionné, les collecteurs (253) de ce transistor étant reliés auxdites bornes de sortie (253, 253'). 20. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 18, caracté- risé par le fait que lesdites bornes de sortie sont reliées à un circuit à miroir de courant (31, 32). 21. Amplificateur d'isolation selon la Revendication 18, caracté- risé par le fait que l'amplificateur d'isolation et le second. circuit d'isolation sont réalisés conformément à une technologie mono- lithique.