Brevet FR2595887A1 — publié le 19870918

- 1 ATTENUATEUR A HAUTE IMPEDANCE D'ENTREE. A CALIBRES MULTIPLES POUR HAUTES FREOUENCES. ET OSCILLOSCOPE ET SONDE ACTIVE COMPORTANT UN TEL ATTENUATEUR L'invention concerne un atténuateur à haute impédance d'entrée, à calibres multiples, destiné à atténuer un signal électrique haute fréquence introduit sur une borne d'entrée de l'atténuateur, ce dernier délivrant sur une borne 05 de sortie à basse impédance un signal de sortie correspondant au signal d'entrée atténué. L'invention concerne également un oscilloscope et une sonde active pour oscilloscope comprenant un tel atténuateur. Un atténuateur de ce type est connu du document US 4 525 688 qui décrit un circuit d'entrée pour oscilloscope comprenant un atténuateur ayant une impédance d'entrée élevée opérant en bande de fréquence large. Des instruments tels que des oscilloscopes, qui doivent permettre d'effectuer des mesu15 res quantitatives de grande précision, nécessitent de disposer de circuits d'entrée d'atténuation ayant une impédance d'entrée élevée afin de ne pas constituer une impédance de charge qui affecterait la source à mesurer. Pour cela le document cité décrit un atténua20 teur réglable formé des diviseurs résistifs/capacitifs mis en cascade chacun étant constitué d'un premier circuit parallèle RaCa à éléments fixes, d'un second circuit parallèle RbCb avec la capacité Cb ajustable, de deux capacités CcCd ajustables et de deux interrupteurs Sa et Sb. Les 25 trois capacités ajustables Cb, Cc et Cd servent à régler les réponses en fréquence et en niveau de l'atténuateur. Les deux interrupteurs Sa et Sb sont commandés pour utiliser ou non la cellule. Mais cet atténuateur présente plusieurs inconvé30 nients. Les réglages des différentes capacités, qui sont à ef- -2 fectuer pour chaque calibre, sont nombreux, délicats à réaliser et peu stables, compte tenu de la précision, supérieure à 10-2, nécessitée par les applications envisagées. Ces réglages qui sont réalisés par le constructeur nécessitent des compo05 sants onéreux. Les interrupteurs Sa et Sb sont placés dans la partie à haute impédance de l'atténuateur, de sorte que leurs capacités parasites élevées les rendent mal adaptés à cette application. Leurs dimensions ne peuvent en effet être suffisamment réduites et ceci peut conduire à des capacités 10 d'entrée de l'atténuateur pouvant être de 10 à 20pF. Un but de l'invention est donc de réduire la capacité d'entrée de l'atténuateur en ne disposant pas de système de commutation mécanique dans la partie haute impédance de l'atténuateur. Un autre but de l'invention est de supprimer les nombreux réglages délicats du constructeur et d'offrir à l'utilisateur un atténuateur plus commode et plus fiable à utiliser. Pour cela l'invention telle que définie dans le 20 préambule est remarquable en ce que l'atténuateur comprend k amplificateurs à large bande An(1 Z595887 - 3 rapports de la gamme d'atténuation, l'atténuateur présentant une très faible capacité d'entrée. Elle est également remarquable en ce que cet atténuateur à haute impédance d'entrée pour hautes fréquences et 05 à faible capacité d'entrée peut être associé à un étage d'entrée à basse impédance pour former un atténuateur à haute et basse impédance d'entrée et à faible capacité d'entrée. Ces atténuateurs peuvent être utilisés dans les étages d'entrée d'un oscilloscope ou dans une sonde active pour oscilloscope. 10 Selon l'invention l'atténuateur comprend plusieurs amplificateurs An à large bande à faible capacité d'entrée. Chaque amplificateur est destiné à couvrir une gamme d'atténuation donnée. Entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur An, on place une capacité Dn de faible valeur, 15 de l'ordre de la capacité d'entrée de l'amplificateur luimême. Chaque entrée d'amplificateur est reliée à la borne d'entrée de l'atténuateur par une capacité Cn. La sortie de chaque amplificateur peut être sélectionnée à l'aide d'un commutateur In relié à la borne de sortie de l'atténuateur. 20 Les capacités Dn ont sensiblement la même valeur, par exemple 1pF, et les capacités Cn sont calibrées de façon à constituer une gamme de coefficients correspondant à l'application. Ainsi la valeur de la capacité Cn se déduit de la valeur de la capacité Cn_1 en le divisant par un coefficient 25 p par exemple égal à 10, Cn=Cn-1/p. En sortie de l'amplificateur An, on obtient un signal de sortie qui est atténué dans le rapport des capacités Cn/Dn. Si pour le premier amplificateur A1 on choisit C1 = Dl,le signal de sortie de l'amplificateur A1 sera égal 30 au signal E appliqué sur la borne d'entrée de l'atténuateur mais délivré sous basse impédance. A la sortie de l'amplificateur A2 le signal obtenu sera égal à E/p et à la sortie du n-ième amplificateur An le signal obtenu sera E/pn. Tous ces signaux étant sous basse impédance les commutateurs coa35 xiaux de sélection In, adaptés aux basses impédances, pla- - 4 cés en sortie, n'apportent pas de perturbation aux signaux atténués. Les sorties de tous ces commutateurs In sont reliées entre elles et reliées à la borne de sortie de l'atténuateur. Ainsi aucun dispositif de commutation n'est utilisé dans la section haute tension et haute impédance de l'atténuateur pour sélectionner une gamme d'atténuation. Les très faibles capacités Cn utilisées font que la tenue aux surtensions est aisément obtenue. Les calibres d'atténuation sont déterminés par 10 le rapport des capacités Cn/Dn. Il est possible de réaliser l'ensemble de la gamme de calibres en disposant d'autant d'amplificateurs et d'autant de groupes de capacité Cn/Dn qu'il y a de calibres. Mais pour réduire le nombre d'amplificateurs et pour faciliter l'obtention de calibres bien déter15 minés, il est préférable de ne réaliser que quelques calibres largement espacés et de compléter la gamme à l'aide d'un amplificateur à gain variable placé après la section basse impédance de l'atténuateur. La précision requise pour les calibres d'oscilloscope étant meilleure que 10- 2, il est préféra20 ble de laisser au rapport Cn/Dn une précision moins bonne que 10-2 et de récupérer la précision de la gamme par l'amplificateur à gain variable. La sortie de celui-ci étant sous basse impédance les calibres intermédiaires sont obtenus à l'aide d'un atténuateur basse tension, basse impédance. Afin que l'atténuateur puisse également opérer sous basse impédance, on place pour cela, entre la borne d'entrée de l'atténuateur et la masse, un commutateur en série avec une résistance de faible valeur. On obtient ainsi un atténuateur à haute et basse impédance pour hautes fréquen30 ces. Pour traiter les signaux basse fréquence et continu, on place en parallèle avec l'atténuateur haute et basse impédance un atténuateur résistif de type classique. Cet atténuateur, adapté aux hautes fréquences 35 pour opérer sous haute impédance, complété éventuellement pour -5 opérer sous basse impédance ou pour atténuer des signaux basse fréquence ou continu, est disposé dans l'étage d'entrée d'un oscilloscope. Mais afin de le rendre amovible et facile à utiliser par un utilisateur, il est possible de disposer l'atté05 nuateur haute fréquence et haute impédance dans une sonde pour oscilloscope. Les liaisons sous haute impédance sont ainsi les plus courtes possibles, la liaison avec l'oscilloscope se faisant par câble coaxial basse impédance à travers un boîtier de sonde, placé à l'entrée de l'oscillocope, l'atténuation pou10 vant être commandée à distance. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs, qui représentent: figure 1:un schéma électrique de l'atténuateur, 15 à haute impédance d'entrée pour hautes fréquences selon l'invention, figure 2:un dessin pour la réalisation des capacités Cn à l'aide d'un dépôt conducteur sur un substrat, figure 3:un schéma de l'atténuateur selon la 20 figure 1 suivi d'un amplificateur à gain variable, figure 4:un schéma de l'atténuateur selon la figure 1 comportant en outre des moyens d'adaptation basse impédance, figure 5:un schéma de l'atténuateur haute et 25 basse impédance pour hautes et basses fréquences pour oscilloscope, figure 6:une représentation schématique des variations du gain avec la fréquence pour des signaux de la figure 5. figure 7:un schéma électrique d'une sonde pour oscilloscope. Le schéma électrique de l'atténuateur 15 représenté sur la figure 1 comprend n amplificateurs à large bande A1 à An, munis respectivement entre leur entrée et leur sor35 tie de capacités D1 à Dn. Des capacités C1 à Cn sont dis- - 6 posées entre la borne d'entrée 10 de l'atténuateur 15 et chaque entrée d'amplificateurs. Les sorties des amplificateurs sont reliées individuellement à une première borne de commutateurs I1 à In dont toutes les secondes bornés sont reliées 05 à la borne de sortie 11 de l'atténuateur. Préférentiellement les capacités D1 à Dn ont sensiblement la même valeur, par exemple lpF. La capacité C1 du premier amplificateur est préférentiellement égale à la capacité D1 de sorte que le signal en sortie de l'amplificateur correspond au signal appliqué 10 sur la borne 10, mais atténué d'un rapport p = CI/Dl égal à 1, mais délivré sous une basse impédance. Les valeurs des capacités C2 à Cn sont déterminées de façon à obtenir la gamme d'atténuation souhaitée, correspondant aux rapports Cn/Dn. Les signaux en sortie des amplificateurs peuvent être sélectionnés à l'aide des commutateurs Il à In. Les amplificateurs Ai à An présentent une impédance d'entrée élevée et une faible capacité d'entrée de sorte que l'atténuateur présente une impédance élevée pour le signal 20 appliqué sur la borne 10. Par contre, à cause du montage capacitif opéré sur chaque amplificateur, ceux-ci présentent une basse impédance de sortie, ce qui permet d'utiliser des commutateurs In coaxiaux à basse impédance par exemple 50 ohms. La zone 12 est la zone à haute impédance et haute tension, et 25 la zone 13 est la zone à basse impédance et basse tension. Dans l'exemple choisi, pour réaliser les trois gammes d'atténuation 1/1, 1/10, 1/100 par exemple, il est nécessaire de donner aux capacités C1, C2, C3 les valeurs respectives lpF; 0,lpF; 0,01pF; avec D1 = D2 = D3 = lpF. Les capacités, en particulier C1, C2, C3 doivent présenter de très faibles valeurs. Celles-ci sont obtenues en réalisant les capacités par exemple selon le dessin de la figure 2. Sur un support 20, on réalise des dépôts conduc35 teurs coplanaires par exemple sous forme longiligne. Chaque -7 dépôt présente une discontinuité de sorte que les deux extrémités placées en vis-à-vis constituent une capacité. La largeur de la discontinuité et la section des conducteurs interrompus déterminent la valeur des capacités. Dans l'exemple 05 choisi, on réalise de cette manière les capacités C1 = lpF, C2 = 0,1pF et C3 = O, 01pF. Elles présentent toutes un point commun 21 destiné à être relié à la borne d'entrée de l'atténuateur. L'autre point de chaque capacité va à l'entrée de leur amplificateur respectif. Il est possible de réaliser les capacités par toute autre méthode, mais dans la plupart des cas il n'est pas nécessaire de s'astreindre à obtenir des valeurs de capacités ayant la tolérance de 10-2 habituelle nécessaire pour réaliser une gamme d'atténuation correcte pour oscilloscope. Préférentiellement, l'invention utilise des valeurs de capacité approchées et rétablit la précision requise à l'aide d'un amplificateur à gain variable 31 tel que cela est représenté sur la figure 3. L'atténuateur actif 15 précédent fournit des calibres voisins de par exemple 1, 1/10, 20 1/100. Sa sortie pénètre dans l'amplificateur à gain variable 31 qui possède une entrée 32 sur laquelle est introduit un signal de contrôle destiné à programmer les gains de l'amplificateur 31 de sorte que l'atténuation totale corresponde exactement aux valeurs désirées. Cet amplificateur intervient 25 après la zone à basse impédance de l'atténuateur 15 ce qui permet d'obtenir correctement les calibres pour toute la gamme hautes fréquences considérée. A l'aide d'un atténuateur basse tension et basse impédance 33 placé après l'amplificateur 31 les rapports d'at30 ténuation intermédiaires, par exemple 1/1, 1/2, 1/5 sont obtenus pour couvrir les gammes habituellement utilisées en oscilloscopie. Le signal de contrôle appliqué sur l'entrée 32 permet non seulement au constructeur mais également à l'utilisateur d'opérer les réglages. Le réglage d'un tel atténuateur 35 nécessite simplement 3 ajustements de tension continue néces- - 8 saires à la commande de l'amplificateur à gain variable dans les trois positions 1/1, 1/10, 1/100. Ceci est sans nul doute beaucoup plus simple et fiable que les solutions antérieures qui n'étaient pratique05 ment réalisables que par le constructeur. L'atténuateur représenté sur la figure 3 présente une haute impédance d'entrée aux hautes fréquences. Mais il est généralement utile de disposer aux hautes fréquences d'un atténuateur ayant une basse impédance d'entrée et une faible 10 capacité d'entrée. Pour cela le schéma électrique de la figure 4 représente un atténuateur permettant à l'utilisateur de choisir entre une haute et une basse impédance d'entrée. Il est constitué de l'atténuateur à haute impédance d'entrée 15 sur la 15 borne d'entrée duquel est connecté un commutateur 41 à basse impédance, par exemple coaxial, et une résistace R42 de faible valeur réunie à la masse. Cette résistance a par exemple une valeur de 50 ohms comme il est d'usage en oscilloscopie. Afin de pouvoir opérer sur des signaux à hautes 20 fréquences d'une part, et sur des signaux à basses fréquences ou de signaux continus d'autre part, on utilise l'atténuateur représenté sur la figure 5. Les signaux basses fréquences et continus sont orientés sur une branche 51 qui comprend un pont diviseur ré25 sistif constitué d'une résistance de tête 52 et de résistances de pont par exemple 53, 54, 55 pour trois calibres. Avec des résistances 52, 53, 54, 55 ayant respectivement pour valeur 1 Megohm, 1 Megohm, 100 Kohms et 10 Kohms, la situation représentée sur la figure 5 correspond aux trois mêmes cali30 bres que précédemment soit 1/1, 1/10 et 1/100. Ils peuvent être sélectionnés par des commutateurs 56, 57, 58. La précision des résistances est suffisante pour éviter tout ajustement. En basse fréquence le signal appliqué passe à travers une capacité 59 qui peut être court-circuitée par un commuta35 teur 71 pour opérer avec des signaux continus, afin de réali- ser les deux modes de couplage nécessaires alternatif' et *continu". La capacité est placée entre la résistance de tête 52 et un point commun aux résistances de pont 53, 54, 55, 05 lui-même relié à l'entrée d'un amplificateur opérationnel 72. Celui-ci délivre un signal qui est traité par un circuit d'addition 73 pour former un signal conforme au signal d'entrée mais atténué selon les calibres choisis. Les commutateurs 56, 57 et 58 et les commutateurs In de l'atténuateur 15 opèrent en synchronisme. La sortie du circuit d'addition 73 entre dans un amplificateur à gain négatif 74 dont la sortie est reliée au point commun aux commutateurs 56, 57, 58. La boucle ainsi constituée par la mise en série de l'amplificateur 72, du circuit d'addition 73, de l'amplificateur à gain négatif 74, d'un 15 des commutateurs 56, 57, 58 associé respectivement à une des résistances 53, 54, 55, permet de régler l'atténuation de la partie à basse fréquence sur celle de la partie à haute fréquence. La sortie du circuit d'addition entre dans l'atténuateur basse tension et basse impédance 33 qui détermine les ca20 libres intermédiaires. Le fonctionnement du circuit de la figure 5 s'analyse de la façon suivante. Soit Ve le signal présent sur la borne 10 et soit Vs celui sur la connexion 70 dû à la voie 1. L'atténuateur fixe 15 et l'atténuateur variable 31 constituent 25 un atténuateur à haute fréquence. La tension de sortie Vs d'un tel atténuateur s'écrit: Vs = -K S T' Ve l+s.TH avec K: rapport d'atténuation 1, 1/10, 1/100 TH: tel que l'inverse de rH est égal à la fréquence de coupure basse de l'atténuateur HF. s: élément de calcul symbolique. D'autre part, l'amplificateur opérationnel 72 présente un gain G et une fréquence de coupure haute. En appe35 lant: - 10 * e le signal sur la connexion 75 à l'entrée de l'amplificateur 72, * X le signal sur la connexion 76 en sortie de l'amplificateur 72 * GH le gain de la voie haute fréquence 1, on peut écrire les relations suivantes: (1) Vs = - GH. Ve (2) e = K Ve - S 1+K 1+K (3) X = - GB. e 10 (4) S = - Vs - X. Ces relations permettent d'obtenir la relation suivante: GH + K. GB (5) I +K Ve 1 + GB 1+K Or le gain GH de la voie HF 1 est: GH = K.gH, o gH est le gain d'un des amplificateurs A1 à An, avec qgh=l quand la fréquence devient très élevée. 20 La relation (5) s'écrit: /- ( gH - 1 (6) s = |1 + H Ve 1 + 1 GB I1+K L'atténuation globale de l'étage comprend donc un 25 terme Kcorrespondant à l'atténuation large bande, additionné au terme parasite: gH - 1 (7) K. 1 + 1. GB 1+K Ce terme doit donc être minimisé sur toute la bande de fréquences pour obtenir un gain constant égal à K. En termes de réponse en fréquences on peut écrire: s.TH gH = pour l'atténuateur HF l+STB - 11 et GB = 0 1+sNB pour l'amplificateur opérationnel An o go " 1. 05 Le numérateur du terme parasite (7) s'écrit: qH-1 = -1 1+s T'a et le dénominateur: 1 + 1 GB = (1+K)(1+stR) + Go 10 1+K (1+K)(l+sTB) La courbe A de la figure 6 représente l'évolution du gain relatif au numérateur avec une fréquence de coupure fc= 1 à partir de laquelle le gain décroît continûment. 2xtH 2iH De même la courbe B représente l'évolution du 15 gain relatif au dénominateur avec une fréquence de coupure basse fo = 1 et une fréquence de coupure haute de (1+K+Go)fo.)B Les variations du terme parasite représenté par l'équation (7) sont représentées sur la courbe C. Ce terme 20 doit rester le plus faible possible et ne pas présenter un accroissement sur toute la bande de fréquences. Pour cela il est nécessaire que la fréquence de coupure fc soit inférieure à la fréquence de coupure fo. Si ceci n'était pas respecté la courbe C présenterait une pente positive sur la figure 25 6 entre fc et fo suivie d'un palier ce qui ne permetterait pas d'avoir une atténuation constante égale à K sur toute la bande. Il faut également que la fréquence haute (1+K+Go)fo soit très supérieure à fc Ceci signifie que le produit gain bande Go.fo de l'amplificateur opérationnel 72 soit très supérieur à la fréquence de coupure basse de l'amplificateur haute fréquence de la voie 1. Ainsi à titre d'exemple avec un amplificateur HF ayant une bande passante de 1 KHz à 2 GHz il faut que le produit gain-bande de l'amplificateur opérationnel soit de l'or35 dre de 100 KHz. - 12 Un tel atténuateur opérant à haute et/ou à basse impédance d'entrée pour des signaux à hautes et/ou à basses fréquences selon les schémas électriques des figures 1, 3, 4 ou 5 peut être utilisé dans les étages d'entrée d'appareilla05 ges électriques, particulièrement des appareillages de mesure tels que les oscilloscopes. Dans ce dernier cas, il est généralement souhaitable de disposer d'un dispositif amovible sous la forme d'une sonde active pour oscilloscope. La séparation qui existe, dans l'atténuateur selon l'invention, entre une 10 zone à haute tension et haute impédance et une zone à basse tension et basse impédance permet de disposer d'une sonde active pour laquelle les liaisons hautes fréquences avec l'oscilloscope sont réalisées sous basse impédance. Le schéma électrique d'une telle sonde est représenté sur la figure 7. 15 Le signal électrique pénètre par la borne d'entrée 10 dans l'atténuateur 15 à haute impédance d'entrée pour hautes fréquences. Il peut être muni du commutateur 41 et de la résistance de faible valeur 42 pour opérer sous basse impédance. Mais cette dernière disposition n'est pas indispensable. Les 20 signaux sélectionnés par les commutateurs In sont transférés à l'aide de câbles coaxiaux 63, par exemple 50 ohms, vers un boitier de sonde 61 qui peut être fixé sur la fiche d'entrée d'un oscilloscope 62. Il y a une liaison coaxiale par calibre. Les signaux basses fréquences sont transférés séparément à 25 l'aide d'une liaison basse fréquence à travers la résistance 52. Les rapports d'atténuation peuvent être contrôlés à distance à partir du tableau de commande de l'oscilloscope qui envoie des signaux de contrôle sur l'entrée 32 de l'amplificateur à gain variable. L'atténuateur à haute impédance 15 30 peut ainsi être disposé dans l'embout de la sonde active et constituer une sonde de très petites dimensions, les éléments de commutation à basse impédance étant ramenés dans un boîtier de sonde contigu à l'oscilloscope. - - 13 REVENDICATIONS: 1. Atténuateur à haute impédance d'entrée, à calibres multiples, destiné à atténuer un signal électrique haute fréquence introduit sur une borne d'entrée de l'atténuateur, ce dernier délivrant sur une borne de sortie à basse impédance un signal de sortie correspondant au signal d'entrée atténué, caractérisé en ce que l'atténuateur comprend k amplificateurs à large bande An(1 une très faible capacité d'entrée. 2. Atténuateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capacités Dn ont sensiblement toutes la même valeur Co. 3. Atténuateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la capacité C1 est sensiblement égale à Co et en 30 ce que la valeur p est sensiblement égale à 10. 4. Atténuateur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque capacité Cn est constituée par deux conducteurs dont la proximité l'un par rapport à l'autre détermine la valeur de chaque capacité Cn. 5. Atténuateur selon la revendication 4, caractérisé - 14 en ce que chaque capacité Cn est constituée de deux conducteurs coplanaires formés à partir d'une bande conductrice déposée sur un substrat qui est interrompue sur une distance déterminant la valeur de la capacité Cn. 6. Atténuateur selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un amplificateur à large bande à gain variable, contrôlable extérieurement, connecté à la borne commune des k commutateurs In. 7. Atténuateur opérant à haute ou basse impédance d'entrée caractérisé en ce qu'il comprend un atténuateur à haute impédance d'entrée selon une des revendications 1 à 6 et en outre un autre commutateur en série avec une résistance R de faible valeur réunie à la masse. 8. Atténuateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la résistance R est égale à 50 ohms. 9. Oscilloscope caractérisé en ce qu'il comprend un atténuateur selon une des revendications 1 à 8. 10. Sonde active pour oscilloscope caractérisée en ce qu'elle comprend un atténuateur selon une des revendications 1 20 à 8. 11. Sonde active selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'atténuateur à haute impédance d'entrée pour hautes fréquences est placé dans un embout relié par des liaisons à basse impédance à un bottier de sonde connectable à 25 l'oscilloscope.