Brevet FR2604834A1 — publié le 19880408

REDRESSEUR DOUBLE ALTERNANCE A CAPACITES COMMUTEES La présente invention concerne les circuits à capacités commutées qui sont des circuits échantillonnés mettant en oeuvre des transferts de charges électriques périodiques entre des capacités, à une fréquence élevée devant la bande passante des signaux à traiter. Un but de l'invention est de réaliser un redresseur à capacités commutées pour recevoir un signal alternatif, ayant des alternances positives suivies d'alternances négatives, et le transformer en un signal de polarité exclusivement positive. Dans le brevet français 2 554 654, on a décrit un redresseur à capacités commutées accomplissant cette fonction; mais c'est un redresseur monoalternance, c est-à-dire qu'il se contente de transmettre les alternances d'une polarité en supprimant completement les alternances de l'autre polarité. Un but de la presente invention est de proposer un circuit à capacités commutées accomplissant la fonction de redressement double alternance; c est-à-dire qu'il transmet les alternances d'une polarité et qu'il change de signe et transmet les alternances négatives. Cette fonction de redressement doit ètre aussi peu affectée que possible d'une part par les tensions de seuil des éléments effectuant le redressement proprement dit, et d'autre part par les tensions de décalage à l'entrée des amplificateurs opérationnels qu'il sera nécessaire d'utiliser. La présente invention propose un circuit à capacités commutées qui realise cette fonction de redressement double alternance et qui comporte: - un premier amplificateur opérationnel comportant une entrée non-inverseuse reliée à la masse et une entrée inverseuse; - une première capacité reliée d'un coté à l'entrée inverseuse et de l'autre à un premier commutateur apte à la relier soit à la masse pendant une première phase de chaque période d'échantillonnage soit à l'entrée du redresseur pendant une deuxième phase, disjointe de la première; - une deuxième capacité reliée d'un coté à l'entrée inverseuse et de l'autre à un deuxième commutateur apte à la relier soit à la masse pendant la première phase, soit à une première armature d'une troisième capacité pendant la deuxième phase;; - la troisième capacité a son autre armature reliée à l'entrée inverseuse d'un deuxième amplificateur opérationnel ayant également une entrée non-inverseuse reliée à la masse; - une quatrième capacité ayant une armature connectée à l'entrée inverseuse du deuxième amplificateur et une autre armature reliée par un troisième commutateursoit à la sortie du deuxième amplificateur pendant la première phase soit à la masse pendant la deuxième phase; - une cinquième capacité reliée entre le point de jonction de la première capacité et du premier commutateur et l'entrée inverseuse du deuxième amplificateur; - un premier transistor à effet de champ ayant sa grille reliée à son drain, monté entre l'entrée inverseuse et la sortie du premier amplificateur;; - un deuxième transistor à effet de champ ayant sa grille reliée à son drain, connecté entre la sortie du premier amplificateur et un noeud A, le noeud A étant relié à la masse pendant la première phase et à la première armature de la troisième capacité pendant la deuxième phase; - un quatrième commutateur pour court-circuiter la sortie et l'entrée inverseuse du premier amplificateur pendant l'une des phases d'échantillonnage, un cinquième commutateur pour courtcircuiter la sortie et entrée inverseuse du deuxième amplificateur pendant l'autre phase, et un sixième commutateur pour relier à la masse ou non la première armature de la troisiéme capacité. En principe la première et la deuxième capacités ont la mème valeur, la quatrième et la cinquième ont aussi une même valeur, et la troisième a une valeur double de la cinquième. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente le schéma de principe du circuit de redressement selon l'invention. Le circuit de la figure possède une entrée E pour recevoir une tension alternative Vin à redresser, et une sortie S pour fournir une tension redressée Vout. Deux amplificateurs opérationnels AO1 et AO2 sont prévus; ils ont chacun un grand gain, et une grande impédance d'entrée ils possèdent une entrée non-inverseuse reliée à une masse du circuit et une entrée inverseuse. Le circuit comprend par ailleurs un certain nombre de capacités et de commutateurs pour commuter ces capacités périodiquement sous la commande d'un circuit d'échantillonnage non représenté; le circuit fonctionne avec deux phases disjointes a et b à chaque période d'échantillonnage. Une première capacité Cl est reliée entre l'entrée inverseuse du premier amplificateur AO1 et un commutateur I1 qui permet de relier cette capacité soit à la masse pendant une des phases d'échantillonnage (phase a) soit à l'entrée E du circuit (phase b). Une deuxième capacité C2 est reliée entre l'entrée inverseuse de l'amplificateur AO1 et un commutateurI2 qui permet de relier cette clpacité soit à la masse pendant une phase qui est en principe la phase a, soit à un noeud A du circuit pendant l'autre phase (en principe la phase b). Une troisième capacité C3 et une quatrième capacité C4 sont reliées chacune d'un coté à l'entrée inverseuse du deuxième amplificateur AO2. La quatrième capacité est reliée de l'autre coté à un troisième commutateur I3 qui permet de la relier soit à la sortie du deuxième amplificateur AO2 en principe pendant la phase a, soit à la masse, en principe pendant la phase b. Un premier transistor à effet de champ Dl est prévu, ayant son drain relié à sa grille et jouant donc le rôle d'élément redresseur puisqu'il n'est conducteur que si sa tension drainsource dépasse sa tension de seuil qu'on appellera Vtl Ce transistor est connecté entre l'entrée inverseuse et la sortie du premier amplificateur AO. Un deuxième transistor à effet de champ D2 est prévu, ayant également son drain relié à sa grille et jouant donc également le rôle d'élément redresseur avec une tension de seuil Vt2 égale ou non à Vtl. ce transistor est connecté entre la sortie de l'amplificateur AOl et le noeud A. Un quatrième commutateur I4 permet de court-circuiter le transistor Dl en principe pendant la phase a; un cinquième commutateur I5 permet de court-circuiter le deuxième amplificateur AO2 (en reliant sa sortie et son entrée inverseuse) en principe pendant la phase b. Un sixième commutateur I6 permet de relier à la masse, en principe pendant la phase a, la deuxième armature de la troisième capacité C3 (l'armature qui n'est pas reliée à l'entrée du deuxième amplificateur). Un septième commutateur I7 permet de relier le noeud A soit à la masse en principe pendant la phase a, soit à la deuxième armature de la capacité C3. Une cinquième capacité C5 est reliée directement entre le point de jonction de la première capacité Cl et du commutateur Il et l'entrée inverseuse du deuxième amplificateur AO2. Enfin, il est prévu de préférence une sixième capacité C6 et un huitième commutateur I8; la capacité C6 est connectée entre la sortie S du circuit de redressement et la masse; le commutateur I8 permet de relier la sortie du deuxième amplificateur à la sortie S du circuit en principe pendant la phase a. Le fonctionnement du circuit va maintenant ètre décrit en supposant d'abord que les deux transistors Dl et D2 sont des transistors à canal n à tensions de seuil positives, que le drain de Dl est relié à l'entrée du premier amplificateur AOl et que le drain de D2 est relié à la sortie de cet amplificateur. On appellera Vol la tension de décalage apparaissant à l'entrée du premier amplificateur lorsque sa sortie est reliée à son entrée, et Vo2 la tension de décalage du deuxième amplificateur. La charge électrique stockée sur la capacité C1 à la fin de la phase a est: Ql = Cl.Vol La charge stockée pendant cette phase sur la capacité C2 est: Q2 = C2.Vol La charge stockée sur la capacité C3 est: Q3 = C3. Vo2 Pendant la phase b qui suit, il faut distinguer le comportement du circuit selon qu'on se trouve dans une alternance positive ou négative de la tension d'entrée Vin. 1 / alternance positive: Vin positif La capacité Cl transmet instantanément le potentiel positif Vin à l'entrée de l'amplificateur AOl dont la sortie tend donc à devenir très négative; le transistor Dl devient conducteur et le restera pendant le reste de la phase b; dans ces conditions, la tension d'entrée de l'amplificateur AO1 tend à revenir pratiquement à Vol; simultanément, la tension au noeud A tend au début de la phase b à ètre beaucoup plus positive que la tension très négative en sortie de l'amplificateur AOl,et le transistor D2 se bloque et restera bloqué par la suite. La somme des charges stockées sur les capacités C2 et C3 doit se conserver et comme les potentiels aux extrémités de l'ensemble en série des capacités C2 et C3 n'ont pas varié et sont toujours Vol et Vo2, le potentiel du noeud A reste essentiellement à zéro (ce qui confirme d'ailleurs que le transistor D2 reste bloqué), la capacité C2 conserve une charge Q2 = C2.Vol et la capacité C3 une charge Q3 = C3 Vo2. Toujours pendant la phase b, la capacité C4 prend une charge: Q4 = C4.Vo2 et la capacité C5 une charge Q5 = C5.(Vo2 - Vin) Enfin, pendant la phase a suivante, la somme des charges des capacités C3, C4, et C5 se conserve alors que les nouveaux potentiels appliqués à C3, C4, et C5 sont respectivement Vo2, (Vo2 - Vout), et Vo2. On en déduit le potentiel Vout qui est imposé par la sortie de l'amplificateur AO2 pour respecter cette condition de conservation des charges: Vout = Vin.C5/C4 pour les alternances positives 20/ alternances négatives : Vin négatif Au début de la phase b, la capacité C1 transmet instantanément à l'entrée de l'amplificateur AOl un potentiel Vin négatif qui rend fortement positive la sortie de AO1. Le transistor D1 qui était bloqué à la phase a est confirmé dans ce blocage (drain et grille négatifs, source positive). Au contraire, le transistor D2 devient conducteur, son drain étant fortement positif et sa source sensiblement à Vin donc négative. Des charges électriques positives peuvent donc ètre fournies par la sortie de AO1 à la capacité C2 pour ramener l'ensemble à un état d'équilibre dans lequel la somme des charges stockées sur les capacités Cl et C2 est toujours Ql+Q2 = Cl.Vol + C2.Vol. I1 en résulte que le noeud A prend un potentiel Va qui réalise cette condition d'équilibre: Va = -Vin Toujours pendant !a phase b, on remarque alors que - la capacité C3 prend une charge: Q3 = C3. (Vo2 - Va) clest-à-dire Q3 = C3.(Vo2 + Vin) - la capacité C4 prend une charge: Q4 = C4.Vo2 - la capacité C5 prend une charge: Q5 = C5.(Vo2 - Vin) Lorsque la phase b se termine, la somme de ces charges ne peut plus varier. Au cours de la phase a suivante, les potentiels appliqués aux bornes des capacités C3, C4, et C5 sont respectivement Vo2, Vo2-Vout, et Vo2. I1 en résulte que l'amplificateur A02 établit sur la sortie S un potentiel qui respecte la condition de conservation de la somme des charges Q3+Q4+Q5. Ce potentiel Vout est: Vout = Vin. (C5-C3)/C4 Si la capacité C3 est égale au double de la capacité C5, alors Vout = -Vin.C5/C4 alternances négatives Un circuit qui réalise la fonction "Vout = k . Vin" pour des alternances positives et "Vout = -k.Vin" pour des alternances négatives est bien un redresseur double alternance de gain k. Ici, k = C5/C4 La tension Vout apparait en sortie de l'amplificateur A02 au cours de la phase a; toutefois, gracie à l'interrupteur I8 et à la capacité C6, la tension Vout est conservée aussi pendant la phase b, de sorte que le circuit se comporte comme un système échantillonné - bloqué. Pendant la phase a, la capacité reçoit la valeur Vout appliquée à travers le commutateur I8; puis le commutateur s'ouvre et la tension Vout subsiste aux bornes de la capacité. Pour augmenter la rétention de la charge, on peut prévoir que la sortie S est connectée à un amplificateur opérationnel bouclé à gain unitaire. On peut alors lire à tout moment la valeur de Vout sans perturber le fonctionnement du redresseur. On a décrit le circuit avec des transistors MOS à Canal n, mais il fonctionne aussi avec des transistors à canal p ou avec deux transistors de type différent, comme cela a été expliqué dans le brevet FR 2 554 654 REVENDICATIONS 1. Redresseur double alternance, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit à capacités commutées comprenant: - un premier amplificateur opérationnel (AOl) comportant une entrée non-inverseuse reliée à la masse et une entrée inverseuse; - une première capacité (Cl) reliée d'un coté à l'entrée inverseuse et de l'autre à un premier commutateur (Il) apte à la relier soit à la masse pendant une première phase (a) de chaque période d'échantillonnage soit à l'entrée du redresseur pendant une deuxième phase (b), disjointe de la première; - une deuxième capacité (C2) reliée d'un coté à l'entrée inverseuse et de l'autre à un deuxième commutateur (I2) apte à la relier soit à la masse pendant la première phase, soit à un noeud A pendant la deuxième phase;; - une troisième capacité ayant une première armature reliée pendant la première phase à la masse et pendant la deuxième phase au noeud A, son autre armature étant reliée à l'entrée inverseuse d'un deuxième amplificateur opérationnel (A02) ayant également une entrée non-inverseuse reliée à la masse; - une quatrième capacité (C4) ayant une armature connectée à l'entrée inverseuse du deuxième amplificateur et une autre armature reliée par un troisième commutateur (I3) soit à la sortie du deuxième amplificateur pendant la première phase soit à la masse pendant la deuxième phase; - une cinquième capacité (C5) reliée entre le point de jonction de la première capacité (Cl) et du premier commutateur (I1) et l'entrée inverseuse du deuxième amplificateur;; - un premier transistor à effet de champ (Dl) ayant sa grille reliée à son drain, monté entre l'entrée inverseuse et la sortie du premier amplificateur; - un deuxième transistor à effet de champ (D2) ayant sa grille reliée à son drain, connecté entre la sortie du premier amplificateur et le noeud A, le noeud A étant relié à la masse pendant la première phase - un quatrième commutateur (I4) pour court-circuiter la sortie et l'entrée inverseuse du premier amplificateur pendant l'une des phases d'échantillonnage, et un cinquième commutateur (15) pour court-circuiter la sortie et l'entrée inverseuse du deuxième amplificateur pendant l'autre phase. 2. Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une sixième capacité (C6) et un commutateur supplémentaire (18) pour connecter la sortie du deuxième amplificateur à cette capacité pendant la première phase. 3. Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième capacité a une valeur double de la cinquième.