Brevet FR2606953A1 — publié le 19880520

Circuit d'amplification à gain variable et son application à un dispositif de controle automatique de gain". La présente invention concerne un circuit d'ampli- fication dont l'étage d'entrée est muni d'une commande de gain et dont la sortie de signal préamplifié présente sur une borne active d'une résistance de charge est à une tension dont le niveau continu est stabilisé par des moyens appropriés compor- tant un générateur de courant continu variant à l'opposé du courant moyen de sortie de l'étage d'entrée et dont le courant est appliqué également à la résistance de charge de sorte que la somme des courants continus la traversant soit constante, moyens qui compensent les effets de la commande de gain sur le point moyen de fonctionnement de l'étage d'entrée. Le principe consistant à faire varier le gain d'un transistor bipolaire par un changement de point moyen de fonc- tionnement, (courant de repos) est bien connu et largement utilisé. S'il offre l'avantage de la simplicité, il présente cependant l'inconvénient de provoquer sur la borne active de la résistance de charge, des variations très importantes de tension continue qui rendent l'exploitation ultérieure du si- gnal très difficile, notamment si on désire utiliser un ampli- ficateur large bande à liaison directe. Il a donc été proposé de stabiliser par des moyens appropriés le niveau continu en sortie de l'étage d'entrée, ces moyens utilisant notamment un générateur de courant conti- nu variant à l'opposé du courant moyen du transistor amplifi- cateur et dont le courant est appliqué également à la résis- tance de charge du transistor amplificateur de sorte que la somme des courants continus la traversant soit constante. Un circuit d'amplification de ce type est connu du document de brevet US-A-3 678 406. Il est basé sur la proprié- té de similitude de caractéristique de transistors bipolaires identiques et utilise notamment un miroir de courant. - 2 - Dans la mesure o cette similitude est imparfaite la stabilisation du niveau continu de sortie de l'amplifica- teur connu est elle-même imparfaite et l'amplification ulté- rieure du signal ne peut pas être poursuivie, en liaison di- recte, à un niveau de gain très élevé. De plus, les variations de gain que l'on peut obtenir ne sont pas aussi étendues qu'on pourrait le désirer selon cette technique connue qui ne s'ap- plique que dans le cas d'un étage d'entrée à transistor bipo- laire. L'invention vise à fournir un circuit d'amplifica- tion à gain variable ne présentant pas ces inconvénients et qui ne soit pas limité à l'utilisation d'un transistor bipo- laire en tant qu'étage d'entrée. L'invention concerne également une application de ce circuit à un dispositif de commande automatique de gain. Selon la présente invention, un circuit d'amplifi- cation tel que défini en préambule est notamment caractérisé en ce que les moyens de stabilisation du niveau continu com- portent en outre: - un amplificateur différentiel à gain élevé dont une première entrée est connectée à la borne active de la résistance de charge, et une deuxième entrée connectée à une tension conti- nue de référence, - et un filtre passe-bas qui reçoit en entrée le signal d'une sortie de l'amplificateur différentiel et délivre en sortie un signal pour une commande du générateur de courant dans un sens tel que le courant délivré par ce générateur soit appliqué en contre-réaction sur la première entrée de l'amplificateur différentiel. Un tel circuit d'amplification peut être utilisé quelle que soit la nature de son étage d'entrée indifféremment à transistor bipolaire ou à effet de champ. Il assure une sta- bilisation de la tension continue de sortie d'autant meilleure que le gain de l'amplificateur différentiel est élevé. Les caractéristiques du filtre passe bas sont aisé- ment déterminées en tenant compte de la limite basse de la -3- bande des fréquences à transmettre et du temps de réponse dé- siré de la stabilisation du niveau continu de sortie lors- qu'une variation brusque est appliquée à la commande de gain de l'étage d'entrée. Dans le cas d'application du circuit selon l'inven- tion o la commande de gain intervient par des variations len- tes dans le temps, (réglage quasi statique tel qu'une compen- sation de vieillissement par exemple), le filtre passe-bas peut se réduire avantageusement à un simple circuit R-C à constante de temps grande vis-à-vis de la limite basse de la bande de fréquence à transmettre. Le circuit d'amplification selon l'invention est particulièrement bien adapté à une utilisation dans le domaine de l'amplification de signaux numériques très faibles en com- binaison avec un étage d'entrée constitué par un transistor à effet de champ à deux grilles. On profite alors des performan- ces supérieures en ce qui concerne le bruit très faible de ce type de transistor et la plage très étendue de variation pos- sible du gain. Il est à noter que le signal alternatif amplifié peut être prélevé en tout point de la chaine d'amplification depuis la borne active de la résistance de charge jusqu'à la sortie de l'amplificateur différentiel. D'un point de vue pratique, une solution optimale consiste à prélever la partie alternative et amplifiée du si- gnal à un étage intermédiaire de l'amplificateur différentiel, ce signal prélevé pouvant être, si nécessaire, amplifié à nou- veau par un étage d'amplification distinct de la voie d'ampli- fication aboutissant au filtre passe-bas. L'invention concerne également un dispositif de contrôle automatique de gain utilisant le circuit d'amplifica- tion ainsi défini, caractérisé en ce qu'une sortie de l'ampli- ficateur différentiel constitue une borne de sortie pour le signal amplifié et controlé en niveau, le même signal étant appliqué à l'entrée d'une chaîne d'éléments en cascade, com- prenant d'abord un détecteur de crête, puis un comparateur et un autre filtre passe-bas, la commande de gain de l'étage -4- d'entrée étant fournie par la sortie de ladite chaîne d'élé- ments. L'invention sera mieux comprise par la description détaillée qui suit, en regard des diagrammes schématiques an- nexés, dans lesquels: - la figure 1 donne un chéma de principe du circuit d'amplifi- cation selon l'invention et, - la figure 2 indique le schéma d'un dispositif de contrôle automatique de gain utilisant le circuit d'amplification de la figure 1. Le circuit d'amplification de la figure 1 comporte un étage d'entrée 1 délivrant un signal préamplifié sur une borne active 11 d'une résistance de charge Rc. L'étage d'en- trée est alimenté à partir des deux bornes de tension d'ali- mentation V0 et V1. L'étage d'entrée 1, qui peut être à un ou plusieurs transistors, possède une borne d'entrée de signal 12 ainsi qu'une commande de gain 13 pouvant faire varier le gain de cet étage d'entrée par variation du point de fonctionnement d'au moins un transistor de cet étage. L'étage d'entrée 1 est du genre selon lequel la commande de gain produit une varia- tion concomitante du courant moyen de sortie de cet étage ap- pliqué à la résistance de charge Rc, de telle sorte que la tension présentée par la borne active 11 de la résistance de charge Rc a un niveau de tension continu qui varie dans de larges proportions en l'absence de tout autre moyen de com- pensation. Pour effectuer une stabilisation du niveau continu moyen sur la borne active 11 de la résistance de charge Rc on peut associer à ce circuit un générateur de courant S commandé de telle sorte que son courant varie à l'opposé du courant mo- yen de sortie de l'étage d'entrée, ce courant étant également appliqué à la résistance de charge Rc de sorte que la somme Io des courants I1 traversant l'étage d'entrée 1 et 12 débité par le générateur de courant S, soit constante. Selon l'invention, les moyens de stabilisation du niveau continu de sortie de l'étage d'entrée 1 comportent en outre un amplicateur différentiel A à gain élevé, dont une - 5 première entrée 15 est connectée à la borne active 11 de la résistance de charge Rc et une deuxième entrée 16 est connec- tée à une tension continue de référence VR1. Un filtre passe- bas F reçoit sur son entrée le signal de sortie de l'amplifi- cateur différentiel A et délivre en sortie un signal pour la commande du générateur de courant S, l'entrée 15 ou l'entrée 16 de l'amplificateur différentiel A étant choisie non-inver- seuse ou inverseuse de manière à ce que le courant délivré par le générateur de courant S soit appliqué en contre-réaction sur la première entrée 15 de l'amplificateur différentiel A. La tension de la borne active 11 de la résistance de charge Rc a donc un niveau continu qui se trouve d'autant plus stabilisé que le gain de l'amplificateur différentiel A est élevé. En cas de besoin on pourrait également interposer entre le filtre passe-bas F et le générateur de courant S un amplificateur supplémentaire améliorant encore le degré de stabilité de la borne active 11 sans être gêné par le signal alternatif ampli- fié. Le générateur de courant S peut être un transistor bipolaire dont l'impédance de collecteur sera grande devant la valeur de la résistance de charge Rc, et ne perturbera pas le signal amplifié. La fréquence de coupure du filtre passe-bas F est choisie en tenant compte du temps de réponse désiré pour la stabilisation du niveau continu de la borne active 11 compte tenu de la limite basse de la gamme des fréquences à transmet- tre. Le signal amplifié peut être prélevé soit sur la borne active 11 de la résistance de charge Rc soit encore sur la borne de sortie 18 de l'amplificateur différentiel A soit en- core en tout point intermédiaire d'amplification au sein de l'amplificateur différentiel A lorsqu'il comporte plusieurs étages d'amplification. La figure 2 présente un schéma d'application du circuit d'amplification de la figure 1, à un dispositif de contrôle automatique de gain. Dans la mesure du possible des repères numériques identiques à ceux de la figure 1 ont été - 6 - utilisés pour des éléments semblables ayant la même fonction. L'étage d'entrée du circuit amplificateur est ici constitué d'un transistor T1 à effet de champ à deux grilles G1, G2, la grille G1 étant connectée à la borne d'entrée de signal 12 et la grille G2 recevant la commande de gain 13. Le drain du transistor T1 est relié à la tension d'alimention Vo via la résistance de charge Rc. Comme il est connu, on peut faire varier le gain du transistor T1 dans de très grandes proportions en agissant sur la grille G2 ce qui entraîne que le courant continu de repos de ce transistor varie également dans de larges proportions. Pour compenser ces variations, un transistor T2 est disposé en générateur de courant dont le collecteur est relié à la borne active 11 de la résistance de charge Rc et également à l'entrée non-inverseuse de l'amplifi- cateur différentiel A, celui-ci pour des raisons qui sont ex- pliquées ultérieurement est divisé en deux portions, une por- tion d'entrée A1, et une portion de sortie A2 tandis qu'à la sortie de la portion A2 le filtre passe-bas est ici simplement constitué par une résistance 20 en série dans la base du tran- sistor T2 et un condensateur 21 connecté en parallèle entre la base du transistor T2 et la tension d'alimentation V1. Il est à noter qu'en général, la résistance 20 peut être constituée, en fait, par la résistance de sortie de la portion A2 de l'am- plificateur différentiel A. On a également fait figurer une résistance 22 en série dans l'émetteur du transistor T2, ré- sistance qui améliore la linéarité de fonctionnement du cir- cuit mais cette résistance n'est pas strictement indispensable et dépend des caractéristiques de l'amplificateur différentiel A. L'amplificateur différentiel A comporte une troisième por- tion A3 dont l'entrée de signal est connectée à un stade in- termédiaire d'amplification entre les portions A1 et A2 d'am- plification et délivre sur la borne de sortie 25 le signal al- ternatif amplifié par le circuit d'amplification. Le prélèvement du signal alternatif à un stade in- termédiaire d'amplification est précisément nécessaire lorsque la résistance 20 du filtre passe-bas de type R-C est consti- -7- tuée par l'impédance de sortie de la portion d'amplification A2. Le dispositif de contrôle automatique de gain est complété par un détecteur de crête 26 connecte à la sortie de la troi- sième portion A3 de l'amplificateur différentiel suivi d'un comparateur 27. Le niveau de signal à la sortie du détecteur 26 qui se réfère à une tension de référence VR2 est comparé à celle-ci augmenté d'une tension de seuil VT. Le signal de sor- tie du comparateur 27 est un courant proportionnel à l'écart à l'entrée de ce comparateur. Ce courant commande un miroir de courant CM référencé à la tension d'alimentation VO, qui déli- vre le courant recopié sur une résistance de polarisation 30 connectée par ailleurs à une tension d'alimentation V2, qui pour des raisons de commodité, peut être différente de la ten- sion d'alimentation V1. En parallèle sur la résistance de polarisation 30 est connecté un condensateur 31 qui forme avec la résistance un filtre de type R-C, la tension développée sur ce filtre étant appliquée à la commande de gain du transistor T1 sur la grille 2. La constante de temps du contrôle automatique de gain est choisie de préférence de valeur inférieure à la constante de temps du filtre d'asservissement constitué par la résistance 20 et le condensateur 21. La commande de gain au moyen d'un miroir de courant est avantageuse du fait qu'elle permet une très grande variation de tension de commande, en combinaison avec la possibilité de réglage de la tension d'alimentation V2 par rapport à la tension d'alimentation V1. Dans la réalisation représentée à la figure 2, le filtre passe-bas nécessaire à la commande de gain est réalisé après la sortie du comparateur 27. Cependant, il est clair que ce filtre pourrait être tout aussi bien interposé entre le dé- tecteur de crête 26 et le comparateur 27. Avantageusement, le dispositif de la figure 2 est réalisé pour sa part essentielle sous forme d'un circuit intégré monolithique, la partie intégrée étant représentée à l'intérieur du cadre en tirets 35. Le transistor.T1 est de préférence un transistor à effet de champ à l'arséniure de -8 gallium qui présente d'excellentes caractéristiques de bruit et de fréquence de coupure. Pour cette raison il est placé à l'extérieur de la partie intégrée représentée dans le cadre , laquelle partie est réalisée en silicium selon une techno- logie apparentée à la logique ECL. La résistance de polarisa- tion 30 qui a été présentée comme élément extérieur de la par- tie intégrée peut dans certains cas, et si on le désire, être intégrée. Un dispositif tel que représenté à la figure 2, est particulièrement bien adapté à l'amplification de signaux nu- mériques tels qu'ils apparaissent à la sortie d'un détecteur de fibre optique pour des communications numériques à une vi- tesse de 140 Mbits/sec. - 9 - REVENDICATIONS 1. Circuit d'amplification dont l'étage d'entrée est muni d'une commande de gain et dont la sortie de signal préam- plifié présente sur une borne active d'une résistance de char- ge est à une tension dont le niveau continu est stabilisé par des moyens appropriés comportant un générateur de courant continu variant à l'opposé du courant moyen de sortie de l'é- tage d'entrée et dont le courant est appliqué également à la résistance de charge de sorte que la somme des courants conti- nus la traversant soit constante, caractérisé en ce que les moyens de stabilisation du niveau continu comportent en outre: - un amplificateur différentiel à gain élevé dont une première entrée est connectée à la borne active de la résistance de charge, et une deuxième entrée connectée à une tension continue de référence, - et un filtre passe-bas qui reçoit en entrée le signal d'une sortie de l'amplificateur différentiel et délivre en sortie un signal, pour une commande du générateur de courant dans un sens tel que le courant délivré par le générateur soit appliqué en contre-réaction sur la première entrée de l'amplificateur différentiel. 2. Circuit d'amplification selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre passe-bas est de type R-C. 3. Circuit d'amplification selon l'une des revendica- tions 1 ou 2 caractérisé en ce que l'étage d'entrée est cons- titué par un transistor à effet de champ à deux grilles. 4. Dispositif de contrôle automatique de gain utili- sant le circuit d'amplification selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une sortie de l'amplificateur dif- férentiel constitue une borne de sortie pour le signal ampli- fié et contrôlé en niveau, le même signal étant appliqué à l'entrée d'une chaîne d'éléments en cascade, comprenant d'a- bord un détecteur de crête, puis un comparateur et un autre filtre passebas, la commande de gain de l'étage d'entrée étant fournie par la sortie de ladite chaîne d'éléments. - 10 - 5. Dispositif de CAG selon la revendication 4 en com- binaison avec un circuit d'amplification selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que le courant de sortie du compara- teur est transformé en tension de commande de la deuxième grille du transistor à effet de champ par l'effet d'un miroir de courant alimentant une résistance de polarisation, et en ce que ledit autre filtre passe-bas de la chaine d'éléments est constitué par un condensateur en parallèle sur cette résistan- ce de polarisation.