Brevet FR2604835A1 — publié le 19880408

AMPLIFICATEUR A CAPACITES COMMUTEES A GAIN ELEVE La présente invention concerne les circuits à capacités commutées et plus précisément un amplificateur à capacités commutées. Les circuits à capacités commutées sont des circuits dans lesquels le traitement de l'information se fait par des transferts de charges électriques périodiques entre des capacités, à une fréquence d'échantillonnage élevée par rapport à la bande passante des signaux à traiter. Un schéma classique d'amplificateur à capacités commutées est représentée à la figure 1. Le circuit comprend un amplificateur différentiel classique à grand gain et grande impédance d'entrée. Une capacité d'entrée C1 est connectée d'une part à l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel (qui a aussi une entrée noninverseuse reliée à la masse), et d'autre part, par l'intermédiaire d'un commutateur I1, soit à la masse soit à l'entrée E du circuit. Le circuit d'amplification à capacités commutées comprend par ailleurs une capacité de rebouclage C2, connectée d'une part à l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel et d'autre part, par l'intermédiaire d'un commutateur 12, soit à la sortie de l'amplificateur différentiel, soit à la masse. Enfin, un commutateur I3 permet de court-circuiter l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur différentiel. La sortie S de l'amplificateur différentiel constitue la sortie du circuit d'amplification à capacité commutées. Le fonctionnement du circuit est le suivant: - dans une phase initiale, la tension d'entrée à amplifier est appliquée à la capacité d'entrée C1 par le commutateur I1, pendant que la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel sont court-circuitées par l'interrupteur I3 et pendant que le commutateur I2 connecte la capacité de rebouclage C2 à la masse;; - dans une phase finale, l'interrupteur I3 est ouvert pour décourt-circulter la sortie et l'entrée de l'amplificateur, après quoi la capacité C1 est déconnectée de l'entrée E et connectée à la masse par le commutateur I1 pendant que la capacité de rebouclage C2 est déconnectée de la masse et connectée par le commutateur I2 à la sortie de l'amplificateur AMP. Les charges stockées sur les capacités C1 et C2 pendant la phase initiale se répartissent lors de la phase finale d'une manière telle qu'à la fin de la phase finale la sortie de l'a.nplificateur opérationnel se trouve portée à un potentiel Vout = Vin. C1/C2 si Vin est le potentiel appliqué à l'entrée E pendant la phase initiale. Ce circuit constitue donc bien un amplificateur de gain C1/C2. Pour des raisons d'ordre technologique, on peut difficilement envisager de faire sur un mème circuit intégré, avec une précision suffisante, à la fois des capacités de très petite valeur et des capacités de très grande valeur. La limite pratique du rapport C1/C2 est pratiquement de l'ordre de 50. Pour réaliser des amplificateurs à capacités commutées de plus grand gain, on est conduit à mettre en cascade plusieurs circuits comme celui de la figure 1, avec un amplificateur opérationnel pour chacun de ces circuits. La présente invention propose un nouveau type de circuit à capacités commutées permettant d'obtenir un grand gain avec un seul amplificateur opérationnel. Le circuit d'amplification à capacités commutées selon l'invention comprend un amplificateur différentiel, une capacité commutée d'entrée, une capacité commutée de rebouclage, une entrée et une sortie; il comporte en outre deux capacités commutées supplémentaires en série l'une avec l'autre, l'une des capacités ayant une armature connectée à la sortie du circuit et une autre armature connectée à l'autre capacité supplémentaire qui est par ailleurs reliée à une masse du circuit, avec en outre des commutateurs pour établir périodiquement les liaisons suivantes:: - mise à la masse dans une première phase du point de jonction entre les deux capacités suppleNmentaires ainsi que de la sortie du circuit et d'une armature de la capacité de rebouclage, et court-circuitage de la sortie et de l'entrée de l'amplificateur différentiel; - décourt-circuitage de la sortie et l'entrée de l'amplificateur différentiel et déconnection entre le point de jonction des capacités et la masse, puis déconnection entre la sortie du circuit et la masse , et établissement d'une connection d'une part entre la sortie de l'amplificateur différentiel et la sortie du circuit, d'autre part entre la capacité de rebouclage et le point de jonction des deux capacités supplémentaires. On aboutit ainsi à un circuit qui fonctionne comme un amplificateur et dont le gain est supérieur à celui du circuit de la figure 1 dans un rapport qui est essentiellement au moins égal au rapport entre la somme des valeurs des deux capacités supplémentaires et la valeur de celle des deux capacités supplémentaires qui est reliée à la sortie du circuit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit et qu est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente un amplificateur à capacités commutées de la technique antérieure; - la figure 2 représente le schéma de principe de la présente invention. Pour faciliter la comparaison entre les schémas de la figure 1 et de la figure 2, on a gardé les mêmes références pour les éléments de circuit qui sont communs aux deux schémas. Le circuit de la figure 2 comprend donc un amplificateur opérationnel AMP qui a les mèmes propriétés que celui de la figure 1, grand gain et forte impédance d'entrée, cet amplificateur ayant une entrée non-inverseuse reliée à une masse de circuit et une entrée inverseuse qui sert d'entrée de signal à cet amplificateur. Le circuit d'amplification comprend une entrée E pour recevoir une tension analogique Vin à amplifier, et une sortie S pour fournir, à intervalles périodiques définis par la fréquence d'échantillonnage du circuit, une tension amplifiée Vout. Une capacité commutée d'entrée C1 est prévue entre l'entrée du circuit et l'entrée de l'amplificateur AMP; une capacité commutée de rebouclage C2 est prévue entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur AMP. La capacité C1 est commutée grâce à un commutateur Il actionné périodiquement à la fréquence d'échantillonnage du circuit. La capacité C2 est commutée grâce à un commutateur I2 actionné à la mème fréquence Le commutateur I1 permet de relier une armature de la capacité C1 soit à l'entrée E du circuit pendant une phase a soit à la masse pendant une phase b; l'autre armature de la capacité C1 est reliée à l'entrée inverseuse de I'amplificateur AMP; le commutateur I2 permet de relier une armature de la capacité C2 soit à la masse pendant la phase a soit au point de jonction A de deux capacités supplémentaires C3 et C4 pendant la phase b. L'autre armature de la capacité C2 est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur AMP. Un commutateur I3 permet de relier directement l'entrée inverseuse de l'amplificateur AMP à sa sortie (désignée par B), ceci pendant une phase a'. Les phases a et a' sont pratiquement identiques à l'exception du fait que la phase a' doit se terminer très légèrement avant la phase a pour que le commutateur I3 s'ouvre légèrement avant que le commutateur Il ne change d'état. Les phases a et b sont complémentaires et non recouvrantes en ce sens que l'armature de la capacité C1 ne doit pas ètre connectée à la fois à la masse et à l'entrée E. Le circuit selon l'invention comprend encore les deux capacités supplémentaires mentionnées ci-dessus. Ces capacités sont en série l'une avec l'autre entre la masse et la sortie S du circuit. La capacité C3 a une armature reliée à la sortie S et son autre armature est reliée, par l'intermédiaire d'un commutateur I4, à la masse. Le commutateur I4 est fermé pendant la phase a' et ouvert le reste du temps. La capacité C4 a une armature reliée à la masse et son autre armature reliée au point A donc au commutateur I4. Enfin, un commutateur I5 permet de relier la sortie S du circuit soit à la masse pendant la phase a soit à la sortie B de l'amplificateur AMP pendant la phase b. Le circuit fonctionne de la manière suivante: si Voff est la tension de décalage de l'amplificateur AMP, c'est-à-dire la tension présente entre ses entrées lorsque sa sortie et son entrée inverseuse sont court-circuitées, slors, au cours de la phase a' on établit sur les capacités C1 et C2 une charge électrique globale Qi = C1 (Voff - Vin) + C2 Voff Cette charge reste isolée sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur à la fin de la phase a, c'est-à-dire après la fin de la phase a'. En mème temps, il s'établit sur les capacités C3 et C4 une charge nulle puisque les deux armatures de chacune d'elles sont mises à la masse. Pendant la phase b, on modifie les potentiels appliqués aux différentes capacités et la sortie S du circuit, reliée à ce moment à la sortie B de l'amplificateur AMP, prend un potentiel qui équilibre les charges des armatures des différentes capacités, en tenant compte du fait que - d'une part la somme des charges présentes sur les capacités C1 et C2 n'a pas pu varier et est donc toujours Q1 - et d'autre part la somme des charges des capacités C2, C3, et C4 est nécessairement égale à la charge primitive globale des capacités C3 et C4, c'est-à-dire zéro. On peut en déduire facilement que le potentiel qui s'établit sur la sortie S du circuit à la fin de la phase b est: Vout = Vin.(C1/C2).(C3 + C4)/C3 On a donc bien réalisé un circuit d'amplification qui fournit à la fin de la phase b une tension de sortie proportionnelle à la tension qui a été appliquée à l'entrée pendant la phase a. Le gain est nécessairement supérieur à celui que procurait le schéma de la figure 1. Avec un rapport de capacités C1/C2 de l'ordre de 20 et avec un rapport de capacités C3/C4 également de tordre de 20, on aboutit facilement à un gain global de 400 pour le circuit d'amplification selon l'invention. I1 faut noter que le calcul des valeurs de capacités nécessaires pour obtenir un gain déterminé doit prendre en compte les capacités parasites éventuellement présentes dans le schéma; ces capacités parasites sont notamment dues à la technologie de réalisation des commutateurs dans les circuits intégrés et on les retrouve en parallèle avec les capacités du schéma de la figure 2, notamment en parallèle sur la capacité C4. On peut noter que le schéma de la figure 2 permet d'obtenir un gain négatif au lieu d'un gain positif si on inverse les phases de commutation du commutateur I1 par rapport aux autres phases du schéma, c'est à dire si la capacité C1 est connectée à la masse pendant la phase a et à l'entrée E pendant la phase b. REVENDICATIONS 1. Circuit d'amplification à capacités commutées, comprenant un amplificateur différentiel, une capacité commutée d'entrée (C1), une capacité commutée de rebouclage (C2), une entrée et une sortie, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux capacités commutées supplémentaires (C3 et C4) en série l'une avec l'autre, l'une des capacités supplémentaires ayant une armature connectée à la sortie du circuit et une autre armature connectée à l'autre capacité supplémentaire qui est par ailleurs reliée à une masse du circuit, avec en outre tt des commutateurs pour établir périodiquement les liaisons suivantes:: - mise à la masse dans une première phase (a) du point de jonction (A) entre les deux capacités supplémentaires ainsi que de la sortie du circuit et d'une armature de la capacité de rebouclage, et court-circultage de la sortie (B) et de l'entrée de l'amplificateur différentiel; - décourt-circuitage de la sortie et l'entrée de l'amplificateur différentiel et déconnection entre le point de jonction (A) des capacités supplémentaires et la masse, puis, dans une deuxième phase (b), déconnection entre la sortie (S) du circuit et la masse , et établissement d'une connection d'une part entre la sortie de l'amplificateur différentiel et la sortie du circuit, d'autre part entre la capacité de rebouclage et le point de jonction des deux capacités supplémentaires. 2. Circuit d'amplification selon la revendication i, caractérisé en ce qu'il comporte un commutateur (I1) pour relier la capacité d'entrée (C1) soit à l'entrée (E) du circuit pendant la première phase, soit à la masse dans la deuxième phase. 3. Circuit d'amplification selon la revendication 1, caraetérisé en ce qu'il comporte un commutateur (I1) pour relier la capacité d'entrée (C1) soit à la masse pendant la première phase, soit à l'entrée (E) du circuit pendant la deuxième phase.