Brevet FR2642213A1 — publié le 19900727

ECHANTItLONNEUR-BLOQUEUR PRECIS ET RAPIDE La présente invention concerne la réalisation de circuits échantillonneurs -bloqueurs, notamment en technologie bipolaire. Un échantillonneur-bloqueur est un circuit qui peut recevoir un signal analogique, et fournir un signal de sortie découpé à une fréquence d'échantillonnage F; le signal de sortie est en escalier, chaque marche d'escalier représentant le niveau du signal analogique bloqué pendant une période d'échantfflonnage. Un échantillonneur bloqueur est constitué essentiellement par un interrupteur en série avec une capacité; le signal analogique est appliqué aux bornes de la capacité pendant une première phase d'un signal périodique; la capacité se charge à la valeur de la tension analogique du signal; puis l'interrupteur est ouvert pendant une deuxième phase du signal périodique; la capacité garde alors en mémoire le niveau de tension jusqu'8 la fermeture suivante de l'interrupteur, c'est-à-dire jusqu'à la première phase de la période suivante; la période d'échantillonnage est la somme de la durée de fermeture (première phase) et de la. durée d'ouverture (deuxième phase) de l'interrupteur, La capacité est généralement suivie d'un amplificateur suiveur à grande impédance d'entrée qui évite que la capacité ne se décharge pendant la phase d'ouverture de l'interrupteur. Pour améliorer la précision de l'échantffloneur bloqueur, on prévoit de préférence que le circuit est rebouclé par un amplificateur différentiel selon le schéma classique de la figure 1. Sur la figure 1, l'échantillonneur bloqueur comprend donc un amplificateur différentiel AD; une première entrée de l'amplificateur est connectée à l'entrée E de l'échantillonneur et reçoit donc un signal analogique à échantillonner; une deuxième entrée de l'amplificateur différentiel est connectée à la sortie S de l#échantillonneur#bloqueur, La sortie de l'amplificateur est reliée à une extrémité d'un interrupteur K relié par ailleurs à une capacité C et à l'entrée d'un l'amplificateur suiveur AS. La capacité est connectée entre l'interrupteur et une masse électrique (masse par rapport à laquelle est référencée la tension analogique sur l'entrée E). L'interrupteur est actionné par un signal logique périodique CLK à la fréquence d'échantillonnage F: il est ouvert pendant une première phase et fermé pendant une deuxième phase à chaque période d'échantillonnage. Dans la technique antérieure, l'interrupteur est réalisé selon plusieurs manières possibles. On peut d'abord le réaliser en technologie CMOS; il est alors constitué de deux transistors en parallèle, l'un à canal N, l'autre à canal P, commandés respectivement par deux signaux logiques complémentaires à la fréquence F. Cette solution est limitée au domaine des fréquences faibles et moyennes à cause des capacités parasites inhérentes aux technologies MOS. Si en outre on veut que l'échantfflonneur soit précis, il sera préférable que les amplificateurs AD et AS soient réalisés en technologie bipolaire, ce qui impose une technologie hybride (association de circuits-intégrés MOS et de circuits-intégrés bipolaires) ou une technologie intégrée mixte MOS/bipolaire (technologie BiCMOS). Une autre solution consiste à réaliser l'interrupteur à l'aide de quatre diodes commandées en courant. Le schéma d'échantillonneur bloqueur correspondant est représenté sur la figure 2. On prévoit deux groupes de deux diodes; les groupes sont en parallèle; dans chaque groupe il y a deux diodes en série. Les quatre diodes ont le même sens de conduction. L'ensemble des deux groupes en parallèle est placé entre deux sources de courant SCI et SC2 commandées par le signal d'écilantillonnage CLK; l'entrée de l'interrupteur est située au point milieu entre deux diodes en série; la sortie est le point milieu de l'autre groupe de diodes en série. La commande de l'lnterrrupteur est le signal CLK à fréquence F (fréquence d'échantillonage) qui commande la conduction simultanée des sources de courant SCI et SC2 pendant une -première phase et l'interruption simultanée de la conduction pendant une deuxième phase. Lorsque les sources de courant sont en service, les diodes sont conductrices. et présentent toutes la même chute de tension à leurs bornes; les potentiels de l'entrée et de la sortie de l'interrupteur stéquilibrent; il y a bien transmission de la tension de sortie de l'amplificateur différentiel AD vers la capacité. Lorsque les sources de courant sont désactivées, aucun courant ne parcourt les diodes; l'entrée de l'interrupteur est complètement isolée de sa sortie car on trouve deux diodes tête-bêche en série entre l'entrée et la sortie de l'interrupteur; le potentiel de sortie de l'amplificateur différentiel AD est complètement isolé de la capacité; celle-ci ne peut se décharger. Cette solution est très bonne pour les applications à grande vitesse car la commutation de courant dans les diodes peut être extrêmement rapide. Mais la précision est conditionnée par l'appariement des diodes; cela tend à imposer une solution en technologie hybride dans laquelle les diodes sont des éléments discrets (non-intégrés) qui peuvent être appariés à volonté. Une autre difficulté réside dans la nécessité de commuter rigoureusement simultanément les deux sources de courant. Un but de l'invention est de réaliser un échantillonneur-bloqueur qui soit à la fois rapide et précis, et qui ne présente pas les Inconvénients ou difficultés de réalisation des technologies antérieures. Selon l'invention, on propose de réaliser un échantillonneur bloqueur qui comprend un interrupteur pour transmettre à une capacité une tension analogique à échantillonner, cet interrupteur étant constitué par deux diodes en parallèle tête-bêche, l'échantillonneur bloqueur comprenant une source d'alimentation en courant des diodes, active lorsque l'interrupteur doit être fermé, et un amplificateur suiveur commande, connecté de manière à ramener à une borne du groupe de diodes une tension sensiblement égale à la tension présente à l'autre borne, cet amplificateur étant actif lorsque l'interrupteur doit être ouvert, l'activation de la source d'alimentation en courant des diodes et de l'amplificateur suiveur étant commandée par un signal de commande d'échantillonnage. Le circuit est commandé par un signal à fréquence d'échantillonnage F qui possède un premier état logique servant à rendre active une source de courant débitant dans les diodes, et un deuxième état logique rendant inactive la source de courant et rendant simultanément actif l'amplificateur suiveur pour établir une tension nulle au quasi-nulle aux bornes des diodes. Lorsque la source de courant est active, les diodes alimentées en courant se comportent comme un quasi court-circuit (une des diodes conduit dans un sens, l'autre dans l'autre sens), à l'exception du fait que les diodes introduisent une chute de tension en direct (tension de coude des diodes); on verra que cette chute de tension n'a pas d'importance.Lorsque l'amplificateur suiveur est actif, il est connecté de manière à ramener une différence de potentiel nulle (ou en tout cas inférieure à la tension de coude des diodes) aux bornes du groupe de diodes; dans ces conditions, les diodes ne peuvent pas conduire de courant; elles se comportent comme un circuit ouvert isolant la capacité de l'entrée de signal analogique. On remarquera que les commutateurs à quatre diodes des échantillonneurs bloqueurs de la technique antérieure ne fonctionnent pas comme cela: ils sont rendus conducteurs par mise en service d'une source de courant et bloqués par l'interruption du courant, sans annulation de la tension aux bornes des diodes; ici, l'interrupteur est bloqué par l'application d'une tension nulle aux bornes des diodes. Dans une réalisation, le circuit échantillonneur bloqueur selon l'invention comprend un amplificateur différentiel à sortie en courant pour alimenter les diodes et un amplificateur suiveur de tension pour ramener une tension nulle ou quasi-nulle aux bornes des diodes. De préférence, ces deux amplificateurs sont alimentés en énergie par une source de courant unique qui peut être commutée de l'un à l'autre par le signal d'échantillonnage, de sorte que l'un ou l'autre des amplificateurs est activé mais non les deux à la fois. L'amplificateur différentiel à sortie en courant pourra comprendre une première entrée constituant l'entrée du circuit échantillonneur bloqueur (recevant un signal analogique à échantillonner > , et une deuxième entrée connectée à la sortie de l'échantillonneur. La sortie de l'amplificateur différentiel sera connectée à une extrémité du groupe de deux diodes tête-bêche. L'autre extrémité du groupe de diodes sera reliée à la capacité. L'amplificateur suiveur de tension sera relié entre la sortie de l'échantillonneur et la première extrémité du groupe de diodes. Un amplificateur à grande impédance d'entrée pourra être connecté entre la capacité et la sortie de l'échantillonneur pour que la capacité ne se décharge pas lorsque la sortie de l'échantillonneur est elle-même connectée à une charge. L'amplificateur suiveur servant à annuler la tension aux bornes des diodes est de préférence un amplificateur différentiel ayant deux entrées et une sortie; une première entrée est reliée à sa sortie (c'est-à-dire aux diodes); la deuxième entrée est reliée à la sortie de l'échantillonneur (de préférence après l'amplificateur à grande impédance d'entrée, mais pas obligatoirement) . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 déjà décrite représente un schéma de principe classique d'un échantillonneur bloqueur de la technique antérieure; - la figure 2 représente un schéma de réalisation de la technique antérieure, utilisant un interrupteur à quatre diodes; - la figure 3 représente un schéma de ltéchantillonneur bloqieur selon l'invention; - la figure 4 représente un exemple de réalisation détaillée en technologie bipolaire. On ne reviendra pas sur les figures 1 et 2 déjà décrites, représentant l'art antérieur. Sur la figure 3, on a donné aux éléments qui ont la même fonction qu'aux figures 1 et 2 les mêmes références. C'est le cas en particulier pour l'entrée E, la sortie S de l'échantillonneur, et pour le signal de commande d'échantillonnage CLK; c'est le cas également pour l'amplificateur différentiel de rebouclage AD, pour la capacité C, et pour l'amplificateur de sortie à grande impédance d'entrée AS qui est connecté entre la capacité et la sortie S. Comme aux figures 1 et 2, l'amplificateur de rebouclage AD comporte une première entrée connectée à l'entrée E de l'échantfflonneur et une deuxième entrée connectée à la sortie S de l'échantfflonneur. On peut noter toutefois que cette deuxième entrée pourrait être connectée à l'entrée de l'amplificateur de sortie AS (c'est-à-dire directement à la capacité C > sans changer le principe de fonctionnement puisque la sortie de l'amplificateur suiveur AS reproduit la tension à son entrée. La sortie de l'amplificateur AD est connectée à une première borne B1 d'un groupe de deux diodes D1, D2, tête-bêche en parallèle. La deuxième borne B2 du groupe de diodes est reliée à la capacité C. Le groupe de deux diodes constitue l'interrupteur permettant de transmettre périodiquement à la capacité C, pendant une première phase de chaque période, une tension analogique à échantillonner, et permettant, pendant- une deuxième phase, d'isoler la capacité. On verra plus loin comment l'interrupteur ainsi constitué est commande à la fréquence d'échantillonnage par le signal de commande d'échantillonnage CLK. L'amplificateur différentiel AD est un amplificateur à sortie en courant, c'est-à-dire que lorsqu'il existe un déséquilibre entre ses entrées il fournit un courant de sortie non nul, ceci quel que soit l'impédance de charge à sa sortie, De cette manière, même si l'impédance présentée par les diodes D1, D2 en série avec la capacité est élevée un déséquilibre entre les entrées de AD provoquera un courant de charge ou décharge de la capacité C à travers le groupe de diodes. La diode D1 conduira le courant si c'est une charge, et la diode D2 le fera si c'est une décharge. L'amplificateur différentiel AD ntest -toutefois rendu actif que pendant la première phase du signal CLX (par exemple pendant le niveau haut de CLK). Pendant la deuxième phase (niveau bas de CLK), il sera rendu Inactif, c'est-à-dire que quel que soit le déséquilibre entre les entrées de l'amplificateur, il ne fournira pas de courant de sortie; - plus exactement il ne fournira pas de courant d'une manière active en fonction du déséquilibre, et en particulier il ne se comportera à sa sortie ni comme une source de courant ni comme une source de tension. Dans une variante de réalisation, on pourrait cependant imaginer une solution dans laquelle l'amplificateur différentiel AD est commandé par le signal CLK pour passer alternativement d'une configuration à sortie en courant à une configuration à sortie en tension, à condition toutefois que la configuration à sortie en tension s'accompagne de l'établlssement de connexions telles que sa sortie (borne B1) fournisse alors une recopie de la tension présente sur la borne B2 Dans ce dernier cas, l'amplificateur ADI dont on va maintenant parler devient inutile : l'ensemble AD, AD1 est remplacé par- un amplificateur unique à deux configurations possibles. Pour revenir au cas général où une sortie en courant et une sortie en tension sont fournies par deux amplificateurs différentiels AD et AD1, on voit sur la figure 3 que l'amplificateur AD1 est monté en suiveur de tension. Il comporte une première entrée reliée à sa sortie et à la borne B1 s et une deuxième entrée reliée à la sortie S de l'amplificateur de sortie AS (mais elle pourrait aussi être reliée à l'entrée de l'amplificateur AS). La tension de sortie fournie par cet amplificateur suiveur AD1 suit la tension de la borne B2. L'amplificateur ADI n'est toutefois activé que pendant la deuxième phase de chaque période d'échantillonnage. Pendant la première phase, il est rendu inactif, c'est-à-dire que sa sortie ne se comporte ni comme une source de tension ni comme une source de courant. On a représenté sur la figure 3 une connexion entre l'entrée de signal CLK et l'amplificateur AD, et une connexion avec un inverseur entre l'entrée de signal CLK et ltamplificateur AD1, pour indiquer la commande d'activation complémentaire de ces amplificateurs à la fréquence F. Dans la première phase, l'amplificateur AD à sortie en courant fournit un courant dans les diodes et dans la capacité (courant de charge ou de décharge) jusqu'à ce que les potentiels soient équilibrés sur ses deux entrées, c'est à dire Jusqu a ce que la tension de sortie Vs en S (qui est la tension aux bornes de la capacité) soit égale à la tension Ve sur l'entrée E. Pendant ce temps l'amplificateur AD1 ne se comporte pas en suiveur de tension et n'impose donc pas sur la borne B1 une tension déterminée. La capacité prend en mémoire le niveau de tension analogique d'entrée Ve. Pendant la deuxième phase, l'amplificateur AD ne fournit plus activement de courant et il n'impose donc plus de courant dans les diodes D1 et D2. Mais l'amplificateur AD1 impose sur la borne B1 la même tension que sur la borne BZ, c'est à dire la tension prise en mémoire par la capacité C. La tension entre les bornes B1 et B2 est alors nulle ou quasi-nulle. Ces diodes présentent une impédance très élevée et ne permettent plus de charge ou décharge de la capacité. Le tension en sortie S se maintient à la valeur prise en mémoire, ceci Jusqu'à l'apparition d'un nouveau signal d'échantillonnage. La commutation peut être très rapide et précise, en technologie bipolaire tout particulièrement. La commutation reste cependant stable, sans risque d'oscillation même à une fréquence élevée, car les diodes n'introduisent pas de pôles dans les fonctions de transfert échantillonées du circuit. La figure 4 représente une réalisation détaillée en technologie bipolaire; cette réalisation correspond étroitement à la représentation schématique de la figure 3, mais on verra que les amplificateurs AD et ADI sont en fait imbriqués l'un dans l'autre; ils ont des parties communes. Sur la figure 4, on a représenté dans un cadre tireté simple AD1 (celui qui est activé pendant la deuxième phase ou phase de maintien de la tension aux bornes de la capacitéC). Et on a représenté dans une cadre tireté double l'amplificateur AD (celui qui est activé pendant la première phase ou phase de prise en mémoire de la tension d'entrée). On voit clairement quelles sont les parties communes aux deux amplificateurs: c'est l'intersection des deux cadres. Ces deux amplificateurs ont des structures très classiques données simplement à titre d'exemple. L'amplificateur AD comprend deux branches différentielles alimentées par une source de courant commune SC à travers un interrupteur d'activation constitué par un transistor TA. Le transistor TA est commandé par le signal d'horloge CLK; il est rendu conducteur pendant la première phase de chaque période d'échantillonnage. La première branche différentielle comprend un premier transistor d'entrée TE en série avec un premier transisotr de charge TC. La deuxième branche différentielle comprend un deuxième transistor d'entrée T'B en série avec un deuxième transistor de charge T'C. Les transistors d'entrée ont leurs émetteurs reliés à la source de courant SC; leur collecteur est relié au transsitor de charge respectif; la base du transistor d'entrée TE est reliée à l'entrée E de l'échantillonneur; la base du transistor d'entrée T'B est reliée à la sortie S de l'échantillonneur bloqueur.L'ensemble des deux transsitors de charge TC et T'C forme un miroir de courant qui impose que le courant traversant T'C soit identique au courant qui traverse TC; TC est le transsitor pilote, T'C est le transistor de recopie : les bases de TC et T'C sont réunies, les émetteurs sont réunis, et les collecteurs sont reliés aux collecteurs des transistors d'entrée respectifs, TB pour TC et T'B pour T'C. Le collecteur et la base de TC sont reliés (montage en diode). La sortie de l'amplificateur différentiel AD est prélevée sur les collecteurs réunis des transistors T'B et T'C de la deuxième branche différentielle. Cette sortie est reliée à la borne B1 d'entrée de l'interrupteur formé par les diodes D1 et D2. Lorsque l'amplificateur AD est activé par la mise en conduction du transistor TA, un courant traverse les deux branches différentielles. Si les tensions à l'entrée E et à la sortie S sont égales, le courant se répartit de manière équilibrée entre les deux branches différentielles. Si les tensions sont déséquilibrées, alors le courant se répartit de manière déséquilibrée dans les transistors d'entrée TB et T'B. Mais comme les courants doivent rester identiques dans les transistors de charge TC et T'C montés en miroir de courant, il faut que la différence s'évacue quelque part: un courant de déséquilibre sort nécessairement par la borne B1 qui est la seule voie d'évacuation possible de ce déséquilibre. Ce courant alimente la capacité à travers les diodes D1 ou D2 (selon le sens du déséquilibre) jusqu a ce que l'équilibre revienne, c'est-à-dire jusqu a ce que Ia- tension sur la sortie S soit égale à la tension sur l'entrée E. On accomplit ainsi la phase de prise en mémoire dans la capacité C de la tension présente sur l'entrée de signal E. L'amplificateur AD est bien un amplificateur à sortie en courant, en ce sens que le déséquilibre des tensions d'entrée se traduit par l'apparition d'un courant à évacuer par la borne de sortie B1 mais pas directement par une tension définie sur la borne Bî. C'est ce qui permet de charger ou décharger la capacité rigoureusement jusqu'a obtenir exactement une même tension en S et en E. L'amplificateur AD1 est tout-à-fait similaire à l'amplificateur AD; il a en commun avec lui les éléments SC (source de courant) et les transistors de charge montés en miroir de courant TC et T'C. Il comprend par ailleurs un autre transistor d'activation TA1 monté entre la source de courant SC et deux branches différentielles. Le transistor TA1 est activé à travers un inverseur Il par le signal CLK, de sorte que les brancehes différentielles de l'amplificateur ADI sont alimentées en courant lorsque les branches différentielles de AD ne le sont pas et réciproquement. Un seul des amplificateurs est mis en service à la fois. L'amplificateur AD1 comprend donc deux branches différentielles; la première comprend un premier transistor d'entrée TB1 en série avec le transistor de charge TC. La deuxième comprend un deuxième transistor d'entrée TB'1 en série avec le transistor de charge T'C. Les émetteurs de TB1 et TB'1 sont réunis à la source de courant SC à travers le transistor d'activation TAI. La première entrée différentielle - de l'amplificateur AD1 est la base du transsitor TBI. Elle est reliée à la sortie S de l'éehantillonneur conformément au schéma de la figure 3. La deuxième entrée est la base du transistor TB'1; elle est reliée au collecteur de ce même transistor car ce collecteur constitue la sortie de l'amplificateur ADI.Comme la sortie de l'amplificateur AD, la sortie de l'amplificateur AD1 est reliée à la borne B1 de l'interrrupteur à diodes. Bien que le montage de l'amplificateur - AD1 soit très similaire à celui de l'amplificateur ÀD, on comprendra qu'il ne fonctionne pas tout-à-fait pareil à cause du rebouclage direct de sa sortie sur sa deuxième entrée différentielle:: cela veut dire que lorsqu'un courant de déséquilibre est produit par suite du déséquilibre entre les tensions présentes en S (première entrée différentielle). et en B1 (deuxième entrée différentielle), ce courant trouve une porte de sortie autre que les diodes D1 et D2 il est réinjecté immédiatement dans la base du transistor TB'1 jusqu a rétablissement de ltéquilibre. En ce sens, l'amplificateur. ADI fonctionne bien, lorsqu'il est activé, en suiveur de tension maintenant sur sa sortie B1 la même tension que sur son entrée S. Les tensions en B1 et S sont identiques; les tensions en B1 et B2 sont donc aussi identiques; la tension aux bornes des diodes est nulle ou quasi-nulle; elles présentent alors une impédance quasi-infinie empêchant la charge ou la décharge de la capacité. On vérifiera aisément que lorsque ADÏ n'est pas activé, le courant de déséquilibre de l'amplificateur AD ne peut s'évacuer que par les diodes et pas par TB1 ou TB'1, grâce au fait que pendant ce temps le transistor TA1 est complètement bloqué. Réciproquement, lorsque l'amplificateur AD n'est pas activé, les transistors TB et T'B ne perturbent pas le fonctionnement de l'amplificateur suiveur ADI, car ils ne consomment pas de courant. REVENDICATIONS 1. Echantillonneur bloqueur qui comprend un interrupteur pour transmettre à une capacité (C) une tension analogique (Ve) à échantillonner, caractérisé ~ en ce que l'interrrupteur est constitué par deux diodes (D1, D2) en parallèle tête-bêche, l'échantillonneur bloqueur comprenant une source d'alimentation en courant (AD) des diodes, active lorsque l'interrupteur doit être fermé, et un amplificateur suiveur commandé (AD1), connecté de manière à ramener à une borne (Bl) du groupe de diodes une tension sensiblement égale à la tension présente à l'autre borne (B2), cet amplificateur étant actif lorsque l'interrupteur doit être ouvert, l'activation de la source d'alimentation en courant des diodes et de l'amplificateur suiveur étant commandée par un signal de commande d'échantillonnage (CLK). 2. Echantillonneur bloqueur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de courant commandée est un amplifleateur différentiel à sortie en courant (AD) dont la sortie est reliée à l'interrupteur. 3. Echantillonneur bloqueur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur différentiel à sortie en courant et l'amplificateur suiveur sont alimentés en énergie par une source de courant unique (SC) qui peut être commutée de l'un à l'autre par le signal d'échantillonnage, de sorte que l'un ou l'autre des amplificateurs est activé mais non les deux à la fois. 4. Echantillonneur bloqueur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'amplificateur différentiel à sortie en courant comporte une première entrée reliée à l'entrée (E) de l'échantillonneur, une deuxième entrée connectée à la sortie (S) de ltéchantillonneur, et une sortie connectée à une extrémité (B1) du groupe de deux diodes tête-bêche, l'autre extrémité de ce groupe étant reliée à la capacité (C). 5. Echantillonneur bloqueur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'amplificateur différentiel à sortie en courant comprend deux branches différentielles, chaque branche comprenant un transistor d'entrée en série avec un transistor de charge, les transistors de charge étant montés en miroir de courant, l'un d'eux étant monté en diode et l'autre recopiant le courant dans le premier, la sortie étant prise sur le transistor de recopie. 6. Echantillonneur bloqueur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplificateur suiveur de tension est relié entre la sortie (S) de l'écbantillonneur et la première extrémité du groupe de diodes. 7. Echantillonneur bloqueur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un amplificateur à grande impédance d'entrée est connecté entre la capacité et la sortie de l'échantillonneur.