Brevet FR2660509A1 — publié le 19911004

Etage différentiel de sortie d'équipement électronique La présente invention concerne les équipements électroniques et a plus particulièrement pour objet un étage différentiel de sortie de tels équipements. Les étages différentiels de sortie d'équipements électroniques comportent habituellement un transformateur permettant d'obtenir une tension de sortie différentielle indépendante des conditions de raccordement de leurs accès de sortie. Le principal problème posé par un tel transformateur, notamment dans le cas d'équipements audiofréquence, est sa taille, ce problème étant aggravé par le fait que ses caractéristiques, en bande passante, en variation du niveau de sortie avec la charge, et en distorsion harmonique sont d'autant meilleures qu'il est encombrant. On connait également des étages différentiels de sortie d'équipements électroniques, notamment audiofréquence, ne comportant pas de transformateur Ils sont, à l'inverse des précédents, peu encombrants mais ont pour inconvénient que le niveau de sortie dépend du raccordement effectué Par exemple, si l'une des sorties est mise à la masse, chaque accès de sortie contribuant pour moitié à la tension de sortie différentielle, celle-ci est divisée par deux. La présente invention a pour objet un étage différentiel de sortie d'équipement électronique ne comportant pas de transformateur et permettant néanmoins d'obtenir une même tension de sortie différentielle quelles que soient les conditions de raccordement de ses accès de sortie: accès relié à la masse, accès à vide, accès chargés. La présente invention a également pour objet un étage différentiel de sortie d'équipement électronique audiofréquence permettant d'éviter, dans le cas d'une mise à la masse d'un accès de sortie, une éventuelle distorsion de la tension différentielle de sortie. La présente invention a pour objet un étage différentiel -2- de sortie d'équipement électronique, constitué sous forme d'un quadripôle comportant deux voies reliant chacune une entrée à une sortie, essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'élaboration d'une tension de contre-réaction de chaque voie sur l'autre, et des moyens pour former pour chaque voie, une tension de sortie de cette voie égale à une combinaison linéaire, identique pour chacune des voies, de la tension d'entrée de cette voie et desdites tensions de contre-réaction. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un étage différentiel de sortie suivant l'invention suivant un premier mode de réalisation; la figure 2 est un schéma détaillé d'un exemple de ce premier mode de réalisation; la figure 3 est un schéma détaillé d'un étage différentiel de sortie suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une représentation symbolique de l'étage différentiel de sortie selon la figure 3. L'étage différentiel représenté sur la figure 1 est constitué sous forme de quadripôle dont les accès de sortie sont repérés A et B, la tension différentielle de sortie étant égale à VA VB o VA désigne la tension au point A, et VB la tension au point B Les accès d'entrée de ce quadripôle sont repérés "a" et "b", v et v désignant respectivement la tension en ces points. a b Ce quadripôle comporte, sur la voie a-A reliant les accès "a" et A, un sommateur la, à deux entrées à coefficients de pondération respectifs çC> 1 et c 2 b affectée du coefficient 3. Il découle des relations ( 1), ( 2), ( 3), ( 4) les relations suivantes: V3A l 4 va 2 4 v RB +v RA a 2 4 VRB VRA -4- ( 3 V 3 = -l ( 4 Vb + 24RA VRB et par soustraction O 3 VA 3 B= â 1 K 4 v +( l 4 vb _'2 " 4 v RB + 2 p 4 v RA -B VRB + VR v +v Avec les conditions suivantes sur les coefficients à O LX 3 -I 3 X Yo = k D 10 2 = 0 o et 2 sont des constantes positives ou négatives, les tensions de sortie VA et VB des voies a-A et b-B sont alors chacune égale à une même combinaison de la tension d'entrée de leur voie et des tensions de contreréaction v RA et v RB et leur différence s'écrit: VA VB = k(va vb) ( 5) Cette relation montre que la tension de sortie différentielle VA VB ne dépend alors, pour k donné, que de la tension différentielle d'entrée v vb et est donc la même quelles que soient les conditions ab de raccordement des accès de sortie A et B. Notamment lorsque la sortie B est mise à la masse, on obtient toujours VA =k( va Vb), VB étant égale à O, et de même lorsque la sortie A est mise à la masse, on obtient toujours VB = k(vb va), VA étant égal à O. Un exemple de réalisation détaillé de l'étage de sortie' différentiel représenté sur la figure 1, permettant d'obtenir la relation VA VB =k( v vb), est représenté sur la figure 2. AB a Vb' Dans cet exemple de réalisation, le sommateur la est un amplificateur différentiel monté en additionneur au moyen d'un ensemble de résistances R 1 a, R 2 a, R 3 a, R 4 a. Le sommateur lb est de même un amplificateur différentiel -5- monté en additionneur au moyen d'un ensemble de résistances Rîb, R 2 b, R 3 b' R 4 b- Le sommateur 2 a est un amplificateur différentiel monté en soustracteur au moyen d'un ensemble de résistances R 5 a, R 6 a' R 7 a, R 8 a. Le sommateur 2 b est de même un amplificateur différentiel monté en soustracteur au moyen d'un ensemble de résistances R 5 b, R 6 b, R 7 b X R 8 b. L'amplificateur différentiel la est plus précisément monté de la façon suivante Sur son entrée additive, repérée "+", sont appliquées d'une part la tension d'entrée va, à travers la résistance R 3 a, et d'autre part la tension de contre-réaction v RB' à travers la résistance R Sur son entrée soustractive, repérée 4 a "-", sont appliqués d'une part le potentiel de référence, repéré OV, à travers la résistance R 2 a, d'autre part sa propre tension de sortie vs As à travers la résistance de contre-réaction Rîa. L'amplificateur différentiel 2 a est monté de la façon suivante Sur son entrée additive sont appliqués d'une part le potentiel de référence OV, à travers la résistance R 6 a' d'autre part la tension de sortie VA, à travers la résistance R 5 a Sur son entrée soustractive sont appliquées d'une part la tension v s A de sortie de l'amplificateur différentiel la, à travers la résistance R 7 a, d'autre part sa propre tension de sortie, à travers la résistance de contre-réaction R 8 a. Le montage des amplificateurs différentiels lb et 2 b est obtenu de façon analogue à celui qui vient d'être décrit pour les amplificateurs la et 2 a, en remplacant les indices "a" et "A" par les indices "b" et B On notera que les tensions "d'offset" des amplificateurs peuvent être éliminées en plaçant des condensateurs en série avec les résistances R 4 a et R 4 b' La résistance r est par ailleurs disposée sur la voie a-A a entre les bornes des résistances RS et R 7 a La résistance r b est de même disposée sur la voie b B entre les bornes des résistances R 5 b et R 7 b' Les valeurs des résistances utilisées dans ce montage sont telles que -6- Rla = R 2 a R 3 a R 4 a R = R a 6 a R 7 a = R 8 a Rlb= R 2 b R 3 b = R 4 b R 5 b = R 6 b R R 7 b = R 8 b Dans ces conditions les relations ( 1), ( 2), ( 3), ( 4) sont vérifiées avec * 011 2 = 23 = =-3 1 et ' 4 = = les tensions de sortie VA et VB des voies a-A et b-B s'écrivent VA = v + (VRB+ VRA) a VRB R VB = vb + (VRA +VRB) et leur différence s'écrit: VA VB = va vb la constante k étant alors égale à 1. Avec le montage de la figure 2 il peut cependant se produire une distorsion de la tension différentielle de sortie lorsqu'un des accès de sortie est mis à la masse. En effet, dans le cas d'une mise à la masse d'un des accès de sortie, l'accès B par exemple, la sortie de l'amplificateur correspondant, soit dans l'exemple considéré l'amplificateur lb, se trouve reliée à la masse à travers une résistance très faible La tension vb étant inchangée, le courant demandé, vs B/rb égal à (vb +v RA)/rb, peut devenir supérieur au courant maximal que l'amplificateur lb est capable de délivrer, ce qui entraîne une limitation de la tension v s B fournie par celui-ci qui n'est plus alors égale à la somme des tensions vb et v RA et des distorsions apparaissent alors sur la sortie du montage restée active, en l'occurence sur la sortie A Dans certains cas il peut même se produire une détérioration de l'amplificateur concerné. Une solution pour s'affranchir de cet inconvénient serait de -7surdimensionner les amplificateurs la et lb. Une autre solution, plus intéressante, pour s'affranchir de cet inconvénient est fournie par le montage représenté sur la figure 3. Ce montage comporte, outre les éléments du montage de la figure 2, repérés par les mêmes références, deux amplificateurs différentiels 3 a et 3 b insérés respectivement sur les voies a-A et b-B, respectivement en série avec la résistance ra, entre les bornes des résistances R 5 a et R 7 a, et en série avec la résistance rb, entre les bornes des résistances R b et R 7 b' Les amplificateurs différentiels 3 a et 3 b sont montés de manière à tendre à annuler leur tension de sortie lorsque l'accès de sortie correspondant du montage est mis à la masse-, tout en évitant une saturation de ces amplificateurs différentiels. L'amplificateur 3 a est plus précisément monté de la façon suivante Son entrée additive est connectée d'une part à la sortie de l'amplificateur la par l'intermédiaire d'une résistance R 10 et d'autre part à la sortie de l'amplificateur 2 a par l'intermédiaire d'une résistance R Son entrée soustractive est connectée d'une part au potentiel de référence OV par l'intermédiaire d'une résistance Rîîa et d'autre part à sa propre sortie par l'intermédiaire d'une résistance de contre-réaction R 12 a. L'amplificateur 3 b est monté de façon analogue à ce qui vient d'être décrit pour l'amplificateur 3 a, en remplaçant les-indices "a" par les indices "b". On obtient alors pour les amplificateurs 3 a et 3 b les équations suivantes, en désignant vs A et par vs B les tensions de sortie respectives des amplificateurs 3 a et 3 b et par v' et Vyb respectivement la tension de sortie des amplificateurs la et lb VI a R 9 a + 'RA Rl Oa Rlla v A ( 6) R 9 a + R 1 Oa lla 12 a v Ib 9 Rbv RB Rl Ob Rîb =v B ( 7) R 9 b +R 1 Ob llb 12 b -8- En posant: R 12 a 1 + a Rlla R 9 a x a Rl Oa R 12 b 1 ± 1 b gb Rllb R 9 b xb, Rl Ob les équations ( 6) et ( 7) deviennent: X a 1 Vs A = vga + VRA ga ( 8) 1 + x l+x a a Xb 1 v B = v'b ggb v RB ( 9) 1 + xb 1 + xb b Les équations de fonctionnement des amplificateurs la et 2 a s'écrivent: va +VRB = v'a ( 11) v ' +v RA=VA ( 10) et les équations de fonctionnement des amplificateurs lb et 2 b: -9- vb + VRA b ( 13) Ib RB B ( 12) On retrouve, à partir des équations ( 10) et ( 11) et des équations ( 12) et ( 13), comme dans le cas de montage de la figure 2 VA = Va + (VRB + RA) VB =Vb + (v RA +VRB) et par suite v v - VA VB = Va vb et ceci- indépendamment des valeurs de ga', gb, x et-xb Pour des a raisons de symétrie on choisit avantageusement ga= gb = g x = x = x a D En remplacant v RA et v RB par les expressions: v RA = VA (va + RB) v RB B (vb + v RA) déduites des équations ( 10), ( 11), ( 12) et ( 13) et v' et v'b par leurs expressions données par les équations ( 11) et ( 13), dans les équations ( 8) et ( 9), on obtient alors gx r g v SA = (va + v RB)A +v RB)J ( 14) v SA Va +VRB)1 + x 1 +x gx r I g Vs B = (vb + v RA) + x (vb + v RA)x ( 15) Contrairement au cas du montage de la figure 2, dans le cas d'une mise de l'un des accès de sortie, par exemple l'accès B, à la masse, c'est-à-dire donc pour VB = 0, on obtient: (cf équation ( 15) avec VB = 0): gx g vs B = (b + v RA) -(vb + v RA) soi + x soit -10- g Vs B = (vb + VRA) (x-) + x Les résistances R 9, RO 10, R 1 l, et R 12 sont choisies de manière à avoir: x = 1 + avec O g I' 2 Dans ces conditions, la tension v B est limitée à: s B Vs B= (vb + v RA) On voit que dans ce cas le courant, v B/rb égal à (v B+v RA) rb, demandé à l'amplificateur relié à l'accès de sortie B à travers la résistance rbet qui est donc ici l'amplificateur 3 b est diminué du facteur par rapport au cas du montage de la figure 2 Ceci permet d'éviter la saturation de l'amplificateur 3 b sans qu'il soit nécessaire de le surdimensionner. Bien entendu, un résultat analogue est obtenu pour l'amplificateur 3 en cas de mise de l'accès de sortie A à la a masse. Comme on vient de le voir, la relation: VA VB = v -b est vérifiée indépendamment des valeurs de x et xbet de ga et gb' cependant les tensions de contre-réaction v RA et v RB étant rebouclés sur elles-mêmes, respectivement à travers les résistanes R 9 a et R 9 b, et l'une sur l'autre, ce montage présente un risque d'instabilité. La condition de stabilité est liée au gain en boucle ouverte de ces tensions de contre-réaction, calculé en absence des tensions d'entrée v et vb. a -11- Pour que le montage reste stable, le gain en boucle ouverte T doit être tel que: | T 1 Ce gain est exprimé par le rapport v R As/v R Ae o v R As est la tension de contre-réaction de sortie consécutive à une tension de contre-réaction d'entrée v R Ae comme illustré sur la figure 4, o les amplificateurs la, lb, 2 a, 2 b, 3 a' 3 b sont représentés symboliquement par la fonction de sommation qu'ils réalisent et o sont également notés les coefficients x 1 et l+x l+x appliqués aux entrées des sommateurs 3 a et 3 b et g appliqués à leur sortie. Les équations décrivant le montage sont: v R As =v RB F v RB = v RA F soit v R/V F 2 R As R Ae o F caractérise la fonction réalisée par les sommateurs et les coefficients appliqués sur chaque voie. En posant: VA VB = = pour r = rb s A s B On peut écrire RB = s B R Ae g gx vs B = RB + VR Ae l+x l+x -12- On en déduit g x (l+x) F= l+x g -La condition de stabilité est: l VR As/v R Ae 1 ce qui revient à -1 ( F La satisfaction de cette condition conduit à deux possibilités: soit x)> 1 et gg 2 soit 2 L'étude de la stabilité de la boucle formée sur chaque voie par le rebouclage de la sortie du sommateur 2 ou 2 b sur une entrée du ab sommateur 3 ou 3 b qui peut être faite de façon analogue à celle qui a b vient d'être faite pour la boucle globale du montage, conduit à la condition supplémentaire: gé et g( 2 - -13- C'est-à-dire, pour proche de 1 (par valeur inférieure) R 12 a Rlia et R 12 bs = 1 -C R 12 b Rllb avec O {t O O Dans le cas de conditions de fonctionnement symétriques pour les deux voies a-A et b-B, la fonction F ayant la même valeur pour les deux voies, les tensions v' et vb' peuvent s'écrire: a b V' = V a l+F v'b = -v l+F -14- Pour éviter un éventuel risque de saturation des amplificateurs la et lb, les tensions v I' et vb' ne doivent pas a b dépasser 2 v en valeur absolue, ce qui conduit, en tenant compte de la condition de stabilité 1 (F à la condition 1 %F ( 1 Dans le cas o l'un des accès de sortie, l'accès B par exemple, est mis à la masse, la fonction F relative à la voie B est égale à -1, le rapport VB/v B étant nul, et la valeur de la fonction F relative à la voie A est proche de celle du cas précédent Les tensions v' et Vb s'expriment alors par: a ' b v' = 2 v a 1 +F v'b = v 1 F 1 +F La condition que les tensions v' Vy ne dépassent pas 2 v en valeur absolue, impose que F ne soit pas négatif, ce qui conduit après développement et compte tenu de la condition de stabilité g ( 1 + x à la condition 1 1 + x g z >> x d soit sensiblement pour proche de 1 (par valeur inférieure) l+x g > x -15- Dans le cas o un montage symétrique est souhaité pour l'étage différentiel de la figure 3, les résistances Rl à R 12 sont respectivement choisies de mêmes valeurs mominales d'une voie à l'autre. Du fait de l'imprécision sur les valeurs réelles des composants, il peut malgré tout y avoir des dissymétries entre les contributions de l'accès de sortie A et de l'accès de sortie B pour l'obtention de la tension différentielle de sortie VA VB. L'effet de cette imprécision peut-être minimisé en prenant F= O c'est-à-dire l+x 9 o = x soit sensiblement pour proche de 1 l+x g = x c'est-à-dire sensiblement R 12 R 1 O R Ul R 9 Les montages ainsi décrits ont été présentés avec des tensions v et vb appliquées à leurs entrées "a" et "b" En prenant v = v vb et en l'appliquant sur l'entrée "+" de la voie a-A et sur l'entrée "-" de la voie b-B, le comportement de ces montages reste inchangé Cette modification évite un étage supplémentaire en amont pour la création des tensions v et vb' Ces montages peuvent par ailleurs être complétés par des éléments de protection (transit, diode, thermistance) en série avec les résistances ra et rb, ce qui permet d'obtenir des niveaux de protection équivalents à ceux obtenus avec les montages à transformateur. Les niveaux de protection sont par ailleurs identiques en -16- mode commun et en mode différentiel, en raison de la symétrie des ces montages. De plus, si les deux accès de sortie sont réunis à la masse, la tension de sortie vs A, VB de chaque voie est limitée, ce qui assure une limitation de la puissance délivrée par les amplificateurs de sortie. -17- Revendications: 1/ Etage différentiel ( 1) de sortie d'équipement électronique constitué sous forme d'un quadripôle comportant deux voies (a-A, b-B) reliant chacune une entrée (a, b) à une sortie (A, B), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'élaboration d'une tension de contre-réaction de chaque voie sur l'autre, et des moyens pour former pour chaque voie une tension de sortie de cette voie égale à une combinaison linéaire, identique pour chacune des voies, de la tension d'entrée de cette voie et desdites tensions de contre-réaction. 2/ Etage différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, sur chacune des voies, un premier moyen (la, lb) pour ajouter à la tension d'entrée de la voie considérée la tension de contre-réaction de l'autre voie sur la voie considérée, et un second moyen ( 2 a, 2 b) pour retrancher la tension de sortie de la voie considérée de la tension de sortie du premier moyen, la tension de sortie dudit deuxième moyen constituant la tension de contre-réaction de la voie considérée sur l'autre voie. 3/ Etage différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen comporte un premier amplificateur différentiel monté en additionneur, et en ce que le deuxième moyen comporte un deuxième amplificateur différentiel monté en soustracteur. 4/ Etage différentiel selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, sur chaque voie, entre la sortie du premier amplificateur différentiel (la, lb) et la sortie de la voie, un moyen supplémentaire ( 3 a, 3 b) permettant simultanément, lorsque la sortie de la voie est mise à la masse, de maintenir inchangée la tension de sortie dudit premier amplificateur différentiel, et d'obtenir une tension de sortie très faible pour ce moyen supplémentaire. ) Etage différentiel selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moyen supplémentaire comporte un moyen pour ajouter à la tension de sortie du premier amplificateur différentiel de la voie considérée la tension de contre-réaction de la voie considérée sur l'autre voie. 6) Etage différentiel selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen pour ajouter à la tension de sortie du premier amplificateur différentiel de la voie considérée la tension de -18- contre-réaction de la voie considérée sur l'autre voie comporte un troisième amplificateur différentiel ( 3 a, 3 b) monté au moyen d'un ensemble de résistances R 9, R 1 O, Rll, R 12 de manière à réaliser la relation: v'R 9 + v RR 10 R R + R S R + 1 R 9 10 hil 12 o v désigne la tension de sortie de ce troisième amplificateur différentiel, v' la tension de sortie dudit premier amplificateur différentiel sur la voie considérée et v R la tension de contre-réaction de la voie considérée sur l'autre voie, avec R 9 1 + _ (avect t 4) R 1 O R 12 1 -& (avec O '"h) Rîl 7) Etage différentiel selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits premier, deuxième et troisième amplificateurs différentiels des deux voies sont respectivement montés de façons identiques d'une voie à l'autre avec des résistances ayant respectivement mêmes valeurs nominales d'une voie à l'autre et lesdites résistances R 9, R 1 O, Rîl et R 12 de chaque voie sont choisies de telle sorte que l'on ait sensiblement: R 12 R 1 O Rîl R 9