Brevet FR2667688A1 — publié le 19920410

i CIRCUIT D'ACQUISITION ULTRARAPIDE Description La présente invention a pour objet un circuit d'acquisition ultrarapide, c'est-à-dire fonctionnant dans une gamme de fréquences allant de 1 à 5 G Hz. Elle s'applique notamment à la détection de phénomènes ultrarapides. Pour permettre l'analyse du signal analogique délivré par un capteur suite à la détection d'un phénomène ultrarapide, ce signal est échantillonné. Pour une étude aussi précise que possible, la fréquence d'échantillonnage doit être d'autant plus élevée que le phénomène est rapide. On connait un circuit d'acquisition ultrarapide dont la description est donnée en référence à la figure 1 Le circuit comporte un module d'échantillonnage rapide 10 (fonctionnant dans une gamme de fréquences pouvant aller de 1 à 5 G Hz). Ce module 10 comprend un grand nombre (par exemple 1024) de cellules d'échantillonnage rapide 12 connectées à l'entrée du module 10 sur laquelle le signal à échantillonner SE est délivré. La figure 2 représente schématiquement une cellule d'échantillonnage rapide 12 connue Cette dernière comprend un interrupteur d'écriture 16 relié à un point de mémoire réalisé par un condensateur 18 L'échantillon stocké dans le point de mémoire est délivré sur une sortie par l'intermédiaire d'un amplificateur intermédiaire 20 ("Buffer" en terminologie anglo-saxonne). A nouveau sur la figure 1, on voit que chaque cellule d'échantillonnage 12 est reliée en sortie à un interrupteur de lecture 14 L'ensemble des interrupteurs de lecture 14 permet le multiplexage des signaux échantillonnés: ces interrupteurs 14 reliés entre eux délivrent le signal de sortie SS composé des échantillons réalisés par les cellules 12. Le circuit d'acquisition comprend encore un premier circuit de commande 22 permettant la fermeture des interrupteurs d'écriture contenus dans les cellules 12 successives et un second circuit de commande 24 permettant la fermeture successive des interrupteurs de lecture 14. Dans un tel circuit, l'échantillonnage est donc effectué à une fréquence comprise dans une gamme allant de I à 5 G Hz, c'est-à-dire que les fermetures de deux interrupteurs d'écriture 16 appartenant à des cellules 12 adjacentes sont séparées d'un intervalle de temps compris dans une gamme allant de 0,2 à 1 ns Par contre, la lecture est effectuée à une fréquence pouvant aller de 5 à 10 M Hz; c'est-à-dire que les fermetures de deux interrupteurs de lecture 14 reliés à deux cellules 12 adjacentes sont séparées d'un intervalle de temps compris dans une gamme allant de 0, 1 à 0,2 ms Un échantillon doit donc être stocké un certain temps dans un point de mémoire avant d'être lu. Or, les condensateurs 18 ont une capacité très faible (de l'ordre de 16 FF) et présentent un courant de fuite qui altère l'échantillon d'autant plus que le temps de stockage est long. D'autre part, un tel circuit comporte couramment 1024 cellules d'échantillonnage rapide 12 pour la réalisation de 1024 échantillons successifs. L'utilisation de ce grand nombre de cellules d'échantillonnage rapide entraîne une forte consommation électrique (environ 2 W). Un autre problème posé par ce type de circuit connu réside dans le fait que la géométrie du circuit ne permet pas une bonne occupation du substrat ("wafer" en terminologie anglo-saxonne) sur lequel est fabriqué le circuit Cela entraîne un mauvais rendement de fabrication et augmente les coûts. L'impédance caractéristique de quelques dizaines d'Ohms est mal adaptée pour un bon fonctionnement du circuit à une fréquence d'échantillonnage supérieure à 1 G Hz. Le but de la présente invention est de pallier ces différents inconvénients des circuits d'acquisition connus. Pour cela, l'invention préconise l'utilisation d'un nombre restreint de cellules d'échantillonnage rap-ide, chacune connectée à des cellules d'enregistrement aptes à maintenir un échantillon sans altération pendant un temps beaucoup plus long que les cellules d'échantillonnage. Les cellules d'enregistrement rattachées à une cellule d'échantillonnage enregistrent tour à tour les échantillons successifs et ceci à une fréquence lente par rapport à la fréquence d'échantillonnage: la technologie utilisée pour la fabrication de ces cellules lentes est bien maîtrisée et fiable. Les condensateurs de stockage utilisés dans les cellules d'enregistrement présentent des capacités grandes devant celles des condensateurs utilisés dans les cellules d'échantillonnage Les courants de fuite sont donc beaucoup plus faibles et le temps de maintien de l'information est beaucoup plus important. Les portes d'écriture déclenchant l'enregistrement dans les condensateurs de stockage des cellules d'enregistrement n'ont pas besoin d'être ultrarapides puisque celles-ci fonctionnent sur des échantillons formés D'autre part, le nombre de cel Lules d'échantillonnage rapide est restreint; on réduit ainsi la consommation électrique du circuit. Le temps de stockage des échantillons dans les cellules d'échantillonnage est de l'ordre de quelques nanosecondes, ce qui est très inférieur aux temps mis en jeu dans les dispositifs de l'art antérieur ( 0,1 à 0,2 ms) Le problème de l'altération de l'échantillon due aux courants de fuite est fortement réduit. Dans un dispositif selon l'art antérieur, le nombre d'échantillons est limité au nombre de cellules d'échantillonnage rapide Il n'en est rien conformément à l'invention Grâce à un jeu de démultiplication obtenu en ajoutant des cellules intermédiaires d'échantillonnage (qui ne sont pas ultrarapides) ou en multipliant les cellules d'enregistrement attachées à chaque cellule d'échantillonnage rapide, on peut augmenter à volonté le nombre d'échantillons réalisés La géométrie d'un dispositif conforme à l'invention constitue un autre avantage Elle est adaptée à l'implantation d'un nombre optimum de circuits sur un substrat semiconducteur, ce qui entraîne une amélioration du rendement de fabrication. De manière plus précise, la présente invention concerne un circuit d'acquisition comprenant un module d'échantillonnage rapide composé de plusieurs cellules d'échantillonnage rapide connectées à une entrée du circuit d'acquisition, chaque cellule d'échantillonnage rapide étant reliée par des moyens d'aiguillage à plusieurs cellules d'enregistrement. De manière préférée, les cellules d'échantillonnage rapide sont toutes reliées à un même nombre de cellules d'enregistrement. Selon une réalisation particulière, une cellule d'enregistrement comprend un interrupteur d'écriture connecté à une entrée d'un moyen d'enregistrement et un interrupteur de lecture connecté à une sortie du moyen d'enregistrement. Selon une variante de réalisation, les moyens d'aiguillage comportent une connexion de type filaire. Selon une autre variante de réalisation, Les moyens d'aiguillage comportent un module intermédiaire d'échantillonnage composé de plusieurs cellules d'échantillonnage connectées par une entrée à une sortie de la cellule d'échantillonnage rapide considérée. Selon une autre variante de réalisation, les moyens d'aiguillage comportent plusieurs modules intermédiaires d'échantillonnage, les cellules d'échantillonnage d'au moins un module intermédiaire étant chacune connectée à un module intermédiaire d'échantillonnage. 23 De manière avantageuse, un moyen multiplexeur est connecté aux cellules d'enregistrement. Selon une variante de réalisation permettant d'obtenir une fréquence d'échantillonnage ultrarapide à partir d'une horloge de synchronisation usuelle, le circuit comprend plusieurs ensembles d'acquisition reliés à l'entrée du circuit d'acquisition par des lignes à retard de retards différents, ces ensembles d'acquisition étant déclenchés de manière synchrone. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un circuit d'acquisition selon l'art antérieur; la figure 2, déjà décrite, représente schématiquement une cellule d'échantillonnage; la figure 3 représente, schématiquement, une première variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention; la figure 4 représente, schématiquement et partiellement, une seconde variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention; la figure 5 représente, schématiquement et partiellement, une troisième variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention; la figure 6 représente schématiquement une autre variante de réalisation d'un dispositif conforme à L'invention. La figure 3 représente schématiquement un circuit d'acquisition 30 Cet ensemble d'acquisition comporte un module d'échantillonnage rapide 10 composé de, par exemple, 16 cellules d'échantillonnage rapide 12 identiques à celles représentées sur la figure 2 et dont la description n'est pas reprise i ci Chaque cellule d'échantillonnage rapide 12 est reliée par une connexion de type "filaire" 32 à un même nombre, par exemple 64, de cellules d'enregistrement 34 Le nombre d'échantillons réalisés au cours d'une acquisition est égal au nombre total de cellules d'enregistrement 34, à savoir 1 024 dans cet exemple. Chaque cellule d'enregistrement 34 comprend un interrupteur d'écriture 36 connecté d'une part à une connexion 32 et d'autre part à un moyen d'enregistrement Ce dernier est composé par exemple d'un condensateur 38 dont une première borne est connectée à l'interrupteur 36 et la seconde borne est portée à un potentiel de référence, la masse par exemple Un amplificateur intermédiaire 40 est connecté d'une part à la première borne du condensateur 38 et, d'autre part à un interrupteur de lecture 42. Les interrupteurs de lecture 42 des cellules d'enregistrement 34 reliées à une même cellule d'échantillonnage 12 sont connectés entre eux et à une entrée d'un moyen multiplexeur 44 Ce moyen multiplexeur 44 peut être constitué d'interrupteurs 14 reliés chacun à une entrée du moyen multiplexeur 44 et tous à une sortie du moyen multiplexeur 44 pour la délivrance du signal de sortie SS comprenant les échantillons multiplexés. Le circuit d'acquisition comprend aussi un premier moyen 46 de commande des interrupteurs d'écriture 16 de cellules d'échantillonnage 12 et des interrupteurs d'écriture 36 des cellules d'enregistrement 34 Un second moyen 48 commande les interrupteurs de lecture 42 des cellules d'enregistrement 34 et le moyen multiplexeur 44. Ces premier et second moyens 46, 48 de commande sont commandés par un système d'armement et de déclenchement externe (non représenté) de manière à gérer le séquencement correct des phases d'écriture, de lecture, de déclenchement et d'arrêt de l'acquisition. Le signal SE est délivré sur une entrée du module d'échantillonnage 10 Pour la formation des échantillons, les interrupteurs 16 sont fermés à tour de rôle à une fréquence d'échantillonnage ultrarapide comprise dans une gamme allant de 1 à 5 G Hz, par exemple Lorsqu'un échantillon est formé dans un point de stockage (condensateur 18) d'une cellule d'échantillonnage 12, la fermeture d'un interrupteur d'écriture 36 permet la recopie de l'échantillon dans une cellule d'enregistrement 34. Cette opération de recopie intervient à une fréquence très inférieure à la fréquence d'échantillonnage (en fait cette fréquence d'enregistrement est égale à la fréquence d'échantillonnage divisée par le nombre de cellules d'échantillonnage 12); de plus, la fermeture des interrupteurs d'écriture 36 n'a pas besoin d'être ultrarapide puisque l'échantillon enregistré est déjà formé. D'autre part, les condensateurs 38 de capacité supérieure à celle des condensateurs 18 permettent le maintien sans altération de l'échantillon enregistré pendant un temps beaucoup plus long que le temps de stockage dans le condensateur 18 (de capacité faible, environ 16 FF) d'une cellule d'échantillonnage 12. Les échantillons formés par une cellule d'échantillonnage 12 sont donc successivement enregistrés dans les cellules d'enregistrement 34 connectées à cette cellule d'échantillonnage 12 La délivrance du signal SS formé par les échantillons est commandée par le moyen 48: les interrupteurs de lecture 42 sont fermés les uns après les autres successivement pour chaque cellule d'enregistrement connectée à une cellule d'échantillonnage différente. Les interrupteurs 14 du moyen multiplexeur 44 sont fermés successivement en synchronisme avec la fermeture des cellules d'enregistrement 34 auxquels ils sont connectés. Selon une variante de réalisation non représentée, les échantillons sont délivrés en parallèle: le dispositif ne comporte pas de moyen multiplexeur; les cellules d'enregistrement 34 reliées à une même cellule d'échantillonnage rapide 12 délivrent un échantillon les unes après les autres. La figure 4 représente schématiquement une vue partielle d'une seconde variante de réalisation d'un circuit d'acquisition selon l'invention Dans cette réalisation, chaque cellule d'échantillonnage rapide 12 est connectée à un module intermédiaire d'échantillonnage 50. Chacun de ces modules intermédiaires d'échantillonnage 50 comprend plusieurs cellules d'échantillonnage 52 possédant une structure identique aux cellules d'échantillonnage rapide 12 mais de caractéristiques différentes: la fréquence de fonctionnement des modules intermédiaires 50 est inférieure à la fréquence d'échantillonnage; elle est égale à la fréquence d'échantillonnage divisée par le nombre de cellules d'échantillonnage rapide 12 Ainsi, les interrupteurs d'écriture des cellules d'échantillonnage 52 composant un module intermédiaire n'ont pas à être ultrarapides. Chaque cellule d'échantillonnage 52 est connectée à plusieurs cellules d'enregistrement 34. On obtient ainsi une démultiplication qui permet 23 soit d'augmenter le nombre d'échantillons formés, soit pour un nombre donné d'échantillons, d'abaisser la fréquence de fonctionnement des cellules d'enregistrement 34. A titre d'exemple non limitatif, on peut citer une réalisation comportant 16 cellules d'échantillonnage rapide 12, 16 cellules d'échantillonage 52 composant un module intermédiaire , chaque cellule d'échantillonnage 52 étant connectée à 64 cellules d'enregistrement 34. Le dispositif comporte encore des moyens de commande non représentés assurant la fermeture et l'ouverture des divers interrupteurs, et la synchronisation de l'ensemble Les interrupteurs des cellules d'échantillonnage rapide sont fermés alternativement (un seul interrupteur est fermé à la fois). A chaque formation d'un échantillon dans une cellule d'échantillonnage rapide 12, l'échantillon est recopié dans une cellule d'échantillonnage 52 du module intermédiaire 50 puis enregistré dans une cellule d'enregistrement 34. Pour une cellule d'échantillonnage rapide 12 donnée, lorsque des échantillons sont enregistrés dans toutes les cellules d'enregistrement 34 connectées à une cellule d'échantillonnage 52 donnée, les échantillons suivants sont aiguillés vers les cellules d'enregistrement 34 connectées à la cellule d'échantillonnage 52 suivante L'acquisition est effectuée de manière permanente à partir d'un ordre de départ externe Les cellules d'enregistrement successives enregistrent des échantillons tant qu'aucun ordre d'arrêt externe n'est appliqué. A partir d'un signal de déclenchement externe, l'écriture est stoppée On procède ensuite à la lecture, par action sur les interrupteurs de lecture des cellules d'enregistrement et sur le moyen multiplexeur 44. Selon un autre mode de réalisation de cette variante, on peut omettre le moyen multiplexeur 44 et disposer ainsi de plusieurs sorties en parallèle. En référence à la figure 5, on décrit maintenant une autre variante de réalisation d'un circuit d'acquisition conforme à l'invention Chaque cellule d'échantillonnage rapide 12 est reliée à un premier module intermédiaire d'échantillonnage 50 a; chaque cellule d'échantillonnage 52 a du premier module intermédiaire est reliée à un second module intermédiaire d'échantillonnage 50 b comportant plusieurs cellules d'échantillonage 52 b Chaque cellule d'échantillonnage 52 b du second module intermédiaire 50 b est reliée à plusieurs cellules d'enregistrement 34. 1 1 On comprend que par le jeu de démultiplications obtenues par modules intermédiaires disposés en cascade, on peut augmenter considérablement le nombre d'échantillons sans aumgenter le nombre de cellules d'échantillonnage rapide. En référence à la figure 6, on décrit maintenant une autre variante de réalisation d'un circuit d'acquisition selon l'invention Le dispositif comprend deux ensembles 30 a et 30 b identiques entre eux et au dispositif décrit précédemment en référence à la figure 3. L'entrée du module d'échantillonnage 10 de l'ensemble 30 b est reliée à l'entrée du module d'échantillonnage 10 de l'ensemble 30 a par l'intermédiaire d'une ligne à retard 54. Le déclenchement des cellules d'échantillonnage rapide (non représentées sur la figure 6) des deux modules d'échantillonnage est synchrone: la première cellule de l'ensemble 30 a est déclenchée en même temps que la première cellule de l'ensemble 30 b; la seconde cellule de l'ensemble a est déclenchée en même temps que la seconde cellule de l'ensemble 30 b et ainsi de suite. Un moyen de commande 56 délivre des signaux d'horloge adressés aux interrupteurs d'écriture des cellules d'échantillonnage rapide des ensembles 30 a et 30 b en vue de leur fonctionnement synchrone. D'autres moyens de commande non représentés permettent la commande des interrupteurs des cellules d'enregistrement 34 et des moyens multiplexeurs 44. On comprend que la ligne à retard 54 permet d'entrelacer les échantillons formés par les ensembles a et 30 b Dans d'autres variantes de réalisation non représentées, cette ligne à retard peut être connectée différemment, par exemple entre les entrées des signaux SE et les entrées des signaux d'horloge ou bien répartie entre ces entrées A titre d'exemple non limitatif, on peut citer une réalisation avec une fréquence des signaux d'horloge égale à 2 G Hz. Pour un retard introduit par la ligne à retard égal à 250 ps, la fréquence d'échantillonnage résultante est de 4 G Hz. Sur la figure 6, on voit que les moyens multiplexeurs 44 délivrent des signaux de sortie S Sa et S Sb (respectivement pour l'ensemble d'acquisition 30 a et 30 b) Ces signaux de sortie comprennent les suites d'échantillons formés par chacun des ensembles d'acquisition Des moyens non représentés mais connus permettent éventuellement de réaliser un signal de sortie unique comportant les échantillons dans leur ordre de formation. On peut généraliser cette variante de réalisation au cas o le circuit d'acquisition comporte plus de deux ensembles d'acquisition reliés entre eux en entrée par des lignes à retard appropriées. Par exemple, avec quatre ensembles d'acquisition et une fréquence des signaux d'horloge égale à 2 G Hz, on obtient une fréquence d'échantillonnage égale à 8 G Hz. En utilisant plusieurs ensembles d'acquisition, on peut aussi obtenir une fréquence d'échantillonnage élevée en utilisant des signaux d'horloge de fréquence plus basse délivrés par des moyens de commande plus simples à réaliser On peut citer l'exemple de quatre ensembles d'acquisition déclenchés par des signaux d'horloge de fréquence égale à 500 M Hz Cette fréquence est obtenue par des moyens usuels Dans cette réalisation, la fréquence d'échantillonnage est alors de 2 G Hz. On peut aussi réaliser des voies d'acquisition indépendantes en utilisant des moyens de commande indépendants pour chacun des ensembles d'acquisition. Quelle que soit la variante de réalisation, l'invention apporte des solutions aux problèmes de courant de fuite et de conservation sans altération des échantillons avant leur lecture Elle permet d'abaisser la consommation électrique du système d'acquisition en diminuant de façon significative le nombre de cellules d'échantillonnage ultrarapide nécessaire (pour un même nombre d'échantillons formé). La géométrie du circuit d'acquisiton permet son intégration optimum sur un substrat et donc l'amélioration des rendements de fabrication Enfin, le jeu des démultiplications possibles, grâce à l'utilisation de cellules d'échantillonnage intermédiaires, permet d'augmenter considérablement le nombre d'échantillons formé sans pour autant augmenter le nombre de cellules d'échantillonnage rapide. Revendications 1 Circuit d'acquisition caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble d'acquisition ( 30) comportant un module d'échantillonnage rapide ( 10) composé de plusieurs cellules d'échantillonnage rapide ( 12) connectées à une entrée du circuit d'acquisition, chaque cellule d'échantillonnage rapide ( 12) étant reliée par des moyens d'aiguillage ( 32, ) à plusieurs cellules d'enregistrement ( 34). 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules d'échantillonnage rapide ( 12) sont reliées à un même nombre de cellules d'enregistrement ( 34). 3 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cellule d'enregistrement ( 34) comprend un interrupteur d'écriture ( 36) connecté à une entrée d'un moyen d'enregistrement ( 38, 40) et un interrupteur de lecture ( 42) connecté à une sortie du moyen d'enregistrement ( 38, 40). 4 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'aiguillage comportent une connexion de type filaire ( 32). Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'aiguillage comportent un module intermédiaire d'échantillonnage ( 50) composé de plusieurs cellules d'échantillonnage ( 52) connectées par une entrée à une sortie de la cellule d'échantillonnage rapide ( 12) considérée. 6 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'aiguillage comportent plusieurs modules intermédiaires d'échantillonnage, les cellules d'échantillonnage d'au moins un module intermédiaire étant chacune connectée à un module intermédiaire d'échantillonnage. 7 Circuit selon La revendication 1, caractérisé en ce qu'un moyen multiplexeur ( 44) est connecté aux cellules d'enregistrement ( 34). 8 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs ensembles d'acquisition ( 30 a, 30 b) reliés à l'entrée du circuit d'acquisition par des lignes à retard ( 56) de retards différents, ces ensembles d'acquisition ( 30 a, 30 b) étant déclenchés de manière synchrone.