Brevet FR2661570A1 — publié le 19911031

La présente invention concerne des circuits de pilotage à haute fréquence et en particulier des circuits destinés à appliquer une haute tension aux bornes d'une charge réactive, à une haute fréquence supérieure à 5 M Hz (par exemple comprise entre 10 et 100 M Hz et plus). L'invention convient particulièrement bien à un circuit de pilotage à haute fréquence destiné à créer, à haute fréquence, un signal à haute tension qui peut être rapidement commuté par tout ou rien, par des lignes de pilotage à haute fréquence d'une tête ou cartouche d'im- pression par projection d'ions L'invention est aussi utile dans d'autres applications dans lesquelles des impulsions de pilotage à haute fréquence sont souhaitables, par exemple pour le pilotage d'un transducteur utilisé dans des applications de formation d'image ultrasonore et dans les applications des radars. L'impression par projection d'ions, aussi connue sous le nom de "formation d'image par dépôt d'ions", utilise des cartouches ou têtes de projection d'ions ayant plusieurs lignes à haute fréquence qui sont pilotées sélectivement par des signaux à haute fréquence et à haute tension qui créent des plasmas Des ions ou des électrons sont projetés à partir de ces plasmas sous la commande d'électrodes qui permettent le dépôt de points de charges sur une surface diélectrique, sous forme de lignes, à une vitesse extrêmement élevée (une vitesse suffisant pour la création de centaines de pages d'images par minute) La réalisation de ces têtes et leurs applications dans l'im- pression par projection d'ions est l'objet de l'article de J R Rumsey et D Bennewitz intitulé "Ion Printing Technology" paru dans the Journal of Imaging Technology, volume 12, N O 3, juin 1986, page 144 et suivantes. Pour qu'un appareillage d'impression par dépôt d'ions fonctionne à grande vitesse et en particulier pour qu'une échelle de gris soit obtenue dans les points qui sont imprimés, il a fallu piloter les lignes à haute fréquence de la tête d'impression à des fréquences élevées par exemple supérieures ou égales à 10 M Hz A ces fré- quences, les techniques qui ont été suggérées pour le pilotage des lignes à haute fréquence ne donnent plus satisfaction étant donné que des courants extrêmement élevés de pilotage sont nécessaires dans les dispositifs de commutation actifs qui sont utilisés Ces circuits uti- lisent un transformateur élévateur pour la création des tensions nécessaires en fonction du courant commuté par le dispositif actif La capacité de la ligne à haute fréquence (aussi appelée électrode à haute fréquence) est connectée aux bornes du secondaire du transformateur élévateur, et ce circuit parallèle résonne à la fréquence élevée voulue A de hautes fréquences relativement faibles de l'ordre de 1 M Hz, pour lesquelles ont utilise des circuits de pilotage résonants parallèles, l'impédance indiquée par le transfor- mateur dans lequel travaille le dispositif actif est suffisamment élevée pour permettre l'utilisation de dispo- sitifs actifs disponibles et utilisables en pratique Aux fréquences plus élevées, l'impédance tombe rapidement; la variation d'impédance varie avec la fréquence et le carré du rapport des nombres de spires du transformateur Le courant qui doit être commuté par le dispositif actif devient si élevé (par exemple de 100 A) qu'il ne peut plus être géré par les dispositifs utiles en pratique, notamment des dispositifs tels que des transistors à effet de champ, de la dimension nécessaire Le problème de la création d'énergie à haute fréquence et haute tension pour les lignes à haute fréquence de la tête reste donc entier Ce problème est encore rendu plus aigu étant donné qu'il est nécessaire de commuter l'énergie à haute fréquence par tout ou rien avec de courts temps de montée et de descente afin que les signaux à haute fréquence puissent être multiplexés sur plusieurs lignes à haute fréquence (par exemple vingt) de la tête d'impression par projection d'ions. On peut se référer au brevet des Etats-Unis d'Amé- rique no 4 841 313 pour des informations supplémentaires relatives aux circuits classiques de pilotage à haute fréquence destinés aux têtes d'impression par dépôt d'ions. Ainsi, l'invention a essentiellement pour objet la réalisation d'un circuit perfectionné de pilotage à haute fréquence qui est particulièrement bien adapté à la produc- tion d'un signal à haute fréquence d'amplitude suffisante et ayant des temps suffisamment courts de montée et de descente d'enveloppe pour qu'il assure la commande d'une tête d'impression par projection d'ions d'un appareil d'impression par projection d'ions à grande vitesse. L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un circuit perfectionné de pilotage à haute fréquence qui transmet de l'énergie à haute fréquence et à haute tension par utilisation de dispositifs actifs utilisables en pratique et disponibles dans le commerce, et notamment de dispositifs qui peuvent être logés dans un espace suffisam- ment réduit pour qu'ils soient à proximité immédiate de la charge qui utilise l'énergie provenant du circuit. L'invention a aussi pour objet un circuit résonant perfectionné de pilotage à haute fréquence dans lequel les inconvénients précités de la technologie actuelle sont pratiquement supprimés. En résumé, un circuit de pilotage à haute fréquence selon l'invention, capable de donner une tension alterna- tive à haute fréquence d'amplitude suffisante entre crêtes pour qu'elle crée un plasma lorsqu'elle est appliquée aux lignes à haute fréquence d'une tête de projection d'ions (les lignes présentant une capacité efficace), utilise un dispositif de commutation actif et un circuit de pilotage ainsi qu'une alimentation pour la transmission d'impulsions en courant au dispositif à une fréquence de répétition qui dépend de la haute fréquence voulue Une self est montée en série avec le dispositif et avec la capacité efficace formée par la ligne de la tête qui doit être pilotée, l'inductance de la self et la capacité efficace formant un circuit résonant série qui résonne à la fréquence élevée voulue Le circuit de pilotage et l'alimentation de com- mande du dispositif actif sont tels que les impulsions de courant ont une intensité suffisante pour qu'elles donnent l'amplitude voulue de la tension à haute fréquence entre crêtes aux bornes de la capacité efficace (c'est-à-dire la charge réactive) En d'autres termes, le dispositif actif est piloté à peu près à la fréquence de résonance du circuit résonant série d'une source à fréquence fixe (par exemple l'horloge de l'organe de commande de la tête d'impression par projection d'ions) ou, dans une variante, par rétroaction tirée du signal de sortie (aux bornes de la capacité efficace présentée par la ligne à haute fréquence qui est pilotée) qui donne au circuit de pilotage à haute fréquence la configuration d'un oscillateur Un circuit de charge secondaire est de préférence utilisé entre le dispositif actif et l'alimentation afin qu'il présente une autre charge sur le dispositif actif Ce circuit de charge secondaire est de préférence un circuit résonant parallèle qui résonne à la haute fréquence voulue Il peut comporter une résistance connectée à ses bornes pour l'amortissement efficace des résonances secondaires qui sont créées par l'addition de ce circuit de charge secondaire Comme l'impédance créée par le circuit résonant série de charge est faible à la résonance, la plus grande partie du courant alternatif circule dans le circuit résonant série de charge La faible impédance réduit aussi au minimum l'os- cillation de tension à la sortie du dispositif actif Le courant alternatif qui est commuté par le dispositif actif peut être commandé par réglage du signal de pilotage du dispositif et la tension qui donne le courant continu qui règle l'amplitude du courant alternatif qui circule dans le circuit résonant série Dans une variante, les pertes du circuit résonant série (qui peuvent être représentées sous forme d'une résistance connectée en série au circuit résonant série) en coopération avec les pertes du dispo- sitif actif et la tension d'alimentation, déterminent l'intensité du courant alternatif qui est commuté par le dispositif actif et qui circule donc dans la ligne à haute fréquence La tension qui est appliquée à l'électrode à haute fréquence (chaque ligne à haute fréquence de la tête de projection d'ions) a donc une amplitude suffisante (par exemple de 1 600 V entre crêtes) pour donner le champ nécessaire d'ionisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un circuit de pilotage à haute fréquence dans un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est un graphique représentant des courbes donnant la réponse en fréquences du circuit de pilotage à haute fréquence, présenté (courbe B) aux bornes du dispositif actif (électrode de drain du transistor à effet de champ) et (courbe A) aux bornes de la charge (capacité efficace de l'électrode à haute fréquence ou de la ligne à haute fréquence); la figure 3 est un graphique représentant un exemple d'impulsions de salve alternative à haute fréquence appa- raissant à l'électrode de drain du transistor à effet de champ représenté sur la figure 1 (courbe B) et à l'élec- trode à haute fréquence de la tête de projection d'ions (courbe A); et la figure 4 est un schéma analogue à la figure 1 représentant le circuit de pilotage ayant la topologie d'un oscillateur déclenché. On se réfère à la figure 1 qui est un schéma élec- trique d'un mode de réalisation préféré de l'invention destiné à piloter une ligne à haute fréquence 10 d'une tête de projection d'ions Cette ligne peut être l'une de vingt lignes analogues qui sont placées les unes près des autres et qui sont disposées dans la direction de création de lignes de points par la tête en fonction de signaux qui sont appliqués aux doigts ou électrodes de commande de la tête Chaque ligne 10 a une capacité efficace désignée par la référence C 6 entre la ligne et le plan de masse de la tête Dans un exemple de tête, cette capacité est de picofarads (p F) La tête est connectée au circuit de pilotage par des connecteurs représentés schématiquement en Pl et P 2 Le circuit de pilotage à haute fréquence de la figure 1 est destiné à créer de l'énergie à haute fréquence et à haute tension à 10 M Hz, avec une tension entre crêtes de 1,2 k V comme indiqué par la forme d'onde A de la figure 3. Le signal d'entrée RFDRV est créé dans l'organe de commande de l'appareil d'impression par projection d'ions. Il s'agit d'un train d'impulsions ayant une fréquence de répétition de 10 M Hz dans ce mode de réalisation de l'in- vention D'autres fréquences de pilotage (par exemple comprises entre 5 et 100 M Hz) peuvent être utilisées suivant la vitesse d'impression et le nombre de niveaux de l'échelle de gris L'organe de commande peut utiliser par exemple un circuit à logique transistor-transistor (TTL) de manière que le train d'impulsions RFDRV varie entre O et + 5 V Ce train d'impulsions est couplé par les composants R 4 et C 4 à la base d'un amplificateur à transistor Cet amplificateur fonctionne comme amplificateur de classe C et donne un gain environ égal à 10 Le transistor Qi constitue donc un tampon pour le train d'impulsions RFDRV et augmente l'amplitude des impulsions à environ 15 V La polarisation en sens inverse assure l'état non conducteur du transistor Qi jusqu'à ce que le signal RFDRV soit validé. Des transistors Q 2 et Q 3 constituent un amplifica- teur tampon à charge d'émetteur de classe B Ils sont pilotés par les impulsions RFDRV amplifiées ( 15 V) prove- nant de l'étage du transistor Q 1 Ils présentent une impédance de sortie réduite pour le pilotage de l'impédance très capacitive et relativement faible (par exemple de 100 Q à 10 M Hz) constituant la charge présentée par la grille du transistor Ml De cette manière, les temps de montée et de descente des flancs antérieur et postérieur des impulsions sont réduits au minimum Les diodes D 4 et D 3 sont destinées à supprimer les pointes de tension Le courant continu provenant du transistor à effet de champ Ml est transmis par une alimentation (+ 80 V) Cette alimenta- tion a des condensateurs Cl et C 7 de filtrage de bruit qui sont connectés aux bornes de l'alimentation (entre + 80 V et le potentiel de référence) Le condensateur relativement petit Cl filtre le bruit à haute fréquence alors que le condensateur électrolytique plus gros C 3 filtre les compo- santes de bruit à basse fréquence Ceci donne une faible impédance alternative d'alimentation De même, des conden- sateurs C 3 et C 4 montés en parallèle sont disposés aux bornes de l'alimentation de 15 V (entre + 15 V et le potentiel de référence) afin que l'impédance de l'alimenta- tion soit faible. Une self Ll est connectée en série avec la capacité C 6 de ligne ou d'électrode à haute fréquence, avec forma- tion de cette manière d'un circuit résonant série qui résonne à 10 M Hz, c'est-à-dire à la fréquence du signal à haute fréquence qui pilote la ligne 10 à haute fréquence. Ce circuit résonant série, qui a une très faible impédance à la fréquence de résonance ou à son voisinage et qui a une impédance qui augmente aux fréquences qui sont distantes de la résonance, constitue la charge principale du transistor à effet de champ Ml dans les conditions de fonctionnement continu Une caractéristique des circuits résonants est le facteur Q qui a une valeur qui représente le facteur d'amortissement des pertes résistives du circuit résonant. Dans ce mode de réalisation de l'invention, la composante résistive des pertes de l'impédance présentée par cette charge, c'est-à-dire la valeur d'une résistance série équivalente montée en série avec le circuit résonant série, augmentée de la résistance du transistor à effet de champ Ml à l'état conducteur, est par exemple d'environ 6 Q Dans l'alimentation de 80 V, ceci permet au transistor à effet de champ Li de commuter un courant d'environ 13 A dans le circuit résonant série Etant donné le mode de fonctionne- ment résonant série, la tension d'environ 1 700 V entre crêtes, qui apparaît aux bornes de la ligne à haute fré- quence (C 6) est plus élevée que celle du drain du transis- tor Ml (environ 80 V entre crêtes) La tension aux bornes de la ligne à haute fréquence (C 6) est représentée par la courbe A de la figure 3 La tension aux bornes du transis- tor à effet de champ (drain du transistor Ml) est représen- tée par la courbe B de la figure 3. Un circuit de charge secondaire formé d'une self L 2 et d'un condensateur C 2 est connecté entre l'alimentation continue (+ 80 V) et le drain Ce circuit, en plus de la formation d'une source de courant continu pour le transis- tor Ml, et en coopération avec la self Ll et le condensa- teur C 6, crée des résonances parallèles secondaires de l'un ou l'autre côté de la fréquence de résonance série de la self Ll et du condensateur C 6 Ces résonances parallèles secondaires, qui sont amorties par la résistance de shunt Rl, élargissent le pic de résonance efficace du circuit par rapport à celui qui est obtenu avec le circuit résonant série formé uniquement des composants Ll et C 6 L'emplace- ment des pics de résonances parallèles secondaires est déterminé par les valeurs des composants Ll, C 6, L 2 et C 2. Le composant Rl est sélectionné afin qu'il aplatisse la réponse entre les deux pics de résonances parallèles et crée ainsi une réponse uniforme en fréquences entre ces pics, comme l'indique une mesure aux bornes du composant C 6 L'opération est réalisée afin que les temps de montée et de descente de l'enveloppe de la tension à haute fré- quence soient réduits au minimum (les temps de montée et de descente étant représentés au début et à la fin d'une forme d'onde A de la figure 3) Le plus long temps de montée de l'enveloppe (par rapport au temps de descente de l'enve- loppe), dans le circuit représenté, est dû aux restrictions posées pour la tension d'alimentation et qui limitent la vitesse à laquelle l'énergie peut être pompée dans la charge Le plus court temps de descente est obtenu parce que l'énergie accumulée dans le circuit résonant série peut provoquer l'apparition d'une tension beaucoup plus élevée au drain du transistor Ml avant dissipation par la diode D 2 (une diode de Zener à "transsorption") Les diodes Dl et D 2 sont éventuelles et elles règlent la tension de crête du drain du transistor Ml lorsque le signal de pilotage RFDRV est supprimé (le transistor Ml est commuté à l'état non conducteur). Pendant le fonctionnement, la tension de pilotage appliquée à la grille du transistor Ml provoque la consom- mation de courant provenant de l'alimentation (+ 80 V), lorsqu'il a été commuté à son état conducteur avec une amplitude suffisante pour que le signal à haute fréquence voulue (amplitude de 1,6 k V entre crêtes) de la ligne à haute fréquence 10 (aux bornes du composant C 6) soit obtenu (c'est-à-dire que le produit de l'impédance de la charge et du courant est suffisant pour la création de la tension nécessaire entre crêtes). Il peut aussi être souhaitable de faire fonctionner le circuit de pilotage en oscillateur plutôt qu'avec une configuration d'amplificateur Comme l'indique la figure 4, un circuit de rétroaction comprenant un condensateur C 6 est connecté entre la borne de sortie de la ligne à haute fréquence (entre les composants Ll et C 5) et la sortie du second étage d'un commutateur de polarisation (l'étage des transistors Q 2, Q 3) Un circuit diviseur de tension (compo- sants R 5, R 4 et C 7) est utilisé pour la sélection de l'amplitude de la tension de rétroaction L'oscillateur peut fonctionner à la suite du signal de validation à haute fréquence qui est appliqué au premier étage (transistor Qi) du commutateur de polarisation. La description qui précède indique que l'invention concerne un circuit perfectionné de pilotage à haute fréquence convenant particulièrement bien au pilotage des lignes ou électrodes à haute fréquence d'une tête de projection d'ions Des variantes et modifications entrent dans le cadre de l'invention Par exemple, suivant la fréquence de fonctionnement, une capacité supplémentaire peut être ajoutée en parallèle à la capacité de la charge de l'électrode à haute fréquence afin que les impédances relatives des circuits résonants série et parallèle soient ajustées, en fait par changement de l'emplacement des crêtes doubles de la courbe B de la figure 2 La charge peut être de type inductif et une résonance série ayant un condensateur Le circuit représenté est aussi commode en pratique en ce qu'il donne une haute tension supérieure à une forme d'onde ayant une tension de 1 k V entre crêtes avec de hautes fréquences élevées et des temps de montée et de descente d'enveloppe très courts pour la tension à haute fréquence appliquée à la charge Le potentiel de référence peut être la polarisation de la grille de la tête de projection d'ions (par exemple 650 V) au lieu de la tension de masse comme représenté Il faut noter que les valeurs des composants indiquées sur les figures 1 et 4 sont données à titre purement illustratif et non limitatif. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux circuits de pilotage qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Circuit générateur d'une tension alternative à haute fréquence ayant une amplitude suffisante entre crêtes pour qu'elle crée un plasma lorsqu'elle est appliquée à des lignes à haute fréquence ( 10) qui présentent une capacité efficace (C 6) et appartiennent à une tête d'impression par projection d'ions, ledit circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif comportant un dispositif actif (Ml) de commutation destiné à transmettre des impulsions de courant à une fréquence de répétition qui dépend de la haute fréquence, une self (Ll) montée en série avec le dispositif et la capacité efficace (C 6), la self (Li) et la capacité efficace (C 6) forment un circuit résonant série qui résonne à la haute fréquence, et le dispositif de production d'impulsions de courant (RFDRV) comporte un dispositif destiné à transmettre les impulsions de courant avec des amplitudes suffisantes pour que l'amplitude entre crêtes aux bornes de la capacité efficace (C 6) soit suffi- sante. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence alternative dépasse 5 M Hz environ. 3 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence alternative est de l'ordre de 10 M Hz. 4 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit résonant série (Li, C 6) a une première réponse en fréquences aux bornes de la capacité efficace (C 6), et comporte en outre un dispositif donnant une seconde caractéristique de réponse en fréquences aux bornes de la capacité efficace (C 6) qui est plus large que la première réponse en fréquences. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif destiné à transmettre les impulsions de courant dans le dispositif de commutation comporte une source de tension continue et un circuit résonant parallèle (L 2, C 2) qui résonne à la haute fréquence et qui est connecté en série avec la source et le dispositif actif (Mi). 6 Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance (Ri) montée aux bornes du circuit résonant parallèle (L 2, C 2) et destinée à aplatir la réponse en fréquences. 7 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif actif (MI) a une électrode de com- mande, et le dispositif destiné à transmettre les impul- sions de courant de manière qu'elles possèdent une ampli- tude suffisante comporte une source d'impulsions et un amplificateur (QI) d'impulsions commandé par les impulsions de la source et destiné à piloter l'électrode de commande. 8 Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'amplificateur (QI) d'impulsions comprend un étage amplificateur de classe C connecté à la source d'impul- sions, et un second circuit ayant des transistors bipo- laires (Q 2, Q 3) de type opposé de conductivité, ayant des trajets collecteur-émetteur montés en série et ayant des bases connectées à l'étage amplificateur de classe C de manière qu'ils forment un étage complémentaire à charge d'émetteur, une connexion des transistors, dans les trajets collecteur-émetteur connectés, étant reliée à l'électrode de commande. 9 Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif destiné à transmettre les impulsions de courant au dispositif actif comprend une source de tension continue et un circuit résonant parallèle (L 2, C 2) qui résonne à la haute fréquence et qui est connecté en série avec la source et le dispositif actif (Ml). Circuit selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif actif est un transistor à effet de champ (MI) ayant des électrodes de grille, de source et de drain, le circuit résonant série (LI, C 6) étant connecté entre la source et le drain. 11 Circuit selon la revendication 10, dans lequel le circuit résonant parallèle (L 2, C 2) est connecté entre le drain et la source de tension continue. 12 Circuit selon la revendication 1, dans lequel le dispositif destiné à transmettre les impulsions de courant comprend un dispositif destiné à renvoyer la tension aux bornes de la capacité efficace (C 6) au dispositif actif (Ml) pour la formation d'un oscillateur fonctionnant à la haute fréquence. 13 Circuit selon la revendication 12, comprenant en outre un dispositif destiné à permettre à l'oscillateur connecté au dispositif de renvoyer la tension. 14 Circuit de pilotage à haute fréquence destiné à piloter une charge présentant une impédance réactive à une tension prédéterminée entre crêtes à une certaine haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif actif (Ml), une source de tension continue connectée au dispositif actif, et un dispositif de pilotage du dispo- sitif actif par tout ou rien afin qu'il commute le courant avec une amplitude de crête dont le produit avec la réac- tance de la charge correspond à l'amplitude de crête de la tension entre crêtes à une fréquence qui dépend de la haute fréquence, une réactance (LI) connectée à la charge et dont la valeur est égale à l'impédance réactive afin qu'un circuit résonant série soit formé avec la charge et résonne à la haute fréquence, le circuit résonant série étant connecté aux bornes du dispositif actif. 15 Circuit selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit résonant parallèle (L 2, C 2) résonant à la haute fréquence et connecté en série avec la source de courant continu et le dispositif actif. 16 Circuit selon la revendication 15, comprenant en outre une résistance (RI) connectée au circuit résonant parallèle (L 2, C 2) et destinée à réduire le facteur Q du circuit résonant parallèle. 17 Circuit selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une source d'impulsions de pilotage à ladite certaine fréquence, le dispositif actif (Ml) ayant une électrode de commande, et un amplificateur d'impulsions (QI) transmettant les impulsions de pilotage à la source et augmentant suffisamment leur amplitude pour que le courant soit produit avec l'amplitude maximale pour la tension appliquée au dispositif actif par la source de courant continu. 18 Circuit selon la revendication 15, caractérisé en ce que le dispositif de pilotage est formé par un circuit de rétroaction connecté entre la charge et le dispositif actif (Ml) afin qu'il forme un oscillateur travaillant à ladite certaine fréquence.