Brevet FR2754405A1 — publié le 19980410

MONTAGE A FAIBLE BRUIT D'UN AMPLIFICATEUR La présente invention concerne un montage à faible bruit d'un amplificateur. L'invention s'applique, de façon géné- rale, quelle que soit la fonction (amplification, intégration, inversion d'un signal d'entrée, etc.) dévolue à l'amplificateur dans le montage. Un exemple d'application de la présente inven- tion concerne la réalisation d'un montage intégrateur à faible bruit à partir d'un amplificateur différentiel. La figure i représente un schéma classique d'un tel montage intégrateur. Ce montage comporte un amplificateur diffé- rentiel i dont une borne E+ d'entrée non-inverseuse est raccordée à un potentiel médian (par exemple, la masse) entre des poten- tiels d'alimentation de l'amplificateur 1, respectivement +Vpol et -Vpol. Une borne E- d'entrée inverseuse de l'amplificateur 1 reçoit, par exemple, par l'intermédiaire d'une résistance R, un signal d'entrée Vin. La tension Vin est appliquée entre deux bornes d'entrée 3 et 4 du montage, la borne 4 étant à la masse. Une sortie de l'amplificateur 1 constitue une borne S de sortie du montage intégrateur. Un condensateur C est placé entre les bornes E- et S. A la figure 1, on a modélisé l'amplificateur différen- tiel 1 sous la forme d'un amplificateur parfait 1' de gain en boucle ouverte -A, dont l'entrée inverseuse est reliée à un géné- rateur 2 de tension de bruit Vn. Le générateur 2 symbolise le bruit de l'amplificateur 1 ramené sur son entrée inverseuse. La qualité de l'intégration réalisée par le montage dépend, en particulier, du signal aux bornes du condensateur C qui est fonction du courant I circulant dans la résistance R. Si l'amplificateur 1 était parfait, le courant I serait égal à Vin/R. En réalité, l'amplificateur 1 étant bruité, le courant I dépend également de la tension Vn. En outre, la tension de bruit Vn se retrouve amplifiée dans le signal de sortie VS par le gain en tension -A de l'amplificateur (Vs = -A(Vin - Vn)). Plusieurs solutions classiques peuvent être utilisées pour réduire le bruit de l'amplificateur. Une solution connue consiste à augmenter la taille des transistors constitutifs de l'amplificateur 1 et le courant de polarisation. Outre l'augmentation de la surface de silicium nécessaire pour réaliser l'amplificateur sous forme de circuit intégré, cette solution présente l'inconvénient d'augmenter les capacités parasites, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de l'amplificateur à répondre à une variation du signal d'entrée. Dans certains montages, la résistance R est remplacée par une capacité commutée. Le signal d'entrée Vin se trouve alors échantillonné. Les solutions classiques ne permettent pas de minimiser l'influence du bruit tout en prévoyant un intégrateur de rapidité suffisante pour que la fréquence d'échantillonnage du signal d'entrée puisse être élevée. Pour arriver à une solution satisfaisante, on est amené à réduire le gain de l'amplificateur. Plus généralement, le problème lié au bruit se pose dans tout montage réalisé à partir d'un amplificateur qu'il soit ou non à entrée différentielle et que sa sortie soit ou non dif- férentielle. La figure 2 représente un amplificateur 10 à entrée non-différentielle modélisé, comme à la figure 1, par un amplifi- cateur parfait 10' associé à un générateur 2 de tension de bruit. La distinction entre les schémas des figures 1 et 2 réside dans le fait que l'amplificateur 10 n'a qu'une entrée E. La tension VT correspond ici à la tension de basculement d'un inverseur ou à la différence de tension nécessaire entre la borne E et le potentiel de polarisation -Vpol pour rendre l'amplificateur (le ou les transistors présents entre la borne E et le potentiel -Vpol) conducteur dans le cas d'un amplificateur simple. La tension de bruit Vn et la composante continue VT se trouvent amplifiées dans le signal de sortie VS par le gain en tension de l'amplificateur (VS = -A(Vin-Vn-VT)). La présente invention vise à proposer un montage inté- grateur réalisé à partir d'un amplificateur, qui minimise l'in- fluence du bruit de l'amplificateur sur le signal de sortie, tout en ayant un gain élevé. L'invention vise également à proposer un montage qui puisse fonctionner sous de faibles tensions d'alimentation et avec un faible courant de polarisation. L'invention vise également à proposer un montage parti- culièrement adapté à un intégrateur à capacité commutée. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un montage comportant un amplificateur principal, comprenant un moyen pour créer, au moins pendant certaines périodes, un potentiel de référence flottant d'application d'un signal d'entrée sur une première borne d'entrée de l'amplificateur prin- cipal, ce potentiel de référence étant asservi sur le bruit de l'amplificateur principal ramené sur son entrée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit moyen est constitué d'un amplificateur secondaire dont une borne d'entrée est reliée à la borne d'entrée de l'amplificateur principal et dont une borne de sortie définit le potentiel de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'amplificateur secondaire a un gain en tension inférieur et voisin de l'unité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'amplificateur principal comporte une borne d'entrée unique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'amplificateur principal est un amplificateur à entrée différen- tielle dont une borne d'entrée non-inverseuse est connectée à un potentiel médian entre deux potentiels d'alimentation, respecti- vement plus positif et plus négatif, une entrée inverseuse cons- tituant la première borne d'entrée de l'amplificateur principal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le montage constitue un intégrateur, 1 'entrée inverseuse de l'amplificateur principal étant reliée, par l'intermédiaire d'une impédance, à une borne de sortie de l'amplificateur principal constituant une borne de sortie du montage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le signal d'entrée appliqué sur la première borne d'entrée de l'amplificateur principal correspond à un signal à traiter, appliqué sur une première borne d'entrée du montage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une impédance d'entrée est connectée entre une première borne d'entrée du montage recevant un signal à traiter et la première borne d'entrée de l'amplificateur principal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la borne de sortie de l'amplificateur secondaire constitue une deuxième borne d'application du signal à traiter. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le montage comporte des moyens de commutation propres à déconnec- ter périodiquement 1' impédance d'entrée de la première borne d'entrée de l'amplificateur principal, le signal d'entrée de l'amplificateur principal étant référencé au potentiel de réfé- rence pendant les périodes o l'impédance d'entrée est connectée à la première borne d'entrée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les amplificateurs principal et secondaire sont alimentés par des potentiels identiques. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2 décrites précédemment sont destinées à exposer l'état de la technique et le problème posé; la figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un montage à faible bruit selon la présente invention; la figure 4 représente un schéma équivalent d'un montage intégrateur selon la présente invention; la figure 5 représente un premier mode de réalisation d'un montage intégrateur à capacité commutée selon la présente invention; la figure 6 représente un deuxième mode de réalisation d'un montage intégrateur à capacité commutée selon l'invention; la figure 7 représente un mode de réalisation d'un amplificateur secondaire d'un montage à faible bruit selon la présente invention; et la figure 8 représente un troisième mode de réalisation d'un montage à faible bruit selon la présente invention. Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. La figure 3 représente un premier mode de réalisation de la présente invention, appliqué à un montage intégrateur dans lequel un signal d'entrée Vin à traiter est appliqué par l'inter- médiaire d'une résistance R. Comne précédemment, l'intégrateur est réalisé à partir d'un amplificateur différentiel 1, similaire à celui de la figure 1. Une borne E- d'entrée inverseuse de l'amplificateur 1 est reliée à une borne de sortie S par l'inter- médiaire d'un condensateur C. La borne S constitue la sortie du montage. Une borne E+ non-inverseuse de l'amplificateur 1 est connectée à un potentiel médian entre deux potentiels de polari- sation +Vpol et -Vpol de l'amplificateur 1. Le potentiel +Vpol constitue le potentiel d'alimenta- tion le plus positif et le potentiel -Vpol constitue le potentiel d'alimentation le plus négatif. Dans l'exemple représenté, les potentiels +Vpol et -Vpol sont égaux en valeur absolue (par exemple, 2,5 volts) et la borne E+ est connectée à la masse. Tou- tefois, d'autres valeurs peuvent être choisies. Par exemple, +Vpol = 3 volts et -Vpol = 0 volt (la masse), la borne E+ étant connectée à un potentiel de 1,5 volts. Un signal à traiter Vin est appliqué entre des bornes 3 et 4 d'entrée du montage. La borne 3 est reliée, par l'intermé- diaire de la résistance R, à la borne E-. Une caractéristique de ce mode de réalisation est que la borne 4 n'est plus connectée au même potentiel que la borne E+. Selon ce mode de réalisation, la borne 4 est portée à un potentiel de référence VG qui s'adapte automatiquement en fonction du bruit de l'amplificateur 1. Plus généralement, une caractéristique de la présente invention est de référencer, au moins pendant certaines périodes, le signal appliqué à l'entrée de l'amplificateur à un potentiel flottant VG fonction du bruit de l'amplificateur. Pour ce faire, le montage comporte également, selon l'invention, un amplificateur secondaire 5 dont une borne d'en- trée est reliée à la borne E- de l'amplificateur 1 et dont une borne de sortie S' est reliée à la borne 4. De préférence, la tension de sortie VS du montage est également référencée par rap- port au potentiel VG. Selon l'invention, le gain en tension 1 de l'amplifica- teur 5 est inférieur et proche de l'unité. De préférence, l'am- plificateur 5 est alimenté par les potentiels +Vpol et -Vpol d'alimentation de l'amplificateur 1. Le rôle de l'amplificateur 5 est double. D'une part, il améliore le gain en boucle ouverte du montage intégrateur. D'au- tre part, il minimise l'influence du bruit de l'amplificateur 1. Ces caractéristiques seront mieux comprises en relation avec la figure 4. La figure 4 représente un montage simplifié d'un com- parateur recevant un signal à traiter V', directement sur l'entrée E-. Cette figure constitue également une représentation partielle du montage de la figure 3, en boucle ouverte et dans lequel l'association de la tension Vin et de la résistance R a été représentée sous la forme d'un générateur de tension V' connecté entre les bornes E- et 4. A la figure 4, l'amplificateur 1 est représenté sous la forme schématique d'un amplificateur parfait 1' de gain en boucle ouverte -A, associé à un générateur de bruit 2 sur son entrée inverseuse. La tension d'erreur entre les entrées inverseuse et non-inverseuse de l'amplificateur 1' a été désignée par VD. On peut établir les relations suivantes entre les ten- sions V', VS, VD et VG: Vs + VG = -A.VD; V' + VG - Vn = VD; et VG = P(Vn+VD)-. En reportant VG dans les deux premières relations et en combinant ces dernières pour éliminer VD, on obtient: VS = [(A+P)/(3-1)]V' + A.Vn. Coame le gain P est voisin de 1, le signal d'entrée V' est considérablement plus amplifié que le bruit Vn alors que, dans un montage classique, le bruit Vn subit le même gain en ten- sion que le signal utile V'. En effet, dans un montage classique tel que représenté à la figure 1, on aurait VS = -A(V'-Vn). Un avantage de la présente invention est que le bruit ramené entre les bornes d'entrée E- et 4 est atténué d'un facteur -1. Ainsi, plus l'amplificateur secondaire 5 a un gain proche de 1, plus le bruit ramené à l'entrée du montage est faible. Par conséquent, l'influence du bruit Vn sur le courant I' circulant dans la résistance R (figure 3), donc sur le signal aux bornes du condensateur C, est minimisée. La qualité de l'intégration est donc améliorée. On notera que le gain 3 de l'amplificateur 5 doit être inférieur à l'unité. En effet, si ce gain est supérieur à 1, le montage de la figure 3 devient instable car l'amplificateur 5 se trouve en boucle avec la résistance R et la tension d'entrée Vin. A titre d'exemple particulier de réalisation, le gain de l'ampli- ficateur 5 est compris entre 0,9 et 0,99. Un avantage de la présente invention est que, pour un gain en tension donné du montage, l'amplificateur 1 peut être réalisé avec un gain intrinsèque plus faible que dans un montage classique. En effet, le gain de l'amplificateur 1 est divisé par P-1, proche de 0. Ainsi, il est possible de réduire le nombre d'étages de l'amplificateur 1 par rapport à un montage classique. On peut ainsi minimiser le nombre d'étages de transistors en cas- cade constitutifs de l'amplificateur 1 tout en obtenant, pour le montage, un gain élevé en boucle ouverte. Outre le fait que cela minimise le bruit Vn qui est lié au nombre de transistors de l'amplificateur, cela réduit la tension d'alimentation minimale nécessaire au fonctionnement du montage. On peut donc réaliser un amplificateur à faible bruit alimenté sous une faible tension, par exemple de l'ordre de 3 volts. Un autre avantage de la présente invention est que, puisque le gain intrinsèque de l'amplificateur est réduit, on peut, pour des caractéristiques de bruit données, utiliser des transistors plus bruyants pour réaliser l'amplificateur 1, ce qui réduit le coût du montage. La figure 5 représente un mode de réalisation d'un mon- tage intégrateur selon la présente invention dans lequel la résistance R (figure 3) est remplacée par un montage à capacité commutee. Dans un tel montage, un premier commutateur K1 est monté en série avec un condensateur C' et un deuxième commutateur K2, entre les bornes 3 et E-. Chaque borne du condensateur C' est en outre reliée à la borne 4 par un commutateur, respectivement K'1 et K'2. Le reste du montage est similaire au montage décrit en relation avec la figure 3. Les commutateurs K1 et K'l et les commutateurs K2 et K'2 sont fermés en alternance. Par exemple, les commutateurs K1 et K'I sont commandés par un signal d'horloge CLK tandis que les commutateurs K2 et K'2 sont commandés par un signal CLK correspondant au signal CLK inversé. La tension V' d'entrée E- de l'amplificateur 10, référencée au potentiel VG, est présente pendant les périodes o les commutateurs K2 et K'2 sont fermés. La figure 6 représente un deuxième mode de réalisation d'un montage intégrateur selon l'invention. Une distinction par rapport aux montages des figures 3 à 5 est que le signal à traiter Vin est référencé à la masse. La tension V' appliquée à l'entrée E- de l'amplificateur 1 est cependant toujours référen- cée au potentiel VG fixé par l'amplificateur secondaire. En effet, la tension V' sur l'entrée E- est présente uniquement pen- dant les périodes o les commutateurs K2 et K'2 sont fermés. La borne Eest isolée de la tension Vin référencée à la masse, que ce soit par le commutateur K1 ou par le condensateur C'. Au moyen d'un montage selon l'invention, le compromis antagoniste bruitgain-vitesse est résolu car la vitesse est assurée par l'amplificateur principal 1 tandis que 1' influence du bruit est minimisée par l'amplificateur secondaire 5 et que le gain est assuré par l'ensemble des deux amplificateurs (; A/3-1). L'amplificateur 5 est particulièrement simple à réali- ser car il ne nécessite que peu de composants et que ses tensions d'entrée et de sortie ont des amplitudes très faibles (de l'ordre de quelques millivolts). Le bruit du montage dépend désormais de l'amplificateur secondaire 5. Ce bruit est très faible car cet amplificateur 5 comporte très peu de composants. La figure 7 représente un mode de réalisation d'un amplificateur secondaire 5 selon la présente invention. L'ampli- ficateur 5 est constitué de deux transistors MOS à canal P MP1 et MP2, montés en série entre les potentiels de polarisation +Vpol et -Vpol. La source du transistor MP1 est connectée au potentiel +Vpol. Son drain constitue la borne de sortie S'. La grille du transistor MP1 constitue la borne d'entrée reliée à la borne E-. La source du transistor MP2 est reliée à la source du transistor MP1. La grille du transistor MP2 est reliée à son drain, lui-même connecté au potentiel -Vpol. Le gain 3 de l'amplificateur 5 est fixé par la relation suivante: P = gml (rdsl // 1/gm2) = gml/[(l/rdsl) + gm2], o gml et gm2 représentent les gains en transconductance respec- tifs des transistors MP1 et MP2, et o rdsl représente la résis- tance drain-source du transistor MP1 à l'état passant. Comme l'inverse de la transconductance d'un transistor MOS est généralement nettement inférieure à sa résistance drain- source, le gain 3 est voisin de 1 si les transistors MP1 et MP2 sont identiques. De plus, le gain P est alors toujours inférieur à 1, le numérateur de la relation étant toujours inférieur au dénominateur. La figure 8 représente un mode de réalisation de la présente invention appliqué à un amplificateur 10 à entrée unique (non différentiel). La borne E d'entrée de l'amplificateur 10 est reliée, par l'intermédiaire d'un amplificateur secondaire 5 tel que décrit précédemment, à la borne 4 qui n'est désormais plus reliée à la masse du montage. Le signal à traiter Vin (correspon- dant ici à V') est appliqué entre les bornes 3 et 4, la borne 4 étant au potentiel flottant VG. Les relations décrites précédem- ment en relation avec la figure 4 se transposent à ce montage en tenant compte du seuil continu VT de basculement (ou de conduc- tion) de l'amplificateur 10. Ainsi, on obtient la relation: VS = [(A + f)/(p - 1)]V' + A(Vn + VT). Si le montage de la figure 8 sert, par exemple, d'in- verseur dont le seuil de basculement est centré entre +Vpol et -Vpol, on a VT = 0. Si le montage de la figure 8 sert, par exemple, de simple amplificateur du signal V', la tension VT cor- respond au seuil de conduction de l'amplificateur, par exemple, la tension seuil d'un transistor MOS dont la grille constitue la borne E, dont le drain constitue la borne S reliée par l'inter- médiaire d'une source de courant au potentiel +Vpol, et dont la source est au potentiel -Vpol. On notera que la borne E peut, également dans ce cas, être reliée à la borne 3 par une impédance d'entrée. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des potentiels d'alimentation +Vpol et -Vpol des amplificateurs du montage dépend de l'appli- cation particulière à laquelle est destiné l'intégrateur. De plus, la réalisation pratique de l'amplificateur principal 1 uti- lise des techniques classiques qui sont à la portée de l'homme de l'art et, dans le cas o le montage comporte une impédance d'entrée, il pourra s'agir d'un élément résistif, capacitif ou inductif, ou d'une combinaison d'éléments de ce type. En outre, l'invention s'applique également à un amplificateur à entrée dif- férentielle dont la sortie est également réalisée sous forme dif- férentielle. Aucune modification de l'étage de sortie d'un tel amplificateur est nécessaire dans la mesure o l'invention inter- vient uniquement sur l'étage d'entrée. REVENDICATIONS 1. Montage comportant un amplificateur principal (1, ), caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (5) pour créer, au moins pendant certaines périodes, un potentiel de référence flot- tant (VG) d'application d'un signal d'entrée (V') sur une pre- mière borne d'entrée (E-, E) de l'amplificateur principal, ce potentiel de référence (VG) étant asservi sur le bruit (Vn) de l'amplificateur principal ramené sur son entrée. 2. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen est constitué d'un amplificateur secondaire (5) dont une borne d'entrée est reliée à ladite borne d'entrée (E-, E) de l'amplificateur principal (1, 10) et dont une borne de sor- tie (S') définit ledit potentiel de référence (VG). 3. Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur secondaire (5) a un gain en tension (3) infé- rieur et voisin de l'unité. 4. Montage selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit amplificateur principal (10) comporte une borne d'entrée (E) unique. 5. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'amplificateur principal est un amplificateur (1) à entrée différentielle (E-, E+) dont une borne (E+) d'entrée non-inverseuse est connectée à un potentiel médian entre deux potentiels d'alimentation, respectivement plus positif (+Vpol) et plus négatif (-Vpol), une entrée inverseuse (E-) constituant ladite première borne d'entrée de l'amplificateur principal (1). 6. Montage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il constitue un montage intégrateur, ladite entrée inverseuse (E-) de l'amplificateur principal (1) étant reliée, par l'inter- médiaire d'une impédance (C), à une borne de sortie (S) de l'am- plificateur principal constituant une borne de sortie du montage. 7. Montage selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le signal d'entrée appliqué sur la première borne d'entrée (E-, E) de l'amplificateur principal (1, ) correspond à un signal (V') à traiter, appliqué sur une pre- mière borne (3) d'entrée du montage. 8. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une impédance d'entrée (R, C') est connectée entre une première borne (3) d'entrée du montage rece- vant un signal (Vin) à traiter et la première borne d'entrée (E-) de l'amplificateur principal (1). 9. Montage selon la revendication 2 et la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite borne de sortie (S') de l'amplificateur secondaire (5) constitue une deuxième borne (4) d'application du signal à traiter (Vin, V'). 10. Montage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il cormporte des moyens de commutation (K1, K2, K'Il, K'2) pro- pres à déconnecter périodiquement ladite impédance d'entrée (C') de la première borne d'entrée (E-) de l'amplificateur principal (1), ledit signal d'entrée (V') de l'amplificateur principal (1) étant référencé audit potentiel de référence (VG) pendant les périodes o l'impédance d'entrée (C') est connectée à la première borne d'entrée (E-). 11. Montage intégrateur selon la revendication 2 et l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que les amplificateurs principal (1, 10) et secondaire (5) sont ali- mentés par des potentiels (+Vpol, -Vpol) identiques.