Brevet FR2764070A1 — publié le 19981204

ECHANTILLONNEUR ELECTRIQUE MONOCOUP POUR IMPULSIONS COURTES DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne le domaine des échantillonneurs électriques, en particulier pour des impulsions présentant des durées courtes ou très courtes. La métrologie d'impulsions permet de décrire l'évolution temporelle d'un signal, ou d'une impulsion électrique, en particulier de sa tension ou de son énergie, lorsque ce signal, ou cette impulsion, est unique (non répétitive), et très brève (c'est-à-dire présente une durée de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes). De telles impulsions à mesurer sont généralement issues de détecteurs de rayonnement très rapides, qui convertissent en impulsions électriques l'énergie d'une impulsion de rayonnement qu'ils reçoivent, par exemple une impulsion de rayonnement X ou gamma, ou visible, ou infrarouge. De tels rayonnement peuvent être émis par des sources de rayonnement ultrarapides, telles que des lasers ou des sources de rayonnement synchrotron, ou peuvent être le résultat d'une interaction laser-matière provoquée par un laser ultrarapide (c'est-à-dire dont la durée de l'impulsion est du domaine de la picoseconde ou de la femtoseconde). L'invention peut s'appliquer à toute mesure de signal électrique très bref, et non répétitif, en particulier dans la physique d'événements, ou dans la mesure d'événements, générés par des phénomènes picosecondes. Etat de la technique Il existe actuellement sur le marché des oscilloscopes à échantillonnage pour mesure de signaux dont le spectre s'étend jusqu'à 50GHz ou 70GHz. Ces appareils permettent de mesurer des impulsions répétitives. La fréquence d'échantillonnage est variable, de 250 KHz à 1 GHz. Pour mesurer des impulsions uniques, des appareils commercialisés existent sur le marché : ils permettent de restituer un spectre jusqu'à 5GHz ou 7GHz. Parmi les prototypes de laboratoire, on connaît le dispositif décrit dans le document US-5 471 162. Un tel dispositif repose sur le principe de l'échantillonnage spatial d'une impulsion. Une impulsion se propage sur une ligne de propagation. Il en résulte une équivalence spatiale de l'évolution temporelle de cette impulsion qui se propage sur la ligne avec une vitesse dépendant des caractéristiques physiques de celle-ci. A un instant t déterminé, si la ligne est de longueur suffisante, la totalité de l'impulsion est spatialement répartie le long de la ligne. Si des échantillonneurs sont disposés le long de la ligne de propagation, leur actionnement simultané permet de réaliser un échantillonnage complet de l'impulsion, avec un pas temporel égal au pas spatial des échantillonneurs, divisé par la vitesse de propagation. On connaît également un dispositif optoéchantillonneur qui mesure des signaux de bande passante jusqu'à 35GHz. Ce dispositif est illustré sur la figure 1. il comporte une ligne de propagation 2 dans laquelle est introduit et le long de laquelle se propage un signal impulsionnel 4 à mesurer. Le long de la ligne de propagation sont disposées, de manière régulière, des portes d'échantillonnage 6 en un matériau photoconducteur (CdTe). Ces portes d'échantillonnage sont associées à des lignes de prélèvement 8, chacune étant elle-même suivie d'un moyen de lecture des charges. L'ensemble des moyens de lecture des charges est rassemblé dans un dispositif 10 de lecture des charges. Ces moyens de lecture de charges sont reliés à un ordinateur 12 programmé pour mesurer les charges relatives à chaque canal et analyser l'impulsion 4. Chaque porte d'échantillonnage 6 est fermée grâce à une impulsion lumineuse 14 de déclenchement : il faut autant d'impulsions lumineuses de déclenchement qu'il y a de portes d'échantillonnage. Ce dispositif nécessite donc un flash optique picoseconde de quelques dizaines de nanojoules pour déclencher l'échantillonnage. Ces échantillonneurs connus sont donc des photoconducteurs, dans le cas de l'optoéchantillonneur (figure 1) et des diodes dans le cas du digitaliseur compact. Dans ces deux structures connues, des échantillonneurs prélèvent une partie du signal présent à leur niveau sur la ligne. Ils sont placés en parallèle sur cette ligne de propagation. Ces échantillonneurs ont une bande passante limitée, liée à la bande passante de la ligne elle même. De plus la sensibilité de détection (c'est-à-dire la quantité de charges prélevée dans le signal) est également limitée. Enfin, en ce qui concerne ltoptoéchantillonneur, l'utilisation d'un laser picoseconde de forte puissance impose des contraintes financières expérimentales très importantes. Exposé de l'invention L'invention propose un dispositif permettant de résoudre les problèmes ci-dessus. L'invention met en oeuvre l'échantillonnage spatial d'une impulsion. Elle est adaptée à la mesure d'impulsions électriques ultracourtes, de spectre très large, et non répétitives. De manière plus précise, l'invention a pour objet un échantillonneur électrique comportant - une structure de propagation d'impulsions électriques, comportant des tronçons reliés deux à deux par des interrupteurs, - des moyens de commande de l'état d'ouverture et de fermeture des interrupteurs. L'échantillonneur selon l'invention utilise donc une ligne de propagation composée d'une série de tronçons de ligne, reliés entre eux par un interrupteur commandable électriquement. La saisie des "échantillons" peut se faire en ouvrant ces interrupteurs, ce qui confine la totalité des charges véhiculées par l'impulsion dans les différents tronçons constituant la ligne. On obtient ainsi une amélioration de la sensibilité de la mesure, puisque toutes les charges véhiculées par l'impulsion à analyser sont utilisées. Par ailleurs, il est possible de séparer la fabrication de la structure de propagation de celle de l'interrupteur. On peut par exemple réaliser les tronçons de la structure de propagation, ou les tronçons de lignes en technologie microruban, sur un substrat de matériau et de géométrie choisis, puis de reporter des interrupteurs en "flip-chip", grâce aux technologies de la microconnectique. Ces interrupteurs sont choisis et réalisés sur un autre support que les tronçons de structure de propagation ou de ligne. Cette possibilité ouvre un grand choix pour les perspectives technologiques, tant pour les lignes que pour les interrupteurs, et permet d'élargir le spectre des impulsions à mesurer. Les moyens de commande de l'état d'ouverture et de fermeture des interrupteurs peuvent comporter une seconde structure de propagation, ou ligne de propagation, dite structure ou ligne de déclenchement, à laquelle les interrupteurs sont reliés. Le signal déclenchant l'ouverture des interrupteurs peut alors être un échelon de tension se propageant sur la structure, ou la ligne, de déclenchement. Les interrupteurs sont reliés à cette structure, ou ligne, de déclenchement, selon des intervalles voulus. Le pas temporel d'échantillonnage est alors défini par la différence de marche entre un signal se propageant sur les tronçons de la structure de propagation d'impulsions, et un signal se propageant sur la structure, ou ligne, de déclenchement, entre deux interrupteurs successifs. Quel que soit le mode de réalisation envisagé, l'échantillonneur électrique selon l'invention ne nécessite pas de faisceau laser pour déclencher la mesure. Il est possible de réaliser des moyens de commande de l'état d'ouverture et de fermeture des interrupteurs comportant une seconde et une troisième structures de propagation, toutes deux nommées structures de déclenchement, de façon à optimiser le taux d'échantillonnage. On peut aussi mettre en oeuvre N structures de déclenchement, avec N=3, 4, ... etc. Selon un autre mode de réalisation, on peut reporter sur les tronçons de la structure de propagation, non seulement les interrupteurs qui relient les différents tronçons, mais également un petit circuit composé de cet interrupteur, et d'un second interrupteur, qui permet de connecter un tronçon à une ligne de prélèvement. L'avantage est alors que, avant l'ouverture des interrupteurs, les lignes de prélèvement ne sont pas en liaison avec les tronçons de propagation, et ils ne gênent pas la propagation du signal. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un optoéchantillonneur de l'art antérieur, - la figure 2 illustre le principe de l'échantillonneur électrique avec tronçon de ligne, selon l'invention, - la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un échantillonneur selon l'invention, les interrupteurs étant reportés sur des tronçons de ligne, - la figure 4 illustre un mode de réalisation de l'invention avec deux lignes de synchronisation, - la figure 5 est un exemple de réalisation d'un échantillonneur électrique selon l'invention, avec des moyens de prélèvement des quantités de charges de chaque tronçon, - la figure 6 représente un dispositif comportant un échantillonneur électrique selon l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention Le principe de l'échantillonneur électrique avec tronçons de ligne est illustré sur la figure 2. Une structure, ou ligne, 24 de propagation d'impulsions électriques comporte une pluralité de tronçons 18, 20, 22 de cette structure. Les différents tronçons sont reliés deux à deux par des interrupteurs 28, 30, constitués par exemple de MESFET AsGa (ou Si, ou de transistors MOS ou de transistors bipolaires sur si) . Des moyens de commande des interrupteurs 28, 30 comportent par exemple une seconde structure de propagation 26 d'impulsions de déclenchement, à laquelle sont connectés les interrupteurs 28, 30. Sur la figure 2, seuls trois tronçons de la ligne 24 ont été représentés, mais la ligne peut comporter un nombre quelconque de tronçons, séparés deux à deux et reliés deux à deux par des interrupteurs. Un signal à échantillonner se propage le long de la structure de propagation, ou de la ligne de propagation 24. Le long de la ligne de propagation 26 se propage un signal de synchronisation, par exemple un créneau échelon de tension. Les interrupteurs sont normalement passants, ou fermés, et l'échelon de tension ouvre ces interrupteurs. Cet échelon ou ce créneau, isole donc chaque tronçon de la ligne de propagation, qui sert alors de capacité de stockage. La totalité des charges véhiculées par l'impulsion est alors confinée dans les différents tronçons 18, 20, 22 constituant la structure de propagation de l'impulsion. La structure illustrée sur la figure 2 comporte donc - d'une part une première structure de propagation 24, où se propage la quantité de charges à mesurer, et qui est constituée de tronçons reliés deux à deux par des interrupteurs initialement fermés, - d'autre part une seconde structure de propagation dans laquelle peut se propager un signal de synchronisation de type "échelon" ; au moment du passage de l'échelon, celui-ci modifie la commande de l'état de l'interrupteur de façon à ce qu'il s'ouvre, et isole les deux tronçons auquel il est relié, des charges étant alors piégées dans un tronçon lorsque les deux interrupteurs qui le bornent sont ouverts. Ce sont ces charges qui sont ensuite lues par un dispositif de lecture approprié. Le dispositif est complété par des moyens pour générer un signal de synchronisation, reliés à la structure 26 de propagation d'impulsions de synchronisation. Par ailleurs, ils peuvent être reliés à un dispositif de lecture des charges dans les tronçons. En principe, le tronçonnage d'une ligne de propagation génère des phénomènes de réflexion à chaque extrémité des tronçons, ce qui peut réduire la bande passante. En fait, dans la présente invention, ce phénomène est évité en adaptant les largeurs de grille de transistors et les dimensions des plots d'entrée et de sortie, ainsi qu'en soignant la connexion entre lignes et plots. Un mode de réalisation particulier est illustré sur la figure 3. Sur cette figure, la référence 32 désigne un substrat isolant sur lequel sont déposés des tronçons 34, 36, 38 de ligne de propagation d'impulsions électriques. Ces tronçons sont par exemple constitués de tronçons de ligne microruban, par exemple d'impédance 50R. Deux commutateurs 40, 42 assurent la liaison entre d'une part les tronçons 34 et 36 et, d'autre part, les tronçons 36 et 38. Ces commutateurs sont par exemple des transistors, par exemple des MESFET, et sont reportés sur les tronçons de ligne. Selon un exemple de réalisation, le substrat 32 est un substrat en LaAl03, de 170 pm d'épaisseur. Les tronçons de ligne ont une largeur de 75 um, une longueur de 1730 pm, et ont une impédance de 50Q. La ligne de déclenchement a une largeur de 75 um, une impédance de 50Q, et est connectée à la commande d'un interrupteur selon un pas de 900 um. La vitesse de propagation de l'onde dans ces lignes est de 8,3x106 m/s, et l'échantillonnage temporel équivalent est réalisé toutes les 10 picosecondes. Avec une seconde ligne de synchronisation, disposée en opposition de phase par rapport à la première, on réalise un échantillonnage toutes les 5 picosecondes. Un exemple d'une telle réalisation est donné en figure 4, où deux lignes de synchronisation 26, 27 sont reliées par des interrupteurs 28, 29, 30, 31 à la ligne de propagation. Enfin, la capacité de stockage de l'information, constituée d'un tronçon de ligne, vaut 0,16 picofarad. En ce qui concerne les interrupteurs, ceux-ci sont des MESFET AsGa, de fréquence de coupure 30GHz, et d'impédance interne 50Q. Ils sont connectés par des microbilles d'indium sur les lignes. Leurs plots d'entrée et de sortie sont de la même largeur que la ligne (75 um), ce qui limite les réflexions au niveau des contacts. La figure 5 est un exemple de réalisation et montre cinq tronçons 50, 52, 54, 56, 58 reliés entre eux par des interrupteurs 60, 62, 64, 66. Sur chaque tronçon, la lecture des charges est réalisée à l'aide d'une ligne de lecture 68, 70, 72 74. Cette ligne de lecture est commutée à l'aide d'un interrupteur 76, 78, 80, 82. Un ordre de lecture est transmis à ces interrupteurs par l'intermédiaire d'une ligne 84. De préférence, les interrupteurs 60-66 et les interrupteurs 76-82 de lecture sont reportés sur un même circuit. La lecture des charges n'est effectuée que lorsqu'un signal de lecture est envoyé sur la ligne 84. La réalisation d'un échantillonneur pour impulsions ultracourtes, selon l'invention, peut être réalisée à partir de la connaissance de la fenêtre temporelle d'analyse, du pas temporel d'échantillonnage, et de la bande passante que l'on se donne. Ces paramètres sont, quant à eux, déterminés par l'application particulière envisagée. En fonction de ces données, on choisit une structure de propagation adaptée aux fréquences à propager, c'est-à-dire - le type de structure (microruban ou autres, par exemple ligne équilibrée (ruban enterré)), - le substrat isolant (le matériau constitutif, son épaisseur, etc.), - la géométrie et le matériau des lignes conductrices. Ce choix est réalisé de manière à ce que le signal soit propagé sur les lignes, dans les meilleures conditions de conservation de son énergie et de son spectre en fréquence compte tenu de sa bande passante. On peut calculer la permittivité électrique relative effective correspondant aux structures de propagation retenues, et en déduire la vitesse de propagation de l'onde sur ces structures. Si le signal de synchronisation et l'impulsion à mesurer ne sont pas propagés sur un même type de structure (par exemple si les substrats sont différents), on obtient deux vitesses de propagation Vsynchro et Vimpui. Soit Dt le pas temporel d'échantillonnage choisi, Dxs le pas spatial séparant deux commutateurs sur la ligne de synchronisation, Dxi le pas spatial séparant deux commutateurs sur la ligne de l'impulsion. On a alors Dt= (Dxi /Virnpui) - (Dxs /Vsynchro) On réalise la fenêtre d'échantillonnage avec N intervalles (N+l commutateurs), N étant tel que N=fenêtre d'échantillonnage/pas temporel d'échantillonnage. La longueur totale de la ligne d'échantillonnage est NxDxi et la longueur totale de la ligne de synchronisation est NxDxs. Ces longueurs, et le choix des intervalles Dx des lignes, sont ajustés compte tenu de la propagation de toutes les fréquences de la bande passante sur ces lignes. La figure 6 donne un exemple d'environnement dans lequel une structure selon l'invention, par exemple du type de celle décrite ci-dessus en figure 5, peut être intégrée. Un signal S(t) à analyser est envoyé en direction de la ligne d'échantillonnage. Des impulsions de synchronisation Sy commandent un système 86 de génération de signaux de séquencement temporel. Ce système envoie, par une ligne 88, des échelons de déclenchement vers la ligne de déclenchement du dispositif. Les impulsions de lecture de charge sont envoyées, par l'intermédiaire d'une ligne 84, en direction des lignes de lecture 68, 70, 72, 74. Un système 90 d'acquisition et de lecture séquentielle permet d'acquérir et de lire les quantités de charges bloquées dans les tronçons de la ligne d'échantillonnage. Ce système 90 est contrôlé par le système 86 de génération de signaux de séquencement temporel. Les données subissent ensuite une conversion analogique-digitale 92, puis sont mémorisées et/ou traitées par des moyens de calcul 94 (ordinateur). L'invention peut être appliquée à toute mesure de signal électrique très bref, et non répétitif. Par exemple, elle est adaptée à la mesure de la forme temporelle du faisceau d'un rayonnement synchrotron. Le rayonnement synchrotron de Trieste, en Italie, a un étalement temporel d'une centaine de picosecondes : on ne peut pas, dans ce cas, utiliser un optoéchantillonneur car l'énergie optique du faisceau d'électrons n'est que de 1 picojoule. Un échantillonneur électrique selon l'invention, avec une trentaine de points d'échantillonnage, permet de décrire un signal sur une durée de 300 picosecondes avec une valeur toutes les 10 picosecondes. REVENDICATIONS 1. Echantillonneur électrique comportant - une structure (24) de propagation d'impulsions électriques, comportant des tronçons (18-22 ; 34-38 50-58) isolés entre eux et reliés deux à deux par des interrupteurs (28, 30 ; 40, 42 ; 60-66), - des moyens (26) de commande de l'état d'ouverture et de fermeture des interrupteurs. 2. Echantillonneur selon la revendication 1, les moyens (26) de commande de l'état d'ouverture et de fermeture des interrupteurs comportant une seconde structure de propagation, dite de déclenchement, à laquelle les interrupteurs sont reliés. 3. Echantillonneur selon la revendication 2, comportant en outre au moins une structure supplémentaire de propagation, dite de déclenchement, à laquelle les interrupteurs sont également reliés. 4. Echantillonneur selon l'une des revendications 1 à 3, comportant en outre des moyens (68-74 ; 76-82) pour prélever des quantités de charges dans chaque tronçon. 5. Echantillonneur selon la revendication 4, comportant en outre des moyens de commutation (76-82) disposés entre chaque tronçon et les moyens (68-74) de prélèvement des quantités de charge de chaque tronçon. 6. Echantillonneur selon l'une des revendications précédentes, les interrupteurs étant du type MESFET. 7. Echantillonneur selon l'une des revendications précédentes, la structure de propagation d'impulsions électriques étant constituée de tronçons de microrubans (34-38) sur un substrat isolant (32). 8. Echantillonneur selon la revendication 7, les interrupteurs étant reportés sur les microrubans.