Brevet FR2774235A1 — publié le 19990730

La présente invention concerne un dispositif d'amplification d'un signal de faible intensité, tel que celui produit par un ensemble photodiodes identiques, disposé en ligne ou en matrice, ou même un circuit de détection du courant de ionisation d'une flamme. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement aux spectrophotomètres de flamme dans lesquels la flamme est analysée par une barrette photodiodes. Chaque photodiode d'une telle barrette se comporte comme un condensateur qui accumule une charge électrique lorsqu'elle est exposée à un rayonnement photonique. Pour déterminer l'intensité photonique reçue par chaque photodiode de la barrette, il suffit donc de mesurer la charge qu'elle a emmagasinée. A cet effet, les dispositifs connus comprennent un dispositif de commande qui transfère successivement et périodiquement les charges des photodiodes de la barrette à un circuit amplificateur de type à transfert de charge qui produit un signal dont la tension est déterminée par la charge reçue. Un tel circuit amplificateur comprend par exemple un amplificateur opérationnel de type FET ("Field Effect Transistor"), comportant une entrée directe et une entrée inverseuse, et un condensateur monté en parallèle entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur, l'autre entrée de l'amplificateur étant reliée à la masse, les charges des photodiodes étant déchargées successivement dans le condensateur. Entre chaque phase de transfert d'une charge de photodiode, le circuit d'amplification doit être réinitialisé pour mesurer d'une manière indépendante la charge de chaque photodiode. Ceci revient à décharger le condensateur du circuit amplificateur qui est à cet effet monté en parallèle avec un interrupteur. Pendant une période de lecture de durée T de l'ensemble des n photodiodes d'une barrette de photodiodes, chaque photodiode se décharge pendant un temps T/n - X et se recharge pendant le reste de la période T, X correspondant au temps de décharge du condensateur du circuit amplificateur. Un tel dispositif doit donc effectuer de nombreuses commutations, tant au niveau des photodiodes qu'au niveau de l'amplificateur. Il en résulte un niveau de bruit et des décalages en tension (offset) relativement importants qui s'ajoutent au bruit de fond inhérent à chaque transfert de charge, à l'amplification et aux capacités parasites entre le circuit lui-même et le dispositif de commande des commutations. Le signal produit en sortie du circuit amplificateur présente donc un niveau de bruit important qui affecte considérablement la précision des mesures d'intensité photonique effectuées par la barrette de photodiode, et ce d'autant plus que les charges accumulées par les photodiodes sont très faibles. Les calculs théoriques montrent que les échantillonneurs et les filtres qui suivent cet amplificateur limitent la bande passante utile. Le niveau de bruit de l'amplification devrait être négligeable devant celui des photodiodes. En pratique, le schéma classique ne permet pas d'atteindre ce résultat. La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle se base sur la constatation que, dans un dispositif comprenant un circuit d'amplification à transfert de charge comportant un amplificateur à deux entrées dont une première entrée est connectée à un premier circuit incluant l'ensemble des photodiodes de la barrette, le bruit engendré au niveau du circuit amplificateur est plus important que celui produit par les photodiodes. Selon l'invention, la seconde entrée de l'amplificateur est connectée à un second circuit d'équilibrage, symétrique du premier circuit, comprenant un second condensateur qui est chargé et déchargé de manière synchrone avec le premier condensateur, de manière à obtenir une compensation du niveau de bruit entre les entrées de l'amplificateur. L'invention permet ainsi d'obtenir une annulation des bruits corrélés des entrées de l'amplificateur et des décalages de commutation. Cette solution très simple permet d'atteindre une réduction du niveau de bruit en sortie de l'amplificateur d'un rapport de 3 à 4. Ce résultat peut encore être amélioré en refroidissant l'amplificateur. Selon une particularité de l'invention le second circuit comprend un condensateur et un interrupteur reliant l'entrée inverseuse de l'amplificateur à la masse, et dont la capacité est équivalente à celle d'une photodiode de la barrette. Alternativement, ce condensateur est remplacé par une autre barrette de photodiodes, identique et masquée de manière à ne pas recevoir de rayonnement photonique. Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente un dispositif selon l'art antérieur; La figure 2 représente le dispositif de la figure 1, modifié selon l'invention; La figure 3 montre une variante du dispositif selon l'invention. La figure 1 montre une barrette 1 de photodiodes Pl, P2, ... Pn montées en parallèle, la borne positive des photodiodes étant reliée à la masse, tandis que leur borne négative est connectée à un interrupteur Il, I2, ... In respectif. L'autre borne des interrupteurs Il à In est reliée à une borne de sortie de la barrette 1. Le signal en sortie de la barrette 1 est amplifié par un circuit d'amplification comprenant un amplificateur 11, par exemple de type amplificateur opérationnel à double entrée, un condensateur CF connecté entre une première entrée de l'amplificateur 11 et la sortie S de celui-ci, et un interrupteur IF monté en parallèle avec le condensateur CF. La seconde entrée de l'amplificateur 1 1 est reliée à la masse. Chaque photodiode Pi à Pn se comporte comme une source de courant montée en parallèle avec un condensateur ayant une capacité de l'ordre de 2 à 20 pF. Le condensateur CF présente une capacité du même ordre de grandeur. Le circuit montré sur la figure l comprend par ailleurs un circuit de commande 2 conçu pour fermer et ouvrir successivement et périodiquement les interrupteurs Il à In de la barrette l, en synchronisme avec l'interrupteur IF. Ainsi, au cours d'une période de durée T, chaque interrupteur Ik est fermé successivement pendant une durée T/n - T, n étant le nombre de photodiodes de la barrette et T la durée de décharge du condensateur CF. Un seul interrupteur Ik est fermé à un instant donné, de manière à établir la liaison entre une seule photodiode Pk correspondante et le circuit d'amplification. Lorsque cette liaison est établie, la charge accumulée par la photodiode Pk pendant le reste de la période T est transférée pendant le temps T/n - X dans le condensateur CF. L'amplificateur 11 produit alors une tension de sortie proportionnelle à la charge du condensateur CF. A la fin de la période T/n - x, l'interrupteur Ik correspondant à la photodiode Pk qui vient d'être lue s'ouvre, et l'interrupteur IF se ferme pendant le temps X pour décharger le condensateur CF, puis s'ouvre lorsque le condensateur est complètement déchargé. Simultanément, l'interrupteur Ik+l de la barrette l qui suit l'interrupteur Ik est fermé pour effectuer la lecture de la photodiode Pk+l suivante. Il s'avère que dans cette solution, le signal en sortie S de l'amplificateur il présente un niveau de bruit important, de l'ordre de 2 10''5 Coulombs par lecture de photodiode, relativement à la dynamique du signal produit en sortie S. Ce problème est atténué selon l'invention en connectant la seconde entrée de l'amplificateur 11 à un circuit symétrique de celui relié à la première entrée, comme cela est montré sur la figure 2. Ainsi, sur la figure 2, la seconde entrée de l'amplificateur 11 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur C'F monté en parallèle avec un interrupteur 1,F et également, par l'intermédiaire d'un condensateur Cp. Pour obtenir une compensation complète du niveau de bruit qui apparaît sur la première entrée de l'amplificateur 11, le condensateur CIF présente une capacité identique à celle du condensateur CF, le condensateur Cp une capacité équivalente à celle de chaque photodiode Pi à Pn de la barrette l, et l'interrupteur I(F est commandé par le dispositif de commande 2 en synchronisme avec l'interrupteur IF Alternativement, tel que représenté sur la figure 3, le condensateur Cp montré sur la figure 2 peut être remplacé par une barrette 1' de photodiodes, identique à la barrette l, qui est commandée de manière synchrone avec celle-ci, et qui est masquée de manière à ne pas capter de photons. Cette solution permet de ramener le niveau de bruit total de l'amplification à une valeur inférieure à 1,5 10.15 Coulomb par lecture, le bruit des photodiodes étant de l'ordre de 110.16 AIHzlt2. REVENDICATIONS l. Dispositif d'amplification d'un signal de faible intensité, comprenant un circuit d'amplification du type à transfert de charge, connecté à un ensemble (l) de photodiodes (Pl à Pn) identiques, ce circuit comportant un amplificateur (ll) à double entrée dont une première entrée est reliée à un premier circuit connecté à l'ensemble de photodiodes (l) et comprenant un premier condensateur (CF) dans lequel les charges accumulées par les photodiodes sont successivement transférées, le condensateur étant déchargé entre chaque transfert de charge de photodiode, caractérisé en ce que la seconde entrée de l'amplificateur (l l) est connectée à un second circuit d'équilibrage, symétrique du premier circuit relié à l'ensemble de photodiodes (l), comprenant un second condensateur (C)F) de même capacité que le premier condensateur (CF) et qui est chargé et déchargé de manière synchrone avec celui-ci, de manière à obtenir une compensation du bruit et des décalages. 2. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que le second circuit comprend un condensateur (Cp) reliant la seconde entrée de l'amplificateur (il) à la masse, et dont la capacité est équivalente à celle d'une photodiode (Pl à Pn) de l'ensemble (l) également relié à la masse. 3. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que le second circuit comprend un autre ensemble (l') de photodiodes identique à l'ensemble (l), reliant la seconde entrée de l'amplificateur (ll) à la masse, et commandé de manière synchrone avec l'ensemble (l) également relié à la masse. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble (l) de photodiodes (Pl à Pn) est une barrette de photodiodes montées en parallèle, chaque photodiode étant couplée en série avec un interrupteur respectif (Il à In). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier et le second condensateur (CF, CIF) sont montés en parallèle avec un interrupteur (IF, 1,F) respectif, le condensateur (CF) reliant la première entrée à la sortie (S) de l'amplificateur (li), tandis que le condensateur (C(F) relie la seconde entrée de l'amplificateur (ll) à la masse, les interrupteurs (IF, 1,F) étant commandés de manière synchrone. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble (l) est une barrette de photodiodes.