Brevet FR2812478A1 — publié le 20020201

La présente invention concerne d'abord un circuit électronique de conversion d'un signal électrique d'entrée. Elle concerne également un amplificateur de puissance à découpage d'asservissement en tension. L'invention trouvera particulièrement son application dans le domaine de la conversion de niveau de signaux électriques. En particulier, l'amplification de signaux audio de haute fidélité sera possible en mettant en oeuvre la présente invention ainsi que la commande de divers équipements électriques notamment en matière de motorisation pour la robotique. Dans le domaine de l'amplification audio, les amplificateurs actuels obéissent essentiellement à l'une des deux technologies suivantes. La première consiste à utiliser deux transistors MOSFET (transistor à effet de champ de technologie métal oxyde silicium) complémentaires montés en source commune. Bien que permettant l'obtention de bons résultats en matière de qualité audio, de tels montages ne permettent pas d'obtenir de gains importants en puissance. Une deuxième technologie consiste à employer deux transistors MOSFET tous deux à canal N arrangés en montage totem pole. L'un de ces transistors est monté en drain commun et l'autre est monté en source commune. Ce type de montage rencontre un fort succès actuellement dans le domaine de la haute fidélité pour des amplificateurs audio de classe D (amplificateur de puissance à découpage). Un tel montage en totem pôle a cependant un inconvénient majeur en ce qui concerne la commande des transistors. En effet, les grilles de chaque transistor MOSFET canal N doivent être commandées par deux signaux de source différente. De ce fait, des problèmes de synchronisation des signaux de commande se posent. Etant donné que la simultanéité de leur occurrence est impossible à obtenir dans la pratique, on constate des pics de courant lors des commutations. En effet, il peut arriver suivant ce montage que les deux transistors soient, durant un temps court, actifs simultanément ce qui engendre parfois des pics de courant pouvant atteindre plusieurs centaines d'ampères. Bien entendu, ces pics de courant importants sont dommageable tant sur le plan du rendement du système que de sa fiabilité. Pour éviter la présence de pics de courant lors de la commutation, on utilise couramment un temps mort au moment de cette commutation. On évite ainsi les pics de courant mais en générant d'autres inconvénients. En effet, l'insertion d'un temps mort engendre des distorsions sur le signal utile. Par ailleurs, le temps mort ne résout pas le problème du déséquilibre intrinsèque de la configuration en totem pôle: le montage des transistors n'est pas symétrique puisque l'un est monté en drain commun et l'autre monté en source commune. Par conséquent, les amplificateurs actuels ne donnent pas entière satisfaction puisqu'ils ne permettent pas de trouver un compromis satisfaisant entre le rendement du système et la fidélité obtenue dans l'amplification. Dans des technologies voisines de celles évoquées précédemment, on connaît du document FR-A-2.779.293 un circuit de sortie à transistor qui présente une tension supérieure à une tension de claquage de deux transistors NMOS et PMOS utilisés pour construire le circuit de sortie qui sont connectés en série et qui ont leurs grilles connectées l'une à l'autre. Un circuit de commande de potentiel est connecté aux grilles et aux sources de ces transistors. Le circuit de commande de potentiel reçoit de l'énergie depuis des alimentations de potentiels haut et bas. Le circuit de commande de potentiel applique une tension de référence intermédiaire sur les grilles des transistors. Puis en réponse à un signal d'entrée, le circuit de commande de potentiel commande les tensions appliquées sur les sources des transistors. Ce montage n'apporte pas un réel progrès par rapport au montage en totem pole compte tenu que deux signaux de commande sont encore nécessaires. Par ailleurs, il s'agit uniquement d'un montage en source commune. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs actuels et, en premier lieu de proposer un circuit assurant à la fois un haut rendement d'amplification et une qualité élevée du signal obtenu. L'un des premiers avantages de l'invention est d'avoir une seule source de commande de grilles afin d'éviter les problèmes à la commutation. On ne connaît plus ou très peu le phénomène de pics de courant. De ce fait, les pertes sont considérablement réduites à ce niveau sans générer une distorsion comme c'est le cas avec l'insertion de temps mort. Les pertes étant nettement réduites, il est possible d'envisager de larges applications à la présente invention pour obtenir des rendements très élevés tout en intégrant le dispositif sous la forme de modules ou de circuits hybrides de faible encombrement et donc à haut de rapport de puissance sur volume avec des caractéristiques dynamiques supérieures. Un autre avantage de l'invention est de proposer des moyens de commande qui forment la source de commande de grilles et des transistors sans avoir recours à un transformateur d'isolement. En conséquence, on ne connaît plus les limitations occasionnées par l'usage d'un transformateur d'isolement et on rend possible une excursion illimitée du rapport cyclique. On comprend que les avantages ainsi exposés permettent d'envisager de multiples emplois pour la présente invention. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif et non limitatif de l'invention. La présente invention concerne un circuit électronique de conversion d'un signal électrique d'entrée, comportant: - au moins deux transistors de polarités complémentaires et montés au drain commun, - des moyens de commande des transistors aptes à générer un signal de commande unique pour les grilles desdits transistors, - une ligne de sortie reliée aux sources desdits transistors. Sont ciaprès énoncées différentes variantes envisagées pour ce circuit: - les transistors complémentaires sont des transistors à effet de champs de technologie MOS, l'un à canal N. l'autre à canal P. - le circuit comprend un modulateur de largeur d'impulsion apte à convertir le signal d'entrée en un signal à largeur d'impulsion modulée exploitable par les moyens de commande. - les moyens de commande comprennent un circuit tampon générant un signal de commande et alimenté par une alimentation de potentiel haut et une alimentation de potentiel de référence. - l'alimentation de potentiel de référence est la ligne de sortie. - les moyens de commande comprennent un translateur de niveau constitué par un comparateur connecté en entrée au modulateur de largeur d'impulsion de telle sorte que son entrée inverseuse reçoive le signal (PWM) et que son entrée non inverseuse reçoive un signal inverse du signal (PWM), et connecté en sortie à l'entrée du circuit tampon. - le comparateur a une alimentation de potentiel haut constituée par l'alimentation de potentiel haut et une alimentation de potentiel bas constituée par la ligne de sortie. s - les moyens de commande comportent en sortie un réseau de polarisation relié en sortie à un générateur courant constant et aux grilles des transistors. - la liaison entre les grilles des transistors, à la sortie du réseau de polarisation, s'effectue au travers d'un réseau passif d'adaptation de niveau. - il comprend un filtre pour la filtration du signal de sortie. L'invention concerne également un amplificateur de puissance à découpage d'asservissement en tension intégrant le circuit selon l'invention. Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs. Ils représentent un mode de réalisation préféré selon l'invention. Ils permettront de comprendre aisément l'invention. La figure 1 est un schéma général fonctionnel du circuit électronique ici présenté. La figure 2 est un mode préféré de réalisation de ce circuit suivant un exemple. L'amplificateur proposé par la présente invention est du type classe D, à découpage d'asservissement en tension. Le circuit présenté pour sa réalisation comprend au moins deux transistors assurant la conversion de niveau du signal d'entrée In. Bien que des transistors à effet de champ de technologie MOS (Metal Oxyde Silicium) soient particulièrement visés, l'invention n'est pas limitative à ce niveau et d'autres types de transistors (bipolaires, IGBT, quantique par exemple) pourront être employés. On décrira ci-après le mode préféré de réalisation o il s'agit de transistors à effet de champ de technologie MOS, dénommés par la suite MOSFET. De façon connue en matière d'amplificateur en classe D, le signal à amplifier est reçu dans le circuit au niveau d'un modulateur 1 de largeur d'impulsion. Comme représenté à la figure 1, le modulateur 1 génère un signal carré à largeur d'impulsion modulée (PWM). Dans le cas de l'invention, ce signal PWM et son complémentaire PWM obtenu par tous moyens courants d'inversion constituent l'entrée des moyens de commande repérés 2 à la figure 1. De façon schématique, cette figure illustre que, par les signaux PWM et PWM ainsi que grâce à des alimentations de potentiel haut V1 et bas V2, les moyens de commande 2 forment en sortie un signal de commande 13. Le signal de commande 13 assure la commande des grilles des deux transistors repérés 4 et 5. Possiblement, un réseau passif 3 relie les deux grilles afin de réaliser une adaptation de niveau. Les transistors 4, 5 sont de polarités complémentaires. Dans le cas de MOSFET, l'une est de type Canal N 4, l'autre canal P 5. L'alimentation de puissance est constituée entre un potentiel haut Vp connecté au drain du transistor 4, et la terre G, connectée au drain du transistor 5. En sortie, un filtre 6 est souhaitable. De façon courante dans une application audio, il s'agira par exemple d'un filtre passe-bas de composition capacito-inductive. On notera que, selon l'invention, le signal 13 est l'unique signal de commande des grilles des transistors 4, 5. On résoud ainsi les problèmes de pics à la commutation évoqués précédemment. Par ailleurs, il apparaît que la ligne de sortie 14 est connectée aux sources des transistors 4, 5. Le signal de sortie obtenu par ce circuit est repéré en figure 1 par le terme out. On décrit ci-après plus précisément le mode particulier de réalisation de l'invention illustré à la figure 2. Un exemple préféré des moyens de commande 2 y est présenté. Au coeur des moyens de commande 2, un circuit tampon 10 permet la formation d'un signal de commande compatible. Il reçoit en entrée un signal à largeur d'impulsion modulée. Son alimentation est constituée par une source de potentiel haut V1 et un potentiel de référence. De façon caractéristique à l'invention, le potentiel de référence est pris sur la ligne de sortie 14. Le circuit tampon 10 est donc relié au neud Ni commun aux deux sources de transistors 4, 5. En sortie du circuit tampon 10, un réseau de polarisation 12 est présent. Il permettra de fixer le point de fonctionnement statique du circuit. A sa sortie, le noeud N2 relie les grilles des transistors 4, 5. Le générateur 11 y délivre un signal électrique à courant constant et place le potentiel bas V2 de l'alimentation de commande. Un autre avantage du circuit ici proposé est, selon une variante préférée, d'utiliser un translateur de niveau de conception particulière. A cet effet, les moyens de commande 2 comporteront, en amont du circuit tampon 10, un comparateur 9 tel que montré en figure 2. Comme illustré, l'alimentation du comparateur 9 sera similaire ou dérivée à celle du circuit tampon 10, entre un potentiel haut V1 et le potentiel de référence constitué par la ligne de sortie 14. Les entrées inverseuse et non inverseuse du comparateur reçoivent respectivement les signaux PWM et PWM L'emploi d'un tel réseau pour former la translation de niveau est avantageuse par rapport à l'utilisation d'un transformateur d'isolement puisqu'il permet une excursion illimitée du rapport cyclique. On notera que le circuit selon l'invention et l'amplificateur l'intégrant pourront présenter un encombrement particulièrement réduit aux regards des possibilités d'amplification offertes. La figure 2 montre également un mode de réalisation du filtre 6. REFERENCES 1. Modulateur de largeur d'impulsions 2. Moyens de commande 3. Réseau de liaison de grilles 4. Transistor 5. Transistor 6. Filtre 7, 8. Entrées des moyens de commande 9. Comparateur 10. Tampon 11. Générateur 12. Réseau de polarisation 13. Signal de commande 14. Ligne de sortie in: signal entrant out: signal de sortie V1: potentiel haut de l'alimentation de commande V2: potentiel bas de l'alimentation de commande Vp: potentiel haut de la source de puissance G: terre puissance N1: noeud 1 N2: neud 2 PWM: signal à largeur d'impulsion modulé 2812478 REVENDICATIONS 1. Circuit électronique de conversion d'un signal électrique d'entrée (In) , comportant: - au moins deux transistors de polarités complémentaires et montés en drain commun, - des moyens de commande (2) des transistors aptes à générer un signal de commande (13) unique pour les grilles desdits transistors, - une ligne de sortie (14) reliée aux sources desdits transistors. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les transistors sont complémentaires. 3. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'il comprend un modulateur (1) de largeur d'impulsion apte à convertir le signal d'entrée (In) en un signal (PWM) à largeur d'impulsion modulée exploitable par les moyens de commande (2). 4. Circuit selon la revendication 3 caractérisé par le fait que les moyens de commande comprennent un circuit tampon (10) adaptant un signal de commande et alimenté par une alimentation de potentiel haut (Vi) et une alimentation de potentiel de référence. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'alimentation de potentiel de référence est la ligne de sortie (14). 6. Circuit selon la revendication 5 caractérisé par le fait que les moyens de commande comprennent un translateur de niveau constitué par un comparateur (9) connecté en entrée au modulateur de largeur d'impulsion (1) de telle sorte que son entrée inverseuse reçoive le signal (PWM) et que son entrée non inverseuse reçoive un signal PWM inverse du signal (PWM), et connecté en sortie à l'entrée du circuit tampon (10). 7. Circuit selon la revendication 6 caractérisé par le fait que le comparateur (9) a une alimentation de potentiel haut constituée par l'alimentation de potentiel haut V1 et une alimentation de potentiel bas constituée par la ligne de sortie (14). 8. Circuit selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé par le fait que les moyens de commande comportent en sortie un réseau de polarisation (12) relié en sortie à un générateur (11) de tension à courant constant et aux grilles des transistors. 9. Circuit selon la revendication 8 caractérisé par le fait que la liaison entre les grilles des transistors, à la sortie du réseau de polarisation (12), s'effectue au travers d'un réseau (3) d'adaptation de niveau. 10. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend un filtre (6) pour la filtration du signal de sortie (out). 11. Amplificateur de puissance à découpage d'asservissement en tension caractérisé par le fait qu'il intègre le circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.