Brevet FR2817046A1 — publié le 20020524

Amplificateur de courant faible bruit avec gain et polarisation programmables. L'invention relève du domaine de la mesure électrique, notamment pour caractériser des éléments et des dispositifs à semiconducteur, par exemple de transistors en sortie d'une chaîne de fabrication. Il répond aux exigences de ces applications dont les principales sont : la programmabilité, la rapidité et l'insensibilité aux perturbations externes liées au faible bruit du système. Parmi des amplificateurs de courants (aussi appelés les convertisseurs courant-tension) programmables, on connaît deux appareils qui offrent des fonctions nominalement compatibles avec la plupart des exigences de mesures de caractérisation mentionnées cidessus. Un de ces appareils, dénommé"Keithley, Model 428 Current Amplifier", présente un temps de réponse très court, mais un bruit système élevé. Le deuxième, dénommé"Stanford, Model SR 570 Current Amplifier", présente le bruit système acceptable mais ne possède pas de fonction de garde. En outre, ces deux instruments sont conçus pour des applications variées nécessitant de nombreuses fonctions. Par conséquent, ils présentent un encombrement important et sont onéreux. L'invention propose de remédier aux inventions des dispositifs de mesure de l'art antérieur. L'invention propose un convertisseur courant/tension compact, bon marché, à faible bruit, pilotable par des moyens informatiques. L'invention propose un dispositif de préamplification, pour des mesures des signaux faibles, de gain élevé, apte à être disposé à proximité immédiate de la source des signaux. Le dispositif de mesure électrique, selon un aspect de l'invention, est apte à être relié à au moins une sonde polarisable. Le dispositif comprend une entrée pour liaison avec la sonde, ladite entrée étant équipée d'un circuit de garde apte à réduire l'effet de capacités parasites, un moyen de conversion courant/tension apte à émettre en sortie une tension Vs égale au produit du courant le de l'entrée et d'un gain G programmable, et un moyen de polarisation de ladite entrée. Le dispositif de mesure réunit dans un seul circuit la fonction de polarisation de son entrée, de la mesure de courant et de la garde des entrées. En plus, le montage est effectué sur une seule carte (EUstandard), donc dans un volume restreint. Pour cette raison, son encombrement et son coût restent faibles, ce qui permet une utilisation simultanée de plusieurs dispositifs, par exemple dans les stations des contacts à pointe (probe stations). Le gain du dispositif d'amplification est ajustable par des moyens informatiques afin de donner un signal de sortie suffisamment fort pour être traité par des systèmes d'acquisition des données standards, par exemple d'un ordinateur. Le système de commandes numériques et le système de mesures électriques sont indépendants galvaniquement et isolés de leur environnement. Avantageusement, le moyen de polarisation fournit une tension de polarisation programmable. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif est à pilotage impulsionnel, de façon qu'en l'absence d'impulsion il conserve l'état (i. e. le gain et les tensions de polarisation) qu'il présentait suite à la dernière impulsion reçue. De préférence, le moyen de conversion comprend un amplificateur et une boucle de contre-réaction pourvue d'une pluralité de résistances en parallèle, chaque résistance étant en série avec un relais bistable. En d'autres termes, la boucle de contre-réaction est formée d'une pluralité de sous-circuits mis en parallèle, chaque sous-circuit comprenant en série une résistance et un relais bistable. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un moyen de commande desdits relais. Le moyen de commande peut comprendre des intégrateurs pour la commande impulsionnelle. Avantageusement, le dispositif comprend un moyen d'alimentation pourvu de batteries rechargeables et/ou de piles. Le dispositif peut comprendre une entrée supplémentaire équipée d'un circuit de garde et d'un moyen de polarisation de ladite entrée supplémentaire. Le dispositif peut comprendre une interface d'entrée apte à être couplée de façon optoélectronique avec un autre dispositif, tel qu'un ordinateur. Le dispositif peut comprend un moyen de couplage optoélectronique. Dans un mode de réalisation de l'invention, le potentiel terre est séparé de la masse commune. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif est pourvu d'un blindage électromagnétique. Le système de mesure électrique, selon un aspect de l'invention, comprend deux parties. La première partie comprend une entrée équipée d'un moyen de polarisation de ladite entrée et d'un circuit de garde apte à réduire l'effet de capacités parasites, pour liaison avec une sonde polarisable, et un moyen de conversion courant/tension apte à émettre en sortie une tension Vs égale au produit du courant Ie de ladite entrée et d'un gain G programmable. La première partie est indépendante galvaniquement de son environnement et est apte à émettre en sortie des signaux analogiques. La deuxième partie forme un moyen de commande numérique de paramètres G et Vs de la première partie et de traitement desdits signaux émis par la première partie pour déterminer des caractéristiques électriques, notamment statiques et dynamiques. De préférence, la deuxième partie comprend un ordinateur, une carte d'acquisition formant interface entre l'ordinateur et la première partie, un logiciel de traitement du signal et un logiciel interface hommemachine. La séparation en deux parties permet une réalisation économique de chacune d'entre elles et un faible encombrement de la première partie qui peut ainsi être disposée au plus près des éléments dont on veut mesurer des caractéristiques électriques, d'où une réduction du bruit du signal de mesure. L'invention propose également un programme d'ordinateur comprenant des moyens de code-programme pour mettre en oeuvre le dispositif et/ou le système, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L'invention concerne également un support capable d'être lu par un dispositif de lecture de moyens de code-programme qui s'y trouvent stockés et qui sont aptes à la mise en oeuvre du dispositif et/ou du système, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 2 montre un système de mesure selon un mode de réalisation de l'invention utilisé sur un transistor à effet de champ. Pour des raisons de clarté, les amplificateurs ont été représentés seuls, sans les éléments passifs qui leur sont associés. Le dispositif illustré sur la figure 1 comprend une entrée principale triaxiale 1, comprenant un conducteur central formant entrée de courant 2, un conducteur médian 3, et un conducteur extérieur 4 relié à une masse du dispositif. L'entrée de courant 2 est reliée à un convertisseur 5 de type courant/tension, comprenant un amplificateur 6 et une boucle de contre-réaction pourvue d'un pluralité de sous-circuits disposés en parallèle, chaque sous-circuit comprenant une résistance 7 et un relais bistable 8. Une capacité de filtrage 9 est également prévue en parallèle avec lesdits sous-circuits. Les relais 8 sont bistables de façon qu'ils ne sont pas alimentés en-dehors des commutations et qu'aucune commutation n'ait lieu en-dehors d'un ordre de commande prévu à cet effet. L'entrée de courant 2 est reliée à l'une des deux entrées de l'amplificateur 6, tandis que la boucle de contre-réaction est reliée d'une part à la même entrée et d'autre part à la sortie de l'amplificateur 6. La sortie de l'amplificateur 6 est reliée à l'entrée d'un amplificateur 10 par l'intermédiaire d'une capacité. La sortie de l'amplificateur 10 est reliée à une sortie dite alternative 11. L'amplificateur 10 est prévu pour effectuer un filtrage capacitif, de façon que seule la composante alternative du signal issu de la sortie du convertisseur 5 soit transmise à la sortie alternative 11. De plus, on prévoit que l'amplificateur 10 assure un gain supérieur à 1, par exemple de l'ordre de 10. La sortie de l'amplificateur 6 est également reliée à l'entrée d'un amplificateur 12 dont la sortie est reliée à une sortie dite continue 13. L'amplificateur 12 est prévu de telle sorte qu'il ne transmette que la composante continue du signal issu de la sortie du convertisseur 5, vers la sortie continue 13, par exemple au moyen d'un filtre passe-bas. L'amplificateur 12 présente un gain faible, par exemple de l'ordre de 1. Pour garantir une bonne précision de mesure, on prévoit que la distance entre l'entrée de courant 2 et l'amplificateur 6 sera la plus faible possible. Le dispositif comprend en outre un circuit de garde 14, comprenant au moins un amplificateur dont la sortie est reliée au conducteur médian 3 de l'entrée 1 et dont l'entrée est reliée à l'autre entrée de l'amplificateur 6 du convertisseur 5, à l'autre entrée de l'amplificateur 12 et à un circuit d'entrée comprenant un élément d'isolement 15 à base de bascules"latch", un optocoupleur 16 monté en sortie de l'élément d'isolement 15 et un potentiomètre numérique 17 monté en sortie de l'optocoupleur 16 et dont la sortie est reliée à ladite entrée du circuit de garde 14 ainsi qu'à l'autre entrée de l'amplificateur 6 et à l'autre entrée de l'amplificateur 12. L'entrée de l'élément d'isolement 15 est prévue pour être reliée à un élément de commande. Le dispositif comprend en outre un optocoupleur 18 monté en sortie de l'élément d'isolement 15, à l'instar de l'optocoupleur 16, un décodeur 19 monté en sortie de l'optocoupleur 18 et un intégrateur 20 monté en sortie du décodeur 19 et pourvu de bascules à verrouillage. L'intégrateur 20 permet l'interprétation de commandes impulsionnelles reçues en entrée de l'élément d'isolement 15. La sortie de l'intégrateur 20 est reliée à chacun des relais bistables 8 et en assure la commande. On voit sur la figure 1 que le convertisseur 5 comprend cinq sous-circuits, comprenant chacun une résistance 7 et un relais 8. Les valeurs des résistances 7 sont prévues de façon étagée afin de permettre le plus grand nombre possible de valeurs de gain G différentes selon la combinaison des relais 8 ouverts et fermés. On pourra par exemple prévoir un étagement géométrique des valeurs des résistances 7. Le dispositif comprend en outre une batterie 21 de stockage d'énergie électrique reliée à une alimentation 22, destinée à fournir en énergie électrique les différents éléments décrits ci-dessus. Pour des raisons de clarté de dessins, les lignes électriques entre l'alimentation 22 et lesdits éléments n'ont pas été représentées. Plus précisément, l'entrée de courant 2 est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur 6. On obtient donc en sortie une tension Vs = le x G. Le gain G est déterminé par la résistance offerte par la boucle de contre-réaction et résultant de la combinaison en parallèle des résistances 7 dont les relais bistables associés sont fermés. Le gain est donc programmable par l'entrée du dispositif qui agit sur les relais bistables 8 par l'intermédiaire de l'élément d'isolement 15, de l'optocoupleur 18, du décodeur 19 et de l'intégrateur 20. Le dispositif peut s'appliquer à la mesure de courant dans des ensembles microélectroniques, en particulier comme préamplificateur de courant passant par des pointes dans les bancs de mesure afin de caractériser les dispositifs sur tranche, en statique et en bruit. Le dispositif peut également servir comme convertisseur courant/tension pour des capteurs qui génèrent des porteurs de courant, par exemple des cellules photovoltaïques, des photodiodes, où la polarisation est nécessaire. En effet, la polarisation est ici assurée par la connexion entre la sortie de l'interface 17 et l'autre entrée de l'amplificateur 6. Cette connexion garantit également que la tension du circuit de garde 14 soit sensiblement égale à la tension sur l'entrée de courant 2. Le circuit de garde permet de supprimer d'éventuels effets parasites, en particulier des fuites et des effets de capacités parasites. L'alimentation par batterie 21 garantit une totale isolation galvanique du dispositif par rapport à son environnement, notamment par rapport à l'élément dont il mesure le courant ou par rapport à la tension du secteur 220 Volts, 50 Hertz ou autre. Par ailleurs, le fait de disposer une boucle de contre-réaction dont la résistance est programmable, est bien adapté quelle que soit la valeur du courant et ne risque pas de générer de bruit. On peut maintenir la tension Vout sans problème d'impédance d'entrée. A titre de variante simplifiée, on pourrait prévoir un dispositif dépourvu de polarisation interne. L'intégrateur 20 envoie une impulsion de tension positive sur la bobine du relais que l'on sélectionne, ce qui provoque sa fermeture, et une impulsion négative pour provoquer son ouverture. Les bobines des relais 8 ne sont pas alimentées pendant les mesures de courant, ce qui élimine des perturbations électromagnétiques et diminue donc le bruit. Si le gain G doit être modifié au cours d'une mesure, soit ladite mesure est interrompue et reprise, par exemple sur instruction provenant de l'extérieur, soit il n'est plus tenu compte des tensions de sortie pendant la durée de perturbation possible du dispositif. L'interface 17 est alimentée en-5 Volts et en + 5 Volts et assure une fonction de potentiomètre numérique, composée de 99 éléments résistifs dont chacun est accessible par la commande du potentiomètre. Ceci donne une résolution maximale de la tension de 10 m Volts pour des tensions d'alimentation de-5 et + 5 Volts. Par ailleurs, le dispositif est entouré d'un blindage électromagnétique, non représenté, assurant la séparation du potentiel de la terre et de la masse commune du dispositif. Le blindage peut être assuré par un boîtier métallique ou par l'utilisation de feuilles métalliques encapsulant des éléments sensibles. Le bruit du signal de sortie est extrêmement faible grâce à l'alimentation du système par batterie rechargeable-on peut prévoir d'incorporer un chargeur de batterie qui fonctionnera en-dehors des périodes de mesure-, par le couplage optoélectronique entre l'entrée de commande du dispositif et le reste du dispositif, le blindage, le circuit de garde sur l'entrée avec un écran externe à la masse du système assuré par le conducteur 4 et enfin la connexion à la sonde au moyen d'un câble triaxial. Le dispositif peut être débranché puis rebranché tout en conservant son état antérieur (gain, polarisation). Sur la figure 2, est illustré un mode de réalisation incorporant le dispositif représenté sur la figure 1. Le dispositif de la figure 2 comprend, en outre, une interface 23 sous la forme d'un potentiomètre numérique dont l'entrée est reliée à la sortie d'un optocoupleur 43 relié à l'élément d'isolement 15. La sortie de l'interface 23 est reliée, d'une part, à l'entrée d'un amplificateur 24 et, d'autre part, à l'entrée d'un amplificateur 25 formant circuit de garde. Une entrée secondaire 26 comprend un conducteur central 27 relié à la sortie de l'amplificateur 24, un conducteur médian 28 relié à la sortie de l'amplificateur 25 et prévu pour être à la même tension que le conducteur central 27, et un conducteur extérieur 29 mis à la masse. Le dispositif de mesure comporte donc deux entrées polarisées dont une en série avec un convertisseur courant/tension. Le conducteur central 27 peut être réglé à la tension souhaitée par l'opérateur ou déterminée par une commande grâce à l'amplificateur 24 et à l'interface 23. Le dispositif de la figure 2 peut être utilisé pour la mesure de caractéristiques électriques d'un transistor 30 à effet de champ. Le transistor 30 comprend un drain 31 relié à l'entrée de courant principale 2, une source 32 mise à la masse du dispositif et une grille 33 reliée au conducteur central 27 de l'entrée secondaire 26. Comme expliqué précédemment, le gain du convertisseur 5 est déterminé par les valeurs des résistances 7 mises en parallèle avec les relais bistables correspondants fermés. On peut contrôler la tension de grille V du transistor 30 et mesurer le courant de drain Id correspondant et ainsi tracer une courbe de courant de drain Id en fonction de la tension de grille V De plus, pour faciliter l'utilisation des signaux de sortie, en particulier de la tension vont sur la sortie continue 13, on prévoit de maintenir vont sensiblement constant quel que soit le niveau du courant le en entrée en commandant de façon adéquate le gain G, avec Id = le. On évite aussi de saturer l'amplificateur 6. Ainsi, l'utilisateur peut employer des instruments simples et donc bon marché pour les relier à la sortie 13, ainsi qu'à la sortie 11. De façon générale, un ordinateur personnel équipé d'une carte d'acquisition adaptée, sera suffisant. Un système de mesure comprend une première partie telle que décrite ci-dessus et reliée à une deuxième partie dite de commande ou de pilotage référencée 34 dans son ensemble, comprenant un moyen d'alimentation 35 relié par exemple au secteur, une interface 36 reliée à la sortie alternative Il, une interface 37 reliée à la sortie continue 13, une carte d'acquisition 38 reliée à la fois aux interfaces 36 et 37, un ordinateur 39 relié à la sortie de la carte d'acquisition 38 et qui pourra comprendre un écran 40, un clavier 41 et une souris 42. L'ordinateur 39 comprendra de façon générale au moins un microprocesseur, au moins une mémoire et au moins un logiciel destiné à le faire fonctionner. Plus particulièrement, l'ordinateur 39 comprendra un logiciel de traitement du signal émis par la carte d'acquisition 38 et un logiciel d'interface homme-machine permettant d'afficher à l'écran 40 des fenêtres permettant une interprétation aisée des signaux électriques mesurés et la commande de fonctionnement de la première partie, la carte d'acquisition 38 étant également reliée à l'élément d'isolement 15. L'ordinateur pourra servir comme analyseur de spectre, et ce, à partir d'une tension amplifiée peu sensible au bruit. A cette fin, une carte d'analyse spectrale pourra lui être adjointe. De préférence, la première partie sera disposée au plus près de l'élément électrique dont on cherche à mesurer les caractéristiques, tandis que la deuxième partie 34 pourra être disposée à distance et ce sans inconvénient pour la qualité de la mesure. Au contraire, le fait de disposer la première partie le plus près possible de l'élément électrique à mesurer permet de réduire le bruit généré par le système. La première partie est de type analogique, ce qui évite la présence d'éléments numériques bruyants. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure électrique apte à être relié à au moins une sonde polarisable, caractérisé par le fait qu'il comprend une entrée (1) pour liaison avec la sonde, ladite entrée étant équipée d'un circuit de garde (14) apte à réduire l'effet de capacités parasites et des fuites, un moyen de conversion courant/tension (5) apte à émettre en sortie une tension Vs égale au produit du courant le de ladite entrée et d'un gain G programmable, et un moyen de polarisation de ladite entrée, ledit dispositif étant indépendant galvaniquement de son environnement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de polarisation fournit une tension de polarisation programmable. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le dispositif est à pilotage impulsionnel, de façon qu'en l'absence d'impulsion il conserve l'état qu'il présentait suite à la dernière impulsion reçue. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moyen de conversion (5) comprend un amplificateur (6) et une boucle de contre-réaction pourvue d'une pluralité de résistances (7) en parallèle, chaque résistance étant en série avec un relais bistable (8). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de commande (18,19, 20) desdits relais, comprenant des intégrateurs à commande impulsionnelle. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite entrée (1) est triaxiale. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen d'alimentation pourvu de batteries rechargeables (21) et/ou de piles. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une entrée supplémentaire (26) équipée d'un circuit de garde et d'un moyen de polarisation de ladite entrée supplémentaire. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une interface apte à être couplée de façon optoélectronique avec un autre dispositif. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de couplage optoélectronique. 11. Système de mesure électrique apte à être relié à au moins une sonde polarisable, caractérisé par le fait qu'il comprend une première partie comprenant une entrée (1) équipée d'un moyen de polarisation de ladite entrée et d'un circuit de garde (14) apte à réduire les courants de fuite et l'effet de capacités parasites, pour liaison avec ladite sonde, et un moyen de conversion courant/tension (5) apte à émettre en sortie une tension V égale au produit du courant le de ladite entrée et d'un gain G programmable, ladite première partie étant indépendante galvaniquement de son environnement et étant apte à émettre en sortie des signaux analogiques, et une deuxième partie (34) formant moyen de commande numérique de paramétrage de la première partie et de traitement des signaux émis par ladite première partie pour déterminer des caractéristiques électriques. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la deuxième partie (34) comprend un ordinateur, une carte d'acquisition formant interface entre l'ordinateur et la première partie, un logiciel de traitement du signal et un logiciel interface homme-machine.