Brevet FR2839400A1 — publié le 20031107

AMPLIFICATEUR A GAIN VARIABLE ET FAIBLE BRUIT A GRANDE DYNAMIQUE La presente invention se rapporte a un amplificateur a gain variable et faible bruit a grande dynamique. Des amplificateurs a gain variable et falble bruit vent utilises, entre autres, dans des echographes. Les echos recueillis par les sondes ultrasonores de ces echographes vent tous de faible niveau, et le rapport entre le niveau des echos les plus faibles et celui des echos les moins falbies peut etre tres important (plus de 100 dB). Pour realiser des amplificateurs dont le gain puisse s'adapter a une telle dynamique, on leur associe des composants a grande variation de reactance. Ces composants vent des o diodes a capacite variant en fonction de la tension qui leur est appliquee, connues sous ia denomination de . La plage de variation de capacite des varicaps courantes n'est pas tres etendue. Senles des varicaps speciales, tres on ereux, co nvi end raient, et ei les d' autant plus onereux q ue l a technologie habituelle de fabrication de ces diodes est de type BlCmos, ce qui oblige a selectionner dans une serie de fabrication celles ayant la plus grande plage de variation de capacite. La presente invention a pour objet un amplificateur a gain variable a faible bruit, dont la variation de gain ait la plus grande dynamique possible, et qui permette d'utiliser des composants reactifs a falble plage de variation de reactance, ces composants pouvant etre realises selon une technologie classique telle que BlCmos. L'amplificateur conforme a i'invention, du type a amplificateur operationnel dont la sortie est reliee par un premier element reactif a une de ses entrees, cette entree etant par ailleurs reliee par un deuxieme element reactif a un pole commun de l'alimentation de l'amplificateur, est caracterise en ce que les deux elements reactifs vent des elements a capacite variable, de preference des Varicaps. De preference, chaque element a capacite variable comporte au moins deux varicaps. La presente invention sera mieux comprise a la lecture de la description detaillee d'un mode de realisation, pris a titre d'exemple non limitatif et illustre par le dessin annexe, sur lequel: - la figure 1 est un schema simplifie d'un circuit a amplificateur operationnel pouvant etre monte en amplificateur a gain variable, et dont deux elements seront remplaces pour constituer ia solution selon ['invention; - la figure 2 est un schema simplifie d'un amplificateur a gain variable conforme a ['invention et realise a partir du circuit de la figure 1; - la figure 3 est un schema detaille d'un exemple de realisation de l'amplificateur a gain variable conforme a ['invention; - la figure 4 est un diagramme d'evolution en fonction du temps de la tension de commande des elements reactifs de I'amplificateur conforme a ['invention; - la figure 5 est un schema detaille d'un exemple de realisation d'un circuit de commande pour les elements reactifs de l'amplificateur de ['invention; et - les figures 6 et 7 vent des diagrammes d'evolution du gain de I'amplificateur de ['invention en fonction de la frequence, pour deux plages differentes de variation de capacite des varicaps associees a cet amplificateur. La presente invention est decrite ici en reference a un amplificateur de signaux d'echo pour appareil a ultrasons, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitee a cette seule application, et qu'elle peut etre mise en oeuvre dans de nombreuses autres applications necessitant un amplificateur a gain variable a large plage de variation de gain sur une large plage de frequences, pour amplifier des signaux pouvant etre de tres falble niveau. On a represente en figure 1 un circuit 1 a amplificateur operationnel 2 en montage classique, dont ['entree non inverseuse re,coit d'un pole d'une source 3, des signaux a amplifier, I'autre pole de cette source etant relic a la masse, et dont ['entree inverseuse est reliee a sa sortie par une reactance 4, d'impedance Z1. L'entree inverseuse de l'amplificateur 2 est egaiement reliee a la masse par une reactance 5, d' impedance Z2. II est bien connu que le gain G du circuit 1 est donne par: G = 1+ (Z1/Z2) . Pour que ce circuit 1 se comporte en amplificateur a gain variable, il faut faire varier la valeur de ['impedance Z1 et/ou de i'impedance Z2. En general, la reactance 4 est du type a impedance variant en fonction d'une tension de commande. En general, la loi de variation de cette impedance n'est pas necessairement lineaire en fonction des variations de la tension de commande. Le circuit produisant la tension de commande variable peut memoriser la loi liant les variations de la tension de commande aux variations d'impedance. L'element 4 peut etre une resistance, mais en general c'est un element capacitif. Selon ['invention, les deux reactances 4 et 5 vent des elements capacitifs dont la valeur de la capacite est variable et commandee en tension. De preference, ce vent des diodes a capacite variable, denommees . Une diode Varicap est une diode dont la capacite intrinseque varie fortement en fonction de la tension inverse qui lui est appliquee. Cette tension sera denommee par la suite tension de commande Vc. Selon une autre caracteristique de ['invention, les diodes Varicap utilisees en tent qu'elements 4 et 5 vent apairees, une telle caracteristique etant importante pour la realisation d'un circuit 1 integre specifique. En effet, il est bien connu que les valeurs des parametres caracteristiques de composants presentent une dispersion importante dans une meme serie de fabrication, mais la tolerance sur le rapport des caracteristiques de deux composants similaires est toujours etroite. Grace a cette caracteristique, le gain du circuit 1 avec des varicaps en tent qu'elements 4 et 5 devient pratiquement independent de la serie de fabrication dans laquelle vent prises les varicaps, du fait que ce gain depend du rapport de deux composants similaires, pris dans une meme eerie. En outre, I'utilisation de deux reactances a impedance variable permet d'elargir la plage de variation du gain de l'amplificateur 1 a gain variable. En fait, lorsque la valeur de Z1 augmente, celle de Z2 diminue, et inversement. Dans le circuit conforme a ['invention, I'etendue de la plage theorique de variation de gain est sensiblement egale au carre de l'etendue de celle du circuit de l'art anterieur a une seule varicap. On a represente en figure 2 le schema simplifie d'un amplificateur 6 a gain variable conforme a ['invention. Cet amplificateur 6 comporte les elements 7 a 10, respectivement similaires aux elements 2 a 5 de la figure 1, et un circuit 11 de commande de la tension inverse appliquee aux varicaps 9 et 10, c'est-a-dire fournissant ladite tension de commande Vc. La figure 3 montre le schema detaille d'un exemple 12 de realisation de la partie , (c'est-a-dire sans le circuit de cornmande 11) de l'amplificateur a gain variable 6 de la figure 2. Ce montage amplificateur 12 comporte un amplificateur operationnel 13, alimente de facon symetrique en etant relic d'un cote a une borne a tension d'alimentation +vcc, et de l'autre a une borne a tension d'alimentation Vcc. Une source 18 de signaux a amplifier (par exemple une sonde ultrasonore) est reliee a ['entree non inverseuse de l'amplificateur 13 par une resistance serie 19 et un transformateur 20. lo L'entree inverseuse de l'amplificateur 13 est reliee, d'une part, a sa sortie par un circuit 21, et d'autre part, a la masse (qui represente le pole cornmun des tensions d'alimentation +vcc et -vcc) par un circuit 22. Ces circuits 21 et 22 correspondent respectivement aux reactances g et 10 de la figure 2. Le circuit 21 comporte une resistance 23 branchee entre la sortie et ['entree inverseuse de l'amplificateur 13. En parallele sur la resistance 23, est branche un circuit serie se composant d'une resistance 24, d'un condensateur 25, d'une diode varicap 26 et d'un condensateur 27. La cathode de la diode 26 est reliee par une resistance 28, en serie avec une resistance 29, a une borne 30 sur laquelle est appliquee une premiere tension de commande de gain TC1. Le point commun des resistances 28 et 29 est relic a la masse par un condensateur 31. En parallele sur le circuit serie comportant la diode 26 et le condensateur 27, on branche d'une part un condensateur 32 et d'autre part un circuit serie comportant une diode varicap 33 et un condensateur 34, la cathode de la diode 33 etant reliee a ['anode de la diode 26. Le point commun a ['anode de la diode 33 et au condensateur 34 est relic par une resistance 35 en serie avec une autre resistance 37 a une borne 37. Une tension de commande de gain TC2 est appliquee a la borne 37. Le point commun des resistances 35 et 36 est relic a la masse par un condensateur 38. Le point commun au condensateur 25, aux diodes 28 et 35 et au condensateur 32 est relic a la masse par une resistance 39. Le circuit 22 comporte d'une part une resistance 40 branchee entre ['entree inverseuse de l'amplificateur 13 et la masse, et d'autre part un circuit serie-parallele compose des elements 41 a 55 decrits ci-dessous. Ce circuit serie-parallele comporte une premiere branche eerie, branchee entre I'entree inverseuse de l'amplificateur 13 et la masse et se composant, dans l'ordre, d'une resistance 41, d'un condensateur 42 et d'une autre resistance 43. Le point commun au condensateur 42 et a la resistance 43 est relic d'une part a la cathode d'une varicap 44 et d'autre part a ['anode d'une autre varicap 45. L'anode de la varicap 44 est reliee a une borne 46 par deux resistances en serie 47 et 48, decouplees chacune a la masse par un condensateur 49, 50 respectivement. Une tension de commande de gain TC3 est appliquee a la borne 46. De meme, la cathode de la varicap 45 est reliee a une borne 51 par deux resistances en serie 52, 53, decouplees chacune a la masse par un condensateur 54, 55 respectivement. Une tension de commande de gain TC4 est appliquee a la borne 51. Dans le circuit de la figure 3, afin d'eviter les influences nefastes de la distorsion harmonique, due a la dependence de la capacitance des diodes varicap vis-a-vis de la tension qui leur est appliquee, on utilise deux diodes varicap pour chacun des circuits 21 et 22, chacune de ces diodes etant commandee, de fa,con connue en soi, par sa propre tension de commande continue, TC1 a TC4, ces diodes etant branchees en opposition l'une par rapport a l'autre et pouvant done etre commandees independamment l'une de l'autre par des tensions de polarites opposees. Dans le circuit 21, la resistance 39 assure la liaison a la masse pour les tensions TC1 et TC2, tandis que dans le circuit 22, c'est la resistance 43 qui oue ce role pour les tensions TC3 et TC4. Grace a cette commande en sens opposes des deux varicaps dans chacun des circuits 21 et 22, on reduit la distorsion harmonique intrinseque de ces diodes due a leur loi de variation de leur capacitance en fonction de ia tension a leurs bornes. On a represente en figure 4 un exemple d'evolution en fonction du temps de la tension de pilotage a partir de laquelle on produit les tensions de commande TC1 a TC4 (constituent chacune la tension Vc relative a chacune des varicaps), dans le cas ou l'amplificateur a gain variable de ['invention est relic a une sonde ultrasonore. Ce gain doit etre minimal au debut de ['acquisition d'une ligne (t0), et augmenter ensuite jusqu'a un instant t1, en presentant eventuellement un palier, a partir d'une temps t'1, du a une saturation du gain. A un instant t2, proche de t1, ce gain doit s'annuler jusqu'a un instant t3, a partir duquel recommence le meme processus que celui ayant commence en t0. Dans l'exemple considere, t0 = 0,00 us, t'1 = ,us, t1 = 50 us, t2 = 55,us et t3 = 80 us. Pour simplifier la description, on a suppose ici que la loi de variation du gain de l'amplificateur 13 concide avec la loi de variation des tensions de commande des varicaps. Ces tensions de commande vent habituellement fournies par un convertisseur numerique/analogique, ce qui permet en fait de produire n'importe queue loi de variation des tensions de commande tenant compte des non-linearites de la loi de variation de la capacite des diodes, et done de la variation du gain de l'amplificateur en l0 fonction de ces tensions de commande. A partir d'une tension de pilotage telle que representee en figure 4, on produit les quatre tensions TC1 a TC4 a ['aide d'un circuit tel que represente par exemple en figure 5. TC1 doit etre egale, en valeur absolue, a chaque instant, a TC2, mais de signe oppose, tandis que TC3 doit etre egale en valeur absolue a TC4, mais de signe oppose. II est a noter que pour obtenir un gain minimal, TC3 et TC4 doivent avoir une valeur absolue maximale a ['instant to' ce qui correspond a la capacite minimale des varicaps 44 et 45. De fa,con similaire, pour obtenir un gain minimal a ['instant to, les tensions TC1 et TC2 doivent avoir une valeur absolue minimale, ce qui correspond a une capacite maximale pour les varicaps 26 et 33. II est egalement a noter qu'il suffit d'un seui circuit de pilotage pour tous les amplificateurs a gain variable d'une machine d'echographie par ultrasons, qui peut comporter habituellement 64 ou 128 tels amplificateurs. On a represente en figure 5 le schema d'un exemple de realisation d'un circuit de commande 56 pouvant fournir les tensions TC1 a TC4 a partir d'une unique tension de pilotage fournie par un generateur 57 (comportant, de fapon connue en soi, un generateur numerique programmable et un convertisseur numerique/analogique). Le generateur 57 attaque directement un etage de commande comportant deux amplificateurs operationnels 58, 59 fournissant les tensions TC1 et TC2, et par l'intermediaire d'un amplificateur operationnel auxiliaire 60, un deuxieme etage de commande comportant les amplificateurs operationnels 61, 62, qui fournissent les tensions TC3 et TC4. Tous les amplificateurs operationnels 58 a 62 vent montes de la meme facon: leur entree non inverseuse est reliee a la masse, leur entree inverseuse est attaquee via une resistance serie RS et par une resistance de contra-reaction RCR, et ils vent alimentes symetriquement, chacun etant relic a une tension positive V+ et a une tension negative V-, par rapport a la masse. En outre, I'entree inverseuse de l'amplificateur 61 est reliee a la masse par une resistance 63 en serie avec une source de tension auxiliaire 64. Selon un exemple de realisation, les capacites des diodes varicap 44 et 45 varient entre 12pF et 36 pF, tandis que ceiles des diodes 26 et 33 varient entre 3 et 9 pF, pour des tensions TC1 a TC4 variant entre 0 V et 4,3 V environ. II en resulte que le rapport entre la capacite la plus elevee et la capacite la plus faible des diodes varicap est de 3, ce qui permet de realiser a la demande les amplificateurs a gain variable en technologie integree, BlCmos, par exemple. La figure 6 se rapporte a l'exemple de realisation qui vient d'etre cite. On y a represente ['evolution du gain en dB d'un amplificateur a gain variable conforme a ['invention, en fonction de ia frequence, pour cinq differentes valeurs de rapport de capacites. Dans l'ordre croissant des gains dans leur partie utile sensiblement rectiligne, ces courbes correspondent respectivement a des varicaps de capacites maximales suivantes: 20. Courbe a environ 16 dB de gain: pour Z1: 9 pF et pour Z2: 12 pF Courbe a environ 19 dB de gain: pour Z1: 7,5 pF et pour Z2: 18 pF À Courbe a environ 21 dB de gain: pour Z1: 6 pF et pour Z2: 24 pF À Courbe a environ 24,5 dB de gain: pour Z1: 4,5 pF et pour Z2: 30 pF Courbe a environ 28 dB de gain: pour Z1: 3 pF et pour Z2: 36 pF Cette figure montre que la plage de frequences utilisable (a 1dB d'attenuation) s'etend entre 2 et 15 MHz, et que le gain de l'amplificateur peut varier entre 16 et 27 dB. Bien entendu, si les diodes varicap vent realisees sous forme de composants discrete, leur capacite peut varier dans de plus larges proportions. On peut facilement atteindre un rapport de 20, ou meme mieux, avec de tels composants discrete. II en resulte, bien entendu, une plus large plage de variation de gain pour l'amplificateur de ['invention. On a represente en figure 7 (similaire a la figure 6) des courbes d'evolution du gain de I'amplificateur pour un rapport de 20 entre valeurs extremes de la capacite des diodes varicap. Selon Get example de realization, la capacite des diodes 44 et 45 varie de 6 a 120 pF, tandis que celle des diodes 26 et 33 varie entre 3 et 60 pF. On y volt que la plage de frequences utilizable, a 1 dB d'attenuation, s'etend entre 2 et 8 MHz environ, le gain variant entre 11 et 35 dB. REVENDICATIONS 1. Amplificateur a gain variable et faible bruit a grande dynamique, du type a amplificateur operationnel (2), dont la sortie est reliee par un premier element reactif (Z1) a une de ses entrees, cette entree etant par ailleurs reliee par un deuxieme element reactif (Z2) a un pole commun (masse) de l'alimentation de l'amplificateur, caracterise par le fait que les deux elements reactifs vent des elements a capacite variable (9, 10). 2. Amplificateur selon la revendication 1, caracterise par le fait que ies elements a capacite variable vent des diodes varicap (26, 33, 44, 45). 3. Amplificateur selon la revendication 2, caracterise par le fait que chaque element a capacite variable comporte au moins deux diodes varicap montees en sens inverses (26 et 33, 44 et 45) et commandees chacune par sa propre tension de commande (TC1 a TC4), ces tensions de commande evoluant symetriquement par rapport a un potentiel de reference (masse). 4. Amplificateur selon la revendication 2 ou 3, caracterise par le fait qu'il est realise sous forme de circuit integre a la demande. 5. Amplificateur selon la revendication 4, caracterise par le fait qu'il est realise en technologie BlCmos, les varicaps etant egaiement integrees. 6. Amplificateur selon la revendication 4, caracterise par le fait que seoles les varicaps vent realisees sous forme de composants discrete.