Brevet FR2884985A1 — publié le 20061027

AMPLIFICATEUR DE SIGNAUX ÉLECTRIQUES POUR APPLICATIONS ULTRASONORES La présente invention se rapporte au domaine de 5 l'électronique. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un amplificateur de signaux électriques haute tension et large bande de fréquence pour applications ultrasonores. Pour générer des ondes acoustiques, la technique la plus usuelle consiste à générer un signal électrique qui est ensuite converti en onde acoustique. La conversion de l'onde électrique en onde acoustique est réalisée par un élément nommé transducteur. Selon le rendement de conversion du transducteur utilisé et selon la puissance de l'onde acoustique désirée, l'onde électrique générée pour exciter le transducteur doit avoir une tension de quelques dizaines de volts à plusieurs milliers de volts. Par ailleurs, selon les besoins de l'application acoustique, le signal généré peut être de formes variées: une onde sinusoïdale continue éventuellement modulée en amplitude ou en fréquence, un train d'onde, une impulsion, un signal triangulaire ou carré, etc., et de fréquences très différentes: typiquement de quelques kHz à quelques GHz. Le problème technique que se propose de résoudre l'invention est de générer un tel signal électrique avec une tension de quelques dizaines de volts à plusieurs milliers de volts. L'art antérieur connaît déjà différentes techniques pour générer un signal électrique dans le but d'exciter un transducteur. Les premiers amplificateurs haute tension, qui fonctionnaient jusqu'à plusieurs milliers de volts et haute fréquence (jusqu'à plusieurs centaines de MHz) sont réalisés par des tubes à gaz, par exemple des triodes ou des klystrons. Le grand inconvénient est leur encombrement important et leur consommation électrique qui empêchent toute utilisation portable. Une première technique portable est apparue ensuite. Cette technique, issue de la technologie des sonars, consiste à générer en basse tension (typiquement quelques volts), le signal électrique de forme et de fréquence voulue, très souvent un train d'ondes ou burst . Ce signal est ensuite amplifié au moyen d'un transformateur jusqu'à plusieurs milliers de volts. Cette technique présente un excellent rapport signal sur bruit: de l'ordre d'un pour mille. Malheureusement, la gamme de fréquences accessibles est inférieure à quelques MHz. Ceci est dû au fait que le matériau utilisé pour le noyau du transformateur a une capacité de transmission du champ magnétique limitée en fréquence et en amplitude. En effet, pour des fréquences supérieures à quelques MHz, il n'est pas possible d'amplifier convenablement le signal électrique. Afin de tenter de résoudre les limitations en fréquence de la précédente technique, des amplificateurs basés sur des technologies à semiconducteurs (transistors) ont été développés, et ceci plus particulièrement dans les trente dernières années. Les techniques utilisant des transistors permettent de générer des signaux électriques sur une large gamme de fréquences (de quelques kHz à quelques dizaines de MHz) avec une tension pouvant aller jusqu'à quelques centaines de volts. Cependant, les signaux électriques ainsi générés sont très bruités: de l'ordre de dix pour cent du signal. Le bruit est tel que tous les générateurs du commerce sont fournis avec des filtres électroniques. Ainsi, en pratique, il n'est possible de travailler correctement que sur un nombre très restreint de fréquences différentes, typiquement une petite dizaine. On connaît également dans l'état de la technique une autre famille de techniques électroniques très répandues qui génèrent des signaux simplement sous forme d'une impulsion, également appelée spike . La durée de l'impulsion peut éventuellement être contrôlée, ainsi que son amplitude. Un tel signal est souvent généré directement en haute tension, par exemple en chargeant un condensateur qui est ensuite rapidement déchargé. Dans cet exemple, le temps de recharge du condensateur limite le temps minimal entre deux impulsions successives. Par ailleurs, le spectre en fréquence d'une impulsion ainsi générée est très large: il peut comprendre un ensemble de fréquences entre quelques kHz et plusieurs centaines de MHz, selon la durée de l'impulsion. De tels générateurs ne conviennent donc pas pour les applications acoustiques qui nécessitent un signal monochromatique, c'est-à-dire présentant un spectre en fréquence très étroit. Ainsi, par exemple, de tels générateurs ne conviennent pas pour des études de spectroscopie acoustique sur des systèmes non linéaires. Enfin, si l'on désire générer une onde continue sinusoïdale, il existe une famille de techniques basées sur la résonance d'un oscillateur, par exemple un quartz. On peut ainsi générer un signal électrique haute tension à la fréquence de résonance de l'oscillateur. L'avantage est de générer directement un signal de haute tension avec un très bon rapport signal sur bruit. Toutefois, la limitation majeure est le nombre fixe (selon le générateur utilisé) de fréquences discrètes utilisables. Un autre inconvénient est la dérive de la fréquence d'oscillation avec la température de fonctionnement. La présente invention a pour but de proposer un amplificateur conçu pour amplifier un signal électrique de forme variable et de fréquence comprise entre 1 kHz et 1 GHz jusqu'à de hautes tensions: quelques centaines ou quelques milliers de volts. À cet effet, la présente invention concerne, dans son acception la plus générale, un amplificateur de signal électrique caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transformateur de type planar , c'est-à-dire constitué de spires planes sur un circuit imprimé, ledit transformateur ne comportant pas de noyau. Avantageusement, l'amplificateur génère un signal de fréquence supérieure à 1 MHz. Selon un mode de réalisation, ledit amplificateur amplifie des trains d'ondes, dont la fréquence augmente progressivement entre, par exemple 1 kHz et plusieurs centaines de MHz. Selon un mode de mise en oeuvre, ledit amplificateur amplifie une onde dont la fréquence varie entre 1 kHz et plusieurs centaines de MHz. Avantageusement, ledit amplificateur génère un signal de tension supérieure à une centaine de volts. De préférence, les circuits primaires des transformateurs sont montés en parallèle et les circuits secondaires des transformateurs sont montés en série. La présente invention se rapporte également à un spectroscope comportant un amplificateur selon l'invention. De préférence, ledit spectroscope comporte une boucle dé rétroaction entre la sortie en pression acoustique et l'entrée en signal électrique. La présente invention concerne également un multiplexeur électrique comportant deux amplificateurs, l'un 10 des amplificateurs étant utilisé en inverse. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention. L'absence de noyau diminue le rendement de conversion en tension des transformateurs. Cependant, cela évite les limitations liées à la saturation en champ électromagnétique des noyaux. Ainsi, il devient possible d'amplifier un signal électrique avec ces transformateurs sur une grande gamme de fréquences et jusqu'à de grandes tensions. Le fait d'utiliser des transformateurs de technologies planar donc constitués de parties de circuits imprimés permet aisément des assemblages de plusieurs dizaines de transformateurs et donc de trouver un bon rendement global. Parmi les nombreux avantages de l'invention, on pourra citer les suivants. É l'amplificateur selon la présente invention offre la possibilité d'amplifier jusqu'à de hautes tensions (plusieurs milliers de volts), des signaux électriques de formes variables (trains d'ondes, impulsions, ondes continues, etc.) et sur une gamme étendue de fréquences: de 1 kHz à 1 GHz; É l'amplificateur selon la présente invention permet d'obtenir un excellent rapport signal sur bruit, typiquement au moins un pour mille; É l'amplificateur selon la présente invention a une 5 consommation électrique optimale: on ne consomme que ce qui correspond au signal généré après amplification; É l'amplificateur selon la présente invention offre le grand avantage d'être peu encombrant: typiquement 10 cm * 10 cm * 0,2 cm; É l'amplificateur selon la présente invention permet un fonctionnement réversible, c'est-à-dire que la présente invention peut abaisser la tension (par exemple à quelques volts) d'un signal électrique de haute tension (jusqu'à plusieurs milliers de volts). L'amplificateur selon la présente invention peut générer des signaux électriques à des fréquences variées et sous de très hautes tensions. Il permet ainsi de générer au moyen de transducteurs ayant un moins bon rendement, par exemple des transducteurs en polymère, des ondes acoustiques d'amplitude équivalente à celles d'ondes acoustiques générées par un système composé d'un générateur électrique classique couplé à un transducteur piézoélectrique de référence, par exemple de la marque déposée Panametrics. L'amplificateur selon la présente invention qui est haute tension et large bande en fréquence peut être intégré, par exemple pour réaliser: É un générateur d'ultrasons; un tel appareil est constitué d'un générateur de signal électrique basse tension, par exemple 10 volts, de forme variable, entre 1 kHz et 200 MHz. Le signal électrique ainsi généré est amplifié par l'amplificateur selon la présente invention jusqu'à une tension de 500 volts et excite alors un transducteur, par exemple piézoélectrique, qui convertit le signal électrique en onde acoustique. É un appareil de mesures de signaux haute tension; dans des expériences utilisant des ondes acoustiques, il est intéressant de mesurer le signal acoustique réellement émis. Pour ce faire, grâce au caractère réversible de l'amplificateur selon la présente invention, il est possible de réduire, par exemple à 10 volts, la tension mesurée aux bornes du transducteur utilisé pour l'émission acoustique et ainsi la convertir en signal numérique à l'aide de convertisseurs analogique-numérique usuels. É un multiplexeur de signaux électriques haute tension et large bande en fréquence; un tel appareil permet d'exciter et/ou mesurer successivement différents transducteurs avec un seul et même générateur d'ultrasons sans avoir à brancher ou débrancher des connecteurs. Le multiplexeur selon la présente invention réduit la tension du signal électrique d'entrée de sorte que l'on puisse utiliser un multiplexeur électronique type CMOS, qui ne peut fonctionner qu'à basse tension, typiquement 3 volts; ensuite, le signal basse tension ainsi multiplexé est amplifié à la même (haute) tension que le signal initial. L'avantage principal d'une telle application par rapport aux multiplexeurs du commerce existants est que la durée de vie de l'appareil n'est plus limitée en nombre de commutations, typiquement un million de commutations avec la technologie usuelle des relais mécaniques; ceci est important par exemple pour des systèmes de caractérisation et d'étude de vieillissement d'échantillons par ultrasons: avec une commutation par seconde, les systèmes commerciaux actuels ont dépassé leur durée de vie en moyenne au bout de douze jours. É une rétroaction pour obtenir un signal acoustique généré d'amplitude constante quelle que soit la fréquence et quelle que soit la nature du transducteur utilisé ; la mesure pour une telle rétroaction est possible en pratique sans perturber le système de génération des ondes acoustiques grâce au système de mesure de signaux électriques haute tension et large bande en fréquence décrit ci-dessus. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. I l est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. REVENDICATIONS 1. Amplificateur de signal électrique caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transformateur de type planar , c'est-à-dire constitué de spires planes sur un circuit imprimé, ledit transformateur ne comportant pas de noyau. 2. Amplificateur de signal électrique selon la 10 revendication 1, caractérisé en ce qu'il génère un signal de fréquence supérieure à 1 MHz. 3. Amplificateur de signal électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il amplifie des trains d'ondes, dont la fréquence augmente progressivement entre, par exemple 1 kHz et plusieurs centaines de MHz. 4. Amplificateur de signal électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il amplifie une onde dont la fréquence varie entre 1 kHz et plusieurs centaines de MHz. 5. Amplificateur de signal électrique selon l'une au moins des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il génère un signal de tension supérieure à une centaine de volts. 6. Amplificateur de signal électrique selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les circuits primaires des transformateurs sont montés en parallèle et en ce que les circuits secondaires des transformateurs sont montés en série. 7. Spectroscope comportant un amplificateur selon l'une au moins des revendications 1 à 6. 8. Spectroscope selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle dé rétroaction entre la sortie en pression acoustique et l'entrée en signal électrique. 9. Multiplexeur électrique comportant deux 10 amplificateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, l'un des amplificateurs étant utilisé en inverse.