Brevet FR2966662A1 — publié le 20120427

Dispositif de stabilisation de la polarisation d'un composant électronique Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des circuits électroniques. Plus précisément, elle se rapporte à un dispositif de stabilisation d'une tension de polarisation d'un composant électronique. La présente invention trouve notamment application dans la stabilisation de la tension de polarisation d'un détecteur d'ionisation. Contexte de l'invention Certains composants électroniques nécessitant une polarisation ont besoin que cette polarisation soit stabilisée, c'est-à-dire que cette polarisation doit être conservée en dépit de changement des caractéristiques électriques du composant. C'est notamment le cas des détecteurs d'ionisation. 20 Les détecteurs d'ionisation sont des dispositifs utilisés pour détecter des particules ionisantes. On les retrouve ainsi notamment dans la recherche subatomique, dans le domaine de la radioprotection et de façon générale dans l'industrie nucléaire puisque l'émission de particules ionisantes est une 25 forme de radioactivité. D'autres domaines tels que la recherche spatiale ou la caractérisation de matériaux, les utilisent également. Ces détecteurs d'ionisation comprennent le plus souvent un élément semi-conducteur dans lequel un champ électrique permet la séparation et la 30 collecte, au niveau d'électrodes, de porteurs de charge (par exemple ions et électrons arrachés) produits par un rayonnement ionisant. Ces porteurs de charge induisent des courants sur les électrodes par leur déplacement, et ce sont ces courants dits d'ionisation que l'on pourra détecter. Ces15 détecteurs d'ionisation doivent donc être soumis à une tension de polarisation, en particulier pour l'établissement du champ électrique. Celle-ci est appliquée à un détecteur par l'intermédiaire d'un circuit de polarisation. Dans pratiquement tous ces cas, les détecteurs d'ionisation sont en outre branchés sur des préamplificateurs de charge qui servent à l'amplification et à la mise sous forme d'un signal exploitable des courants d'ionisation issus du détecteur. Les préamplificateurs de charge représentent l'outil électronique presque exclusif pour gérer les signaux des détecteurs d'ionisation. Etat de la technique En se référant maintenant à la figure 1, on a représenté schématiquement un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation et du préamplificateur qui lui est associé, selon un dispositif connu de l'art antérieur. La tension de polarisation d'un détecteur d'ionisation D est appliquée à un point HV par une alimentation en tension externe et transmise au détecteur d'ionisation D par l'intermédiaire de résistances RI et R2 placées en série entre le point HV et le détecteur d'ionisation D. Un condensateur C est placé entre d'une part le noeud commun aux résistances RI et R2 et d'autre part la masse, afin de former avec la résistance RI un filtre passe-bas propre à supprimer le bruit à haute fréquence venant de l'alimentation. Un condensateur Cc est placé entre d'une part le noeud commun à la résistance R2 et au détecteur, et d'autre part l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel AO. La préamplification se fait ici par l'intermédiaire d'un préamplificateur à contre réaction, lequel comporte une boucle de rétroaction, composée d'une capacité Cf en parallèle avec une résistance Rf, entre l'entrée inverseuse et la sortie dudit amplificateur opérationnel AO. L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel AO est reliée à la masse. La disposition de la résistance R2 sert à découpler l'entrée de l'amplificateur opérationnel AO de la capacité C, tout en laissant passer le courant de polarisation. Le condensateur Cc bloque la composante continue du signal issue de la polarisation en ne conduisant vers l'entrée de l'amplificateur opérationnel AO que les signaux de fréquences plus élevées correspondant aux signaux issus de la détection de particules ionisantes par le détecteur d'ionisation D. La valeur de résistance de la résistance RI et la valeur de la capacité du condensateur C sont choisies pour que la constante de temps R1*C associée au filtre soit adaptée à la gamme de fréquence du bruit d'alimentation à éliminer. Il en est de même pour le choix de la valeur de la capacité du condensateur Cc. Les caractéristiques du préamplificateur, ainsi que celles du circuit de polarisation doivent être ajustées soigneusement aux caractéristiques du détecteur d'ionisation D et aux conditions d'opération de la mesure. Les valeurs des résistances RI et R2 sont parmi les paramètres les plus critiques. Par exemple, quant la valeur de R2 est trop basse, la résolution du dispositif n'est pas optimale. Mais si la valeur de RI+R2 est trop grande, les conditions d'opération du détecteur d'ionisation D ne sont pas stables, parce que seulement une petite fraction de la tension de l'alimentation est appliquée au détecteur. Problème technique Dans un détecteur d'ionisation, le courant moyen dépend comme expliqué précédemment du taux d'ionisation créé dans le détecteur. Le courant d'ionisation, en fonction de l'intensité de la détection des particules ionisantes, peut varier soudainement de quelques nanoampères à quelques dizaines de microampères, voire plus. Il est donc nécessaire d'adapter rapidement la tension de polarisation aux variations du courant d'ionisation. De plus, les détecteurs d'ionisation à semi-conducteurs souffrent de défauts dits d'irradiation quand ils sont bombardés par des particules lourdes ionisantes ou par des neutrons. Le courant de fuite, c'est-à-dire le courant électrique circulant à travers un milieu semi-conducteur tel que celui qui compose le détecteur, par exemple une jonction P-N polarisée à l'inverse, varie graduellement en fonction des défauts d'irradiation et de la température. Par conséquent, les valeurs des résistances RI et R2, qui avaient été choisies optimales au début de la mesure, deviennent graduellement de plus en plus défavorables. Plusieurs facteurs interviennent dans le choix des résistances RI et R2. Il est tout d'abord important de limiter au maximum le bruit, pour la qualité de la mesure. Les sources de bruit statistiques les plus importantes, qui sont pertinentes pour le choix de la valeur de la résistance de découplage R2, sont le bruit thermique et le bruit de grenaille. Le bruit de grenaille est généré par la somme du courant d'ionisation et du courant de fuite qui passent à travers la résistance de découplage R2 et le détecteur D. Ce bruit est proportionnel à la racine carrée du courant. Le bruit thermique est lié au mouvement thermique des électrons dans les résistances connectées à l'entrée de l'amplificateur opérationnel. Le bruit thermique croit en proportion de l'inverse de la racine carrée de la résistance effective vers la masse, vue par l'entrée de l'amplificateur opérationnel AO. Cette résistance effective se compose de la valeur des résistances R2, Rf et de la résistance effective du détecteur D en parallèle. La résistance R2 introduit donc un bruit thermique, à l'entrée de l'amplificateur opérationnel, et ce bruit thermique est inversement proportionnel à la racine carrée de la valeur de la résistance R2. A chaque instant, il faudrait s'assurer que la valeur de la résistance R2 soit suffisamment élevée pour que le bruit thermique reste faible par rapport au bruit de grenaille qui est lui inévitable. Cependant la valeur de la résistance R2 est limitée par le fait que la tension à ses bornes ne doit pas empêcher la polarisation du détecteur D. En effet, quand la tension de polarisation devient trop basse, le champ électrique diminue et l'épaisseur de la zone déplétée du détecteur diminue, causant une réduction brutale du courant d'ionisation fourni par le détecteur. L'amplitude du signal du préamplificateur connecté se réduit alors drastiquement. Or, cette diminution de la tension de polarisation peut être en particulier générée par le passage dans la résistance R2 du courant de fuite : si le courant augmente, la tension aux bornes de la résistance augmente proportionnellement à la valeur de R2 d'après la loi d'Ohm, et la tension de polarisation diminue d'autant. Il faut donc éviter une tension aux bornes de la résistance de découplage R2 qui soit considérablement plus importante que quelques centaines de millivolts afin de s'assurer que la tension de polarisation appliquée au détecteur reste globalement constante. Le moyen le plus efficace pour éviter ces problèmes consiste à ajuster les résistances par lesquelles la tension de polarisation est appliquée au détecteur. Un réglage manuel en continu est contraignant, nécessitant beaucoup de temps et une interruption de la mesure et est bien souvent impossible à faire en cours de mesure. Dans le cas d'une mesure utilisant un grand nombre de détecteurs, un tel ajustage est d'autant plus long et pénalisant. L'invention vise à résoudre ce problème par un auto-ajustement de la tension aux bornes des résistances RI et R2, permettant ainsi une durée d'utilisation des détecteurs plus longue et donc des durées d'expériences plus longues sans interruption. En outre, l'invention vise également à proposer un dispositif robuste et fiable pour ledit ajustement. Les problèmes mentionnés ci-dessus dans le cas de la polarisation d'un détecteur d'ionisation peuvent intervenir pour la polarisation d'autres types de composants dont l'utilisation est caractérisée par un courant variable et la nécessité d'une polarisation stabilisée. A cet effet, l'invention prévoit un dispositif de stabilisation de la tension d'un composant électronique, dans lequel la tension de polarisation est transmise au composant électronique par au moins deux séries de résistances comportant chacune au moins une résistance, avec entre au moins deux de ces séries de résistances une branche reliée à la masse et portant un élément de capacité destiné à former un filtre passe-bas, caractérisé en ce qu'au moins une résistance d'une série de résistances est dotée en parallèle d'au moins une diode. On décrira ci-après trois exemples de réalisation d'un dispositif conforme à la présente invention, en référence aux figures jointes; la description et les figures faisant également apparaître des caractéristiques supplémentaires qui font également partie de l'invention, parmi lesquelles: - le composant électronique est un détecteur d'ionisation; - au moins une résistance de chaque série de résistance ne comporte pas de diode en parallèle; - à l'intérieur de chaque série de résistances, des résistances de différentes valeurs de résistance sont présentes; - à l'intérieur de chaque série de résistances, des résistances dotées en parallèles de diodes ont des valeurs de résistance différentes; - à l'intérieur de chaque série de résistances, des résistances dotées en parallèles de diodes ont des valeurs de résistance éloignées d'au moins un facteur 10; - les diodes en parallèle d'une résistance sont réparties sur au moins deux branches parallèles à la résistance, et la cathode d'une diode terminale d'une branche est reliée à l'anode d'une diode terminale d'au moins une autre branche; - les résistances des séries de résistances sont dotées en parallèle de branches comportant au moins deux diodes de même sens en série; - l'élément de capacité entre deux séries de résistances est constitué de deux condensateurs en parallèle; - les deux condensateurs en parallèles ont des valeurs de capacité éloignées d'au moins un facteur 10. On propose également un détecteur d'ionisation dont la tension de polarisation est stabilisée par un dispositif selon l'invention. Description des dessins D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de trois modes de réalisation de l'invention 15 en tant qu'exemples non limitatifs appliqués à un détecteur d'ionisation, faite en références aux dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 représente un schéma de principe du circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation et du préamplificateur qui lui est associé, connus de l'art antérieur. 20 ^ La figure 2 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un premier mode de réalisation de l'invention. - La figure 3 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un deuxième mode de 25 réalisation de l'invention. - La figure 4 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un troisième mode de réalisation de l'invention.10 Description détaillée de trois modes de réalisation de l'invention La figure 2 représente un schéma de principe d'un circuit de polarisation d'un détecteur d'ionisation selon un premier mode de réalisation de l'invention. La tension de polarisation d'un détecteur d'ionisation D est appliquée à un point HV par une alimentation en tension externe et transmise au détecteur D par l'intermédiaire de deux séries de résistances SRI et SR2 placées en série entre le point HV et le détecteur D. Un élément de capacité C est placé entre d'une part le noeud commun aux deux séries de résistances SRI et SR2 et d'autre part la masse, afin de former avec la première série de résistances SRI un filtre passe-bas propre à supprimer le bruit à haute fréquence venant de l'alimentation. Un préamplificateur peut être relié au noeud commun à la série de résistances SR2 et au détecteur D, de façon similaire à la disposition du préamplificateur connu de l'état de la technique et illustré dans la figure 1. Dans ce premier mode de réalisation, les deux séries de résistances SRI et SR2 sont constituées chacune d'une chaîne de résistances, et au moins une résistance d'une série est dotée en parallèle d'une diode. En référence à la figure 2, deux séries de trois résistances seront utilisées pour l'exemple: les résistances RIA, RIB et Rlc pour la série SRI et les résistances R2A, R2B et R2c pour la série SR2. 25 Les diodes DIA, DIB, D2A et D2B sont disposées en parallèle avec, respectivement, les résistances RIA, RIB, R2A et R2B. L'orientation des diodes est faite pour que celles-ci soient en polarisation directe lorsque le point HV est alimenté en tension. 30 Une diode en parallèle d'une résistance a pour fonction de limiter la tension aux bornes de la résistance. En polarisation directe, la diode devient passante lorsque sa tension de seuil est atteinte. Les diodes deviennent20 passantes avec un retard négligeable, permettant une adaptation du circuit de polarisation même face à de brusques variations du courant d'ionisation. La tension de seuil de la diode dépend du type de diode utilisée ou de sa configuration, et le type de diode sera notamment choisi selon l'utilisation qui veut en être faite. Les diodes silicium sont couramment utilisées et ont habituellement une tension de seuil d'environ 0,7V. D'autres tensions de seuil peuvent être obtenues en utilisant d'autres diodes, par exemple des diodes au germanium. Cependant, afin d'illustrer la présente invention, les diodes dont il sera fait mention ici seront des diodes silicium d'une valeur de seuil de 0,7V. Ainsi, une telle diode silicium en parallèle d'une résistance permet, en polarisation directe, de limiter à 0,7V la tension aux bornes de la résistance. Le choix des diodes concernant le courant n'est pas critique, car le courant est assez modéré dans tous les cas. Par contre, la fréquence limite doit être supérieure aux fréquences des signaux de détection des particules ionisantes fournis par le détecteur D. En outre, il est nécessaire que les diodes choisies n'introduisent pas de bruits susceptibles d'entraîner des problèmes au niveau de la polarisation ou au niveau des signaux issus du détecteur D. Tout type de diode présentant des caractéristiques propres à la mise en oeuvre de l'invention peut cependant être utilisé afin d'adapter le dispositif décrit à l'utilisation qui veut en être faite. Ainsi des diodes à vide peuvent être utilisées afin de permettre une utilisation dans des conditions d'exposition à des rayonnements. Cependant, en cas de courants excessifs, toutes ces diodes deviennent passantes du fait de la tension induite aux bornes des résistances en parallèle. Si toutes les résistances des séries de résistances SRI et SR2 sont dotées de diodes en parallèle, les signaux du détecteur peuvent alors être fortement perturbés et la détection des particules ne plus être possible quand le détecteur D est connecté avec la capacité C par une série de diodes saturées et donc passantes. Cette série de diodes agit comme un court-circuit pour les signaux issus du détecteur. Un dispositif où toutes les résistances sont dotées en parallèle de diodes a donc une plage d'utilisation limitée aux courants n'induisant pas une tension suffisante pour que toutes les diodes soient passantes. Il est par conséquent avantageux de garder dans chaque série au moins une résistance sans diode en parallèle. Le dispositif proposé et illustré par la figure 2 évite cette limitation de la plage d'utilisation. Comme la tension aux bornes des séries de SRI et SR2 n'est pas plafonnée grâce à la présence des résistances Rlc et R2c qui ne sont pas dotées de diodes en parallèle, une montée progressive du courant aboutit à une réduction de la polarisation, ce qui n'induit qu'une dégradation progressive du fonctionnement du détecteur. Dans tous les cas, les valeurs de résistances ainsi que leur nombre doivent être choisis notamment de façon à ce qu'une chute trop importante de la polarisation n'intervienne pas dans la plage d'utilisation désirée. Il est à noter que si dans la figure 2, lesdites séries de résistances SRI et SR2 sont chacune constituées de trois résistances RIA, RIB, Rlc, R2A, R2B et R2C, il ne s'agit que d'un mode de réalisation non limitatif. Les deux chaînes SRI et SR2 constituant les séries de résistances peuvent être à loisir étendues ou réduites, l'une indépendamment de l'autre. Les résistances constituant chaque série de résistances peuvent prendre des valeurs de résistance différentes. De manière préférentielle, à l'intérieur de chaque série de résistances, les résistances RIA, RIB, R2Aet R2B dotées en parallèle de diodes DIA, DIB, D2A et D2B ont des valeurs de résistance différentes. A tire d'exemple numérique non limitatif, les valeurs des résistances peuvent être : RIA=R2A=10 M0, RIB=R2B=1 M0, Ric=R2C=100 kQ. Chaque diode limite la chute de potentiel, aux bornes de la résistance qui lui est parallèle, à 700 mV. La valeur de la résistance équivalente entre l'élément de capacité C et le détecteur D, c'est-à-dire de la série de résistance SR2, est décisive pour le bruit thermique. ^ Elle vaut 11,1 MO quand le courant est inférieur à 0,07 pA. - Pour un courant compris entre 0,07 pA et 0,7 pA, la résistance totale se réduit à 1,1 M0. En effet, la diode D2A en parallèle de R2A est alors passante. - Pour un courant supérieur à 0,7 pA, les diodes D2A et D2B sont passantes et la résistance équivalente totale n'est plus que de 100 kQ. Un troisième mode de réalisation de l'invention est illustré par la figure 3. Ce mode de réalisation est similaire au deuxième. Il en diffère cependant en ce qu'il présente, aux bornes de chaque résistance RIA, RIB, R2A et R2B dotée en parallèle d'une première diode DIA, DIB, D2A et D2B, une autre diode D'1A, D'1B, D'2A et D'2B en parallèle, l'anode de cette autre diode D'1A, D'1B, D'2A et D'2B étant reliée à la cathode de la première diode DIA, DIB, D2A et D2B, et la cathode de cette autre diode D'1A, D'1B, D'2A et D'2B étant reliée à l'anode de la première diode DIA, DIB, D2A et D2B. Cette configuration permet l'usage du détecteur D avec une polarisation positive ou négative, tout en conservant les avantages du premier mode de réalisation auparavant mentionnés. Ce second mode de réalisation illustrée par la figure 3 supprime également un inconvénient du premier mode de réalisation. Dans le premier mode de réalisation, lorsque l'opérateur diminue la tension de l'alimentation externe, la polarisation du détecteur décroît avec une constante de temps (RIA+RIB+RIC)*C. Pour assurer un filtrage efficace en présence d'un courant fort, il faut que la valeur de capacité de l'élément de capacité C soit suffisamment grande. Cela implique une constante de temps très grande, par rapport à l'opérateur. En conséquence, la tension de polarisation du détecteur reste à un niveau élevé pendant longtemps, par rapport à l'opérateur. Ainsi, le temps d'attente avant de déconnecter le préamplificateur sans risque d'endommager le détecteur devient très long. La présence des diodes têtes-bêches dans le deuxième mode de réalisation de l'invention assure que la tension aux bornes de l'élément de capacité C suive la tension de l'alimentation hormis la chute de potentiel sur R1C et aux bornes des diodes branchées en parallèle, qui se limite à 0,7V. Comme la capacité du détecteur D est normalement assez faible comparativement à d'autres éléments du circuit, la tension appliquée au détecteur D suit la tension appliquée aux bornes de l'élément de capacité C assez rapidement pour que l'opérateur n'attende pas trop. Cela réduit le temps d'attente mentionné et assure une opération transparente car la tension appliquée au détecteur D est toujours proche de celle mesurée à la sortie de l'alimentation. Un troisième mode de réalisation est illustré par la figure 4. Par rapport au deuxième mode de réalisation, les diodes D2A, D2B, D'2A et D'2B de la seconde série de résistance SR2 sont chacune remplacées par deux diodes en série (D2A1, D2A2, D2B1, D2B2, D'2A1, D'2A2, D'2B1 et D'2B2). Ceci diminue davantage la contribution du bruit thermique. Les deux diodes en série limitent la chute de potentiel aux bornes de leur branche à 1,4V. Une même opération peut être effectuée sur la première série de résistance SRI . Une autre variante, également illustrée dans la figure 4, consiste à prévoir que l'élément de capacité C est constitué par deux condensateurs C1 et C2 en parallèle. En effet, comme la valeur de l'élément de capacité C (ou C1 et C2) doit être assez grande (par exemple de l'ordre du microfarad) pour assurer un filtrage suffisamment efficace dans le cas d'un courant de fuite très grand, un condensateur (par exemple le condensateur C1) de capacité suffisante pour assurer ledit filtrage est doté en parallèle d'un condensateur (par exemple C2) d'une capacité plus faible (par exemple 10nF). Le condensateur supplémentaire C2 élimine l'effet non désiré de l'inductance 5 supplémentaire bien souvent présente dans un condensateur de grande capacité, ce qui assure un bon filtrage des hautes fréquences. Cette disposition des condensateurs peut être mise en oeuvre avec n'importe lequel des dispositifs décrits dans la présente description. La présente description cite la polarisation d'un détecteur d'ionisation à des fins d'illustration non limitatives. Le dispositif décrit peut être utilisé pour assurer la stabilisation de la polarisation d'autres composants électroniques où se posent des problèmes comparables. REVENDICATIONS1. Dispositif de stabilisation de la tension de polarisation d'un composant électronique (D), dans lequel la tension de polarisation est transmise au composant électronique (D) par au moins deux séries de résistances (SRI, SR2) comportant chacune au moins une résistance, avec entre au moins deux de ces séries de résistances une branche reliée à la masse et portant un élément de capacité (C) destiné à former un filtre passe-bas, caractérisé en ce qu'au moins une résistance (RIA, RIB, R2A, R2B) d'une série de résistances (SRI, SR2), est dotée en parallèle d'au moins une diode (DIA, DIB, D2A, D2B). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant électronique (D) est un détecteur d'ionisation. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une résistance de chaque série de résistance (SRI, SR2) ne comporte pas de diode en parallèle. 4. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'intérieur de chaque série de résistances (SRI, SR2), des résistances de différentes valeurs de résistance sont présentes. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'à l'intérieur de chaque série de résistances (SRI, SR2), des résistances (RIA, RIB, R2A, R2B) dotées en parallèles de diodes (DIA, DIB, D2A, D2B) ont des valeurs de résistance différentes. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'à l'intérieur de chaque série de résistances (SRI, SR2), des résistances (RIA, RIB, R2A, R2B) dotées en parallèles de diodes (DIA, DIB, D2A, D2B) ont des valeurs de résistance éloignées d'au moins un facteur 10. 7. Dispositif l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les diodes (DIA, DIB, D2A, D2B, D'1A, D'1B, D12A,D'2B) en parallèle d'une résistance (RIA, RIB, R2A, R2B) sont réparties sur au moins deux branches parallèles à la résistance (RIA, RIB, R2A, R2B), et la cathode d'une diode terminale (DIA, DIB, D2A, D2B) d'une branche est reliée à l'anode d'une diode terminale (D'1A, D'1B, D'2A, D'2B) d'au moins une autre branche. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résistances (RIA, RIB, R2A, R2B) des séries de résistances (SRI, SR2) sont dotées en parallèle de branches comportant au moins deux diodes (D2A1, D2A2, D2B1, D2B2, D'2A1, D'2A2, D'2B1, D'2B2) de même sens en série. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de capacité (C) entre deux séries de résistances est constitué de deux condensateurs (CI, C2) en parallèle. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux condensateurs (CI, C2) en parallèles ont des valeurs de capacité éloignées d'au moins un facteur 10. 11. Détecteur d'ionisation dont la tension de polarisation est stabilisée par un dispositif selon l'une des revendications précédentes.