Brevet FR2998051A1 — publié le 20140516

RECEPTEUR D'UN SIGNAL LUMINEUX IMPULSIONNEL A FORTE DYNAMIQUE Le domaine de l'invention est celui d'un récepteur à photodiode qui reçoit des impulsions lumineuses dans une très grande dynamique (de quelques nanoampères à quelques dizaines de milliampères). Cette dynamique met en oeuvre un dispositif de commutation du gain par valeurs discrètes, appelées « plots ». La solution la plus couramment mise en oeuvre pour obtenir un tel récepteur consiste à équiper une photodiode d'un amplificateur TIA acronyme de l'expression anglo-saxonne « Translmpedance Amplifier » ; cet amplificateur TIA de fort produit gain bande (ou GBW acronyme de l'expression anglo-saxonne « Gain Bandwidth Product ») et de très faible bruit conditionne la performance de sensibilité. On représente de manière classique une photodiode 1 par le montage montré figure la. Comme montré sur la figure de gauche, cette photodiode est de préférence chargée par une résistance R'd entre l'anode et la masse de manière à absorber le courant continu lié à l'éclairement ambiant aussi désigné courant de fond de scène, et qui est inclus dans le signal lumineux reçu par la photodiode. Selon la représentation équivalente montrée sur la figure de droite, cette résistance R'd en parallèle avec la résistance interne de la photodiode forme une résistance équivalente Rd. La photodiode est généralement caractérisée par une capacité Cd entre l'anode et la masse, montrée sur la figure de droite. Dans un montage classique de récepteur dont un exemple est représenté figure lb, une telle photodiode 1 est associée à un amplificateur TIA 2 à travers une capacité de liaison Cliaison qui contribue à séparer les impulsions utiles du courant de fond de scène. La valeur de cette capacité de liaison Cliaison est typiquement supérieure à 10 nF. On rappelle qu'un amplificateur TIA comprend en parallèle un amplificateur opérationnel AOP ou un amplificateur à composants discrets, une résistance de contre-réaction Rf et une capacité de stabilité Cf. Un tel récepteur permet de neutraliser l'influence de la capacité parasite Cd de la photodiode grâce à une masse virtuelle. C'est en première approximation un système bouclé d'ordre 2: - De gain de conversion ZT(p) tel que V 1 ZT(p)= =-R 2 P2 i+ p + a)n can 2 Vs étant la tension en sortie du montage, iD le courant généré par la photodiode, p (p = j w = j 2n f) la variable de Laplace, Rf la résistance de contre-réaction du TIA, l'amortissement du récepteur. - et de pulsation propre con telle que : (eq 2) R f(Cd + C f) Le rapport amortissement sur pulsation propre s'écrit : 1 ( (1+ Rf 10= -1 R,C, + (eq 3) con 2 " 2ir GBW Rd ) ) en pratique : (1 + R ,C f » 1 Rf (eq 4) " DrGBW Rd.) ce rapport prend alors la forme simple : -1R C (eq 5) co 2 f f 15 La modification du gain s'obtient d'après (eq 1) par le changement de la valeur Rf qui suivant (eq 2) modifie la pulsation propre con et donc l'amortissement Ç d'après (eq 5). Il apparaît donc difficile avec une solution conventionnelle de changer le gain sans modifier la fonction de transfert. La réponse en fréquence est illustrée figure 5a pour trois 20 amortissements Ç (de 0.9, 0.7 et 0.5). Cette figure met en évidence le fait que le changement du gain influence l'amortissement lorsque la bande est maintenue constante. (eq 1) wn= 27r GBW Un autre critère important est le bruit en courant équivalent, ramené à l'entrée de l'amplificateur TIA, qui s'écrit : r .2 4kT Rf \ in= (eq 6) et en étant respectivement le courant équivalent de bruit à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel AOP et la tension équivalente de bruit à l'entrée de AOP qui caractérisent l'amplificateur opérationnel utilisé, k la constante de Boltzmann et T la température en degrés Kelvin. Pour un amplificateur TIA et une photodiode donnés, la sensibilité est optimisée en choisissant la résistance Rf la plus élevée possible, 10 compatible de la bande de traitement des impulsions. Cependant, plus le gain est grand, plus l'admissibilité est faible puisque l'excursion en tension à la sortie de l'amplificateur est fixée par les alimentations. A contrario une diminution du gain augmente l'admissibilité mais détériore le bruit avec une limitation du courant imposée par le courant 15 de sortie maximum de l'amplificateur. Le problème se pose donc d'obtenir un récepteur optimum pour des signaux faibles mais aussi pour des signaux forts tout en conservant de préférence la même réponse en fréquence. Les solutions conventionnelles sont : 20 - Réduire le gain de l'amplificateur TIA, en diminuant la résistance de contre réaction Rf qui fixe le gain de conversion du TIA, ce qui améliore l'admissibilité mais au détriment du bruit. D'autre part réduire la résistance de contre réaction a pour effet d'augmenter significativement la bande passante, ce qui n'est a priori pas 25 souhaitable si on veut une forme d'impulsion indépendante du gain. - Placer un atténuateur résistif commuté entre la photodiode et l'amplificateur TIA de manière à réduire le gain lorsque le niveau reçu dépasse l'admissibilité. Cela dégrade le bruit car les résistances génèrent du bruit. De plus les commutateurs présentent des capacités 30 parasites non négligeables devant la capacité de la photodiode, ce qui affecte la fonction de transfert. Les solutions conventionnelles ne répondent pas au besoin. En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un récepteur à grande dynamique optimisé en bruit. Plus précisément l'invention a pour objet un récepteur d'un signal lumineux impulsionnel qui comprend : une photodiode apte à générer un courant électrique Id en réponse à ce signal lumineux, ayant comme caractéristique une capacité parasite Cd, une masse électrique, un amplificateur transimpédance relié en entrée de la photodiode par une capacité de liaison Ciiaison. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comporte un circuit réactif série-parallèle, constitué d'une capacité Cp qui, combinée avec la capacité Cd de la diode réalise un diviseur de courant, appelé plot d'atténuation, en amont de l'amplificateur transimpédance. Ce diviseur de courant permet d'atténuer le signal sans dégrader le bruit. La capacité Cp est typiquement située en série avec la capacité de liaison et l'intègre en général. Selon une caractéristique de l'invention, le récepteur comporte une résistance Rd de courant de fond de scène située entre la photodiode et la masse électrique, la capacité Cd et ladite résistance Rd ayant une impédance Zd, et le plot d'atténuation est en outre constitué d'une résistance Rp en parallèle avec la capacité Cp, formant ainsi un réseau électrique parallèle désigné plot d'atténuation apériodique, d'impédance Zp avec Zp = (a -1)Zd. Ce plot d'atténuation apériodique permet de compenser l'influence de la résistance Rd et ainsi de maintenir la réponse du récepteur en basse fréquence. Eventuellement, le plot d'atténuation comporte en outre un 30 commutateur en parallèle de la capacité Cp, de manière à obtenir un plot d'atténuation commutable. Ce commutateur permet de court-circuiter ou commuter le réseau Rp C. Le plot d'atténuation peut comporter en outre une capacité Copt en parallèle de Cd, cette capacité Copt étant éventuellement elle-même commutable. Le plot d'atténuation apériodique peut aussi être en outre constitué d'une capacité de compensation Ccomp en parallèle de l'entrée de l'amplificateur transimpédance, pour former ainsi un plot d'atténuation apériodique compensé, avec Ccomp = Cd - 1)/a, cette capacité de compensation étant éventuellement commutable. L'ensemble plot d'atténuation et amplificateur transimpédance étant désigné voie de réception à plot d'atténuation, le récepteur comporte en outre une voie de réception sans plot d'atténuation comportant un autre amplificateur transimpédance, ces voies de réception étant multiplexées au moyen d'un commutateur d'entrée de ces voies et d'un commutateur de sortie de ces voies synchronisés entre eux de manière à obtenir un récepteur de différents gains. Bien sûr plusieurs autres voies de réception à plot d'atténuation peuvent être multiplexées avec lesdites voies de réception, chaque voie de réception à plot d'atténuation présentant une atténuation différente. Le signal lumineux est typiquement apte à générer dans la 20 photodiode des impulsions de courant compris entre 10 nA et 100 mA. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 25 La figure la déjà décrite montre deux représentations schématiques équivalentes d'une photodiode munie d'une résistance de fond de scène ; La figure lb représente schématiquement un montage de récepteur selon l'état de la technique comportant une photodiode et un 30 amplificateur TIA ; La figure 2 représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un premier mode de réalisation de l'invention avec un plot d'atténuation purement capacitif ; La figure 3a représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, avec un plot d'atténuation apériodique commuté autour de Rp Cp; La figure 3b représente schématiquement un exemple de montage 5 de récepteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, avec un plot d'atténuation apériodique commuté autour de Cd ; La figure 3c représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, avec un plot d'atténuation apériodique compensé ; 10 La figure 4 représente schématiquement un exemple de montage de récepteur selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, avec plusieurs voies de réception commutées ; La figure 5a montre la réponse en fréquence d'un récepteur classique à bande passante constante pour trois valeurs de gain, montrant 15 une variation de l'amortissement ; La figure 5b montre la réponse en fréquence d'un récepteur à plot apériodique compensé à bande passante constante pour trois valeurs de gain, montrant le maintien de l'amortissement. D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les 20 mêmes références. Le récepteur selon l'invention se fonde sur le principe d'un pont diviseur de courant capacitif au lieu d'être résistif. Un exemple de plot d'atténuation capacitif associé à une 25 photodiode 1 équipée d'un TIA 2 est montré figure 2. Sur cette figure on s'attache plus particulièrement à indiquer les courants électriques. La photodiode est un générateur de courant idéal, capacitif du fait de la capacité parasite Cd. En ajoutant une capacité Cp en série entre le TIA 2 et la photodiode 1, en entrée ou en sortie de la capacité de liaison, le 30 courant généré par la photodiode se répartit entre la capacité Cd et la capacité Cp en fonction des valeurs des capacités : / . IF = via la capacité Cp ; 'Cd =a-1 ID.a la capacité Cd. a Cd Cd+Cp La valeur de la capacité Cp = -a-1 fixe l'atténuation a= du diviseur Cp capacitif. Le signal est donc atténué sans ajout de bruit supplémentaire. On a a>1 ; dans la pratique on choisit une atténuation a typiquement comprise entre 2 et 30. La valeur de Cp est typiquement inférieure à 10 pF. Ce plot d'atténuation 30 constitué de la capacité Cp est éventuellement muni d'un commutateur 31 placé en parallèle de cette capacité Cp pour adapter le gain au niveau reçu. Analysons plus particulièrement le comportement d'un tel récepteur aux fréquences basses, c'est-à-dire inférieures à 100 kHz : Comme indiqué en préambule, la photodiode 1 est généralement chargée par une résistance Rd de manière à absorber le courant continu lié à l'éclairement ambiant. Cette résistance Rd modifie l'impédance de la photodiode qui ne peut alors plus être considérée comme purement capacitive. Comme montré figure 3a, on complète alors la capacité Cp avec une résistance Rp en parallèle, qui forme avec cette capacité un réseau électrique parallèle désigné plot d'atténuation 30 apériodique d'impédance Zp proportionnelle à Zd qui est l'impédance du circuit de la diode comportant la résistance Rd et la capacité Cd en parallèle. En posant Zp = (a-1)Zd , il vient : I F =-- a Rp=(a-1)Rd 1 Cp= Cd (a-1) IF étant le courant en sortie du plot d'atténuation 30. L'atténuation du courant devient alors indépendante de la fréquence, le bruit additif restant très faible puisque la résistance Rp est grande devant Rd du fait du rapport d'atténuation a. Ce plot d'atténuation apériodique 30 est éventuellement muni d'un commutateur 31 disposé en parallèle de Rp et Cp. A présent, analysons plus particulièrement le comportement d'un tel récepteur aux fréquences hautes c'est-à-dire supérieures à 10 MHz: Avec le montage précédent de récepteur, l'amplificateur TIA 2 ne voit plus la même impédance lorsque le plot d'atténuation est engagé et sa fonction de transfert en est affectée comme illustré figure 5a pour des courbes de gain en fonction de la fréquence pour trois amortissements (de 0,9, 0,7 et 0,5). Le montage se comporte comme un système du second ordre. Le rapport amortissement / pulsation propre : \ -L=-R1. C 1 + ( R . 1+ f eo [ , 7 2 ' . ' 2.71-.GBW Lorsque la condition de produit gain x bande suffisant est respectée: 1 (1+ Rf » ' f - C ' GBW a Rd ) le rapport amortissement sur pulsation propre reste constant : _ = _ 7,7 con con 2 Mais : - La pulsation propre eon correspond à celle d'un montage dont la photodiode a une capacité parasite plus faible d'un rapport a : GBW = 271. GBW Rf(Cd+Cf) R C f C a f - Le gain statique ZT est divisé par a, ce qui est souhaité : 1 2- x 1 Z=-R1 2Ç 2 7.= 1+ p+ 2 2Ç p2 1+ p + cbri ck 2 2 99 805 1 9 Dès lors qu'une atténuation a est réalisée, la pulsation propre eon du récepteur augmente mais l'amortissement augmente puisque le rapport amortissement / pulsation propre reste constant. Pour conserver la même bande passante avec et sans 5 atténuation, il faut modifier l'amortissement ; on ajoute donc une compensation pour obtenir la même fonction de transfert. Observant que le rapport amortissement sur pulsation propre est invariant, le maintien simultané de l'amortissement et de la pulsation propre est obtenu en ajoutant une capacité de compensation Cporpp 43 montrée 10 figure 3c, en parallèle sur l'entrée de l'amplificateur TIA 2 telle que : 27r GBW Rf( Cd r, COMP C f) a con = eon 27r GBW Rf(Cd +Cf) Soit : a-1 C Cd comP Le plot d'atténuation apériodique ainsi modifié est alors désigné 15 « plot d'atténuation apériodique compensé ». Un tel récepteur respecte la même fonction de transfert plot engagé ou non. En plus du commutateur 31 (premier commutateur), un autre 20 commutateur 44 peut être placé en série avec la capacité de compensation Ccomp, entre elle et la masse. Le plot d'atténuation 30 apériodique compensé fonctionne lorsque cet autre commutateur 44 est fermé et le premier 31 est ouvert et inversement. Dans la définition du plot apériodique, la valeur de la capacité Cp est liée à la capacité Cd du détecteur et au rapport d'atténuation. Pour une valeur de Cd comprise entre 12 et 18 pF, on obtient donc par la formule Cp = 1 Cd et avec a compris entre 10 et 20, une valeur de Cp très faible (a-1) comprise entre 0,5 et 2 pF difficilement maitrisable industriellement dans la 30 réalisation d'un montage. La solution proposée fig 3b consiste à augmenter artificiellement la capacité Cd par ajout en parallèle d'une capacité Copt 41, ce qui à atténuation égale permet d'augmenter la valeur de Cp. Cette capacité Com peut être commutée par un commutateur 42 placé en série vers la masse. Dans la pratique les commutateurs sont imparfaits et l'implantation peut ajouter des éléments parasites qui peuvent dans certains cas dégrader la fonction de transfert. On désigne par voie de réception avec plot d'atténuation 50, l'ensemble plot d'atténuation 30 et amplificateur transimpédance 2. Le plot d'atténuation peut être apériodique ou non, commutable ou non, compensé ou non etc. Une alternative proposée consiste à utiliser une pluralité de voies de réception, chacune de gain différent, comme sur la figure 4 avec deux valeurs de gain. Dans cet exemple, le récepteur comporte deux voies de réception : - une voie 50 de réception avec plot, optimisée avec un plot d'atténuation 15 apériodique compensé et - une voie 50' de réception sans plot (ne comportant qu'un amplificateur transimpédance 2) optimisée à gain maximum. La sélection de la voie s'effectue typiquement par un commutateur 61 situé en entrée de ces voies et un commutateur 62 situé en sortie de ces voies, 20 synchronisés entre eux pour obtenir un récepteur à différents gains. Le commutateur d'entrée 61 est avantageusement muni d'une capacité de liaison sur chacune de ses sorties vers une voie de réception. Le récepteur ainsi équipé d'un plot d'atténuation présente les avantages suivants: 25 - Admissibilité supérieure à celle d'un montage conventionnel ; - Réponse en fréquence indépendante du gain ; - Bruit optimisé ; - Prise en compte des capacités parasites des commutateurs ; - Pas de compromis à trouver entre sensibilité et tenue en 30 puissance ; - Réalisation simple. Ce récepteur est typiquement intégré à un LIDAR. Il peut être utilisé comme élément d'un écartomètre notamment d'un écartomètre semi- actif c'est-à-dire équipé d'un laser de désignation apte à illuminer la cible dont la rétrodiffusion est mesurée par ce récepteur. La cible émet par exemple des impulsions lumineuses de niveau constant, mais lorsque le récepteur est à grande distance, il ne peut mesurer que des impulsions de très bas niveau, alors que lorsqu'il est à courte distance, il peut mesurer des impulsions de fort niveau. REVENDICATIONS1 Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel qui comprend : une photodiode (1) apte à générer un courant électrique (ID) en réponse à ce signal lumineux, ayant comme caractéristique une capacité Cd, une masse électrique, un amplificateur transimpédance (2) relié en entrée de la photodiode par une capacité de liaison Cliaison, caractérisé en ce qu'il comporte un plot d'atténuation (30) situé entre la photodiode et l'amplificateur transimpédance, constitué d'une capacité Cp avec Cp=Cd/(a-1), a étant une atténuation prédéterminée avec a >1. 2. Récepteur d'un signal lumineux selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la capacité Cp est située en série avec la capacité de liaison Cuaison. 3. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité de liaison est intégrée à la capacité Cp. 4. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance Rd de courant de fond de scène située entre la photodiode et la masse électrique, la capacité Cd et ladite résistance Rd ayant une impédance Zd, et en ce que le plot d'atténuation est en outre constitué d'une résistance Rp en parallèle avec la capacité Cp, formant ainsi un réseau électrique parallèle désigné plot d'atténuation (30) apériodique, d'impédance Zp avec Zp = (a -1)Zd. 5. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plot d'atténuation (30) comporte en outre un commutateur (31) en parallèle de la capacité Cp, de manière à obtenir un plot d'atténuation commutable. 6. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plot d'atténuation (30) comporte en outre une capacité Copt (41) en parallèle de Cd. 7. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le plot d'atténuation (30) comporte en outre un commutateur (42) en série de la capacité Cdpt (41). 8. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le plot d'atténuation apériodique (30) est en outre constitué d'une capacité de compensation Ccomp (43) en parallèle de l'entrée de l'amplificateur transimpédance (2), pour former ainsi un plot d'atténuation apériodique compensé, avec Ccomp = Cd(a -1)/ U. 9. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication précédente prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un commutateur (44) en série avec la capacité de compensation (43) et relié à la masse, de manière à obtenir une capacité de compensation commutable. 10. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'ensemble plot d'atténuation (30) et amplificateur transimpédance (2) étant désigné voie de réception à plot d'atténuation (50), il comporte en outre une voie de réception sans plot d'atténuation (50') comportant un autre amplificateur transimpédance, ces voies de réception étant multiplexées au moyen d'un commutateur d'entrée de ces voies (61) et d'un commutateur de sortie de ces voies (62) synchronisés entre eux de manière à obtenir un récepteur à différents gains. 11. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une autre voie de réception à plot d'atténuation, multiplexée avec lesdites voies deréception (50, 50'), chaque voie de réception à plot d'atténuation présentant une atténuation différente. 12. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplificateur transimpédance (2) comporte un amplificateur opérationnel ou un amplificateur à composants discrets. 13. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal lumineux est apte à générer dans la photodiode des impulsions de courant compris entre 10 nA et 100 mA. 14. Récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que a est compris entre 2 et 30. 15. Lidar comportant un récepteur d'un signal lumineux impulsionnel selon l'une des revendications précédentes. 16. Ecartomètre équipé d'un récepteur selon l'une des revendications précédentes. 17. Ecartomètre selon la revendication précédente, équipé en outre d'un laser de désignation.20