Brevet FR3002386A1 — publié le 20140822

La présente invention concerne tous les amplificateurs de tension et de puissance, analogiques, pour les très basses, basses et hautes fréquences. Elle a vocation à remédier aux dysfonctionnements affectant une grande majorité des dispositifs amplificateurs pour très basses, basses et hautes fréquences. Concernant ce type d'applications, de nombreux brevets ont proposé diverses techniques visant à remédier aux dysfonctionnements souvent rencontrés dans les amplificateurs analogiques au rang desquels on trouve, diverses formes de saturation, de compressions de la dynamique de l'enveloppe du signal originel, de modifications du dégradé des harmoniques de la fréquence fondamentale. Ces formes de distorsion sont pour certaines, en partie mesurables avec les appareils connus de l'homme de l'art. A l'audition, ces distorsions sont ressenties comme dénaturant le message originel, et peuvent parfois même être qualifiées de désagréables. Les traitements proposés, partiels le plus souvent, consistent, en présupposant que le mode de traitement s'applique à un amplificateur idéal, à: Premièrement, limiter l'amplitude de la tension crête dans les boucles de contre-réaction : Première technique : limitation du gain total de l'amplificateur au strict nécessaire afin de supprimer la boucle de CE globale ou en limiter l'action comme dans les amplificateurs à tubes électroniques. Deuxième technique : fractionnement de la boucle globale en boucles de CE locales confinées à un seul étage d'amplification mais appliquées systématiquement à chacun des étages intermédiaires. Deuxièmement, rechercher une réduction du bruit de fond par la mise en parallèle de plusieurs composants actifs en application de la distribution aléatoire du bruit non cohérent, abaisser les impédances de travail des circuits afin d'en réduire la résistance équivalente de souffle, ou encore limiter l'intensité du courant de repos des étages d'entrée des amplificateurs afin de réduire leur bruit thermique intrinsèque. Les architectures des amplificateurs opérationnels intégrés reposent sur la mise en application simultanée de ces différentes techniques. Troisièmement, retraiter numériquement le signal par logiciel informatique de manière à extraire du bruit le signal utile dès l'étape de la conversion numérique (biomédical/EEG,récepteurs radio SDR). Quatrième solution enfin, amplifier par découpage et modulation PWM, classe T. Hormis le traitement numérique, rares sont les procédés analogiques ayant définitivement remédié à la cause profonde de ces dysfonctionnements. La présente invention a pour objet de présenter une cinquième solution consistant à intervenir dans le fonctionnement de la boucle de contre-réaction. Elle constitue une solution immédiatement transposable à toutes les technologies et applications d'amplification et de traitement du signal analogique. Les dessins annexés illustrent l'invention : Figure 1 : principe de fonctionnement d'un étage amplificateur. Figure 2 : principe d'application d'une boucle de contre-réaction. Figure 3 : réseau électrique équivalent de certaines résistances à couche métallique. Figure 4 : graphe de la distorsion U/I d'une résistance du modèle de la figure 3. Figure 5 : réseau électrique équivalent à d'autres types de résistances. Figure 6 : réseaux électriques équivalents à certaines autres types de résistances. Figure 7 : réseau électrique équivalent d'un dispositif résistif de type « shunt ». Figure 8 : application de la boucle de contre -réaction selon l'invention. Figure 9 : exemple de maquette de réalisation de l'invention. Depuis son invention, la technique de la contre-réaction ou OR, est appliquée à une grande majorité des systèmes amplificateurs, en particulier en audiofréquences, selon la structure visée en figure 2. L'ensemble des systèmes amplificateurs à tubes électroniques, à transistors et à circuits intégrés est susceptible de bénéficier d'une mise en application industrielle immédiate du procédé proposé par l'invention. Une intervention modificative sur les équipements existants permet également de faire bénéficier la plupart des équipements existants de cette invention. Par principe, selon l'une des formes visées en figure 1, un étage amplificateur met en oeuvre au moins une résistance (104) aux bornes (105) et (106) de laquelle, en application de la loi d'Ohm, sont générées des variations de tensions présupposées strictement proportionnelles à des variations d'intensité commandées par un composant actif tube électronique ou transistor (102), qui lui est associé en série, dans un réseau bouclé sur un générateur de force électromotrice FEM. Les résistances sont donc les composants passifs les plus utilisés dans les circuits électroniques, tant dans chacun des étages constitutifs d'un amplificateur, que dans la boucle de contre-réaction réalisée par le réseau des résistances R1 (201) et R2 (202) qui stabilisent le fonctionnement global de l'ensemble des étages réunis (206) décrit en figure 2. Dans la réalité, le comportement qualitatif des résistances, originellement réalisées en fil résistif massif bobiné, puis par recomposition, soit d'un agglomérat de granules de carbone, soit par vaporisation sur un isolant céramique de particules de carbone ou de particules de métaux en couches minces ou épaisses et recuites, est principalement connu sous courant continu. Or le comportement de nombreux types de résistances à 25 couche diffère notablement de ce modèle idéal lorsque celles-ci sont insérées dans un circuit les soumettant à une différence de potentiel variable en fréquence, en amplitude et en durée. Pour la plupart d'entre elles, lorsqu'elles sont incorporées à un circuit fermé sur un générateur de FEM, ces 30 résistances ne respectent pas, en figure 4, au voisinage de0Volt, la linéarité théorique de la fonction de transfert établie par la loi d'Ohm : I=V/ R Par construction, à leurs extrémités, deux interfaces symétriques assurent le contact électrique et la solidité 35 mécanique du corps résistif avec le circuit d'utilisation, soit au moyen du sertissage de coupelles métalliques de nickel ou de cupro-nickel sertissant à leur tour la terminaison de raccordement physique de montage, traditionnellement un fil de cuivre étamé, ou bien par la soudure brasée d'une cosse de terminaison dans le cas des composants à montage en surface dans la technologie CMS. Le premier effet résultant de la mise en contact en série de ces différents métaux en thermocouple, est l'apparition de l'effet Seebeck/Peltier/Thomson. Certains couples métalliques (types E,J et T) engendrent à température ambiante des forces électromotrices -FEM- de plusieurs mV/°C. A température quasi identique aux deux extrémités d'un même dipôle, en figure 3, ces effets s'annulent en raison de la nature symétrique des polarités opposées des générateurs reliés en série. (312) et (313) Les deux générateurs de FEM constitués demeurent néanmoins présents, et en particulier, leurs propres résistances internes (305) et (306), même faibles, mais par essence différentes suivant la nature des métaux en présence et variable en fonction de l'élévation de température consécutive à la dissipation d'énergie dans chaque résistance de contact (301) et (304). Si l'on applique aux bornes (314) et (315) d'une telle résistance une Différence De Potentiel -DDP- purement sinusoidale, le modèle d'Arrhenius nous indique que la valeur ohmique du corps résistif va se trouver instantanément modifiée à la fois par l'effet Joule et l'action de la loi de Pouillet. En fonction du signe du coefficient de température du matériau résistif - CTR - employé pour la réalisation de la couche résistive du composant, la résistivité de celui-ci variera à la baisse - dans le cas des matériaux à CTR négatif tels que le carbone et les semi-conducteurs - ou à hausse pour les matériaux à CTR positif ou quasi nul tels que l'alliage de nickel-chrome en stoechiométrie électrique 80/20, le constantan, l'Evanohm et le Manganin. Chaque matériau résistif contribuera donc à faire varier la valeur ohmique du dipôle résistif proportionnellement à son CTR et aux dimensions physiques du dipôle résistif. Bien entendu, toutes ces variations instantanées de résistivité s'additionnant - puisque les différents interfaces sont reliés en série - contribuent, sauf compensation de CTR positifs et négatifs, à faire varier la DDP résultante aux bornes du dipôle résistif placé dans un circuit amplificateur : Il en résulte une véritable modulation qui affecte la linéarité du fonctionnement de chaque composant actif, tube électronique et transistor, auquel le dipôle résistif est raccordé. Cet effet sera d'autant plus important que le signal incident d'entrée sera de faible amplitude et que le gain de l'étage sera élevé. Enfin, dans certains types de résistances apparaît un troisième effet consécutif à la mise en contact de certains métaux. On le constate en particulier dans la plupart des résistances à couche métallique. L'insertion d'une résistance de ce type dans un circuit fermé sur un générateur de FEM, polarise certaines jonctions semi-conductrices P-N établies au hasard de la mise en présence d'états de surface rugueux, discontinus, résultant essentiellement du matériau résistif porté au contact de chacune des électrodes de raccordement externes. Certaines de ces jonctions placées dans le sens de circulation du courant (309) et (310) vont alors devenir conductrices. En effet, sur certains couples tels que cuivre / sulfure de plomb (galène), nickel (coupelles de serrage) / pentoxyde de tantale utilisés en passivation surfacique d'un autre matériau résistif principal, le plus souvent l'alliage de nickel-chrome (80/20), - voir le brevet US patent 7,214,295 - ou encore l'alliage Nichrome- aluminium-terres rares - brevet US patent 4,837,550 - la granularité de la surface de la couche recuite associée aux propriétés semi-conductrices de ce matériau de passivation favorisent l'établissement de jonctions semi- conductrices de type Schottky. La tension de seuil de telles diodes se situe aux alentours de quelques dizaines de mV (Shottky barrier voltage). Mais dans un circuit d'amplification de signaux faibles, cet effet, aussi faible soit-il, n'est ni recherché, ni souhaitable. Il se manifeste cependant nettement quelles que soient les conditions d'utilisation de la résistance car le nombre de jonctions établies est n et n' fois proportionnel aux dimensions des points de contact des électrodes situées aux extrémités du corps résistif (302). Tout circuit dans lequel des résistances équivalentes au réseau de la figure 3, porteuses de telles jonctions de Schottky (309) et (310) se trouvent insérées, va se trouver gravement perturbé pour deux raisons : 1) formation de multiples effets Zener de tensions de seuil différentes, en série, avec leurs propres coudes caractéristiques : l'application d'une DDP variable aux bornes d'un tel réseau a pour effet de rendre telle ou telle jonction (309') (309") (309"') et (310) à (310"') conductrice ou non, et ce, pour chaque valeur de DDP. 2) génération d'un bruit de fond « technologique », proportionnel à l'intensité du courant traversant, de caractéristique scintillante (flicker noise) résultant non plus du seul déplacement des électrons entre les atomes mais de l'effet d'avalanche en courant inverse qui se propage dans chacune des jonctions de type Schottky. La plupart des résistances à couche métallique développent une tension de bruit réel toujours d'une valeur excessivement supérieure (excess noise) au niveau théorique du bruit thermique (white noise) défini par la formule de Johnson & Nyquist : Vb = (43cKbxTxRzAf ) mais surtout au bruit résiduel d'une résistance bobinée en fil d'alliage pur de nickel-chrome en figure 6 (F.Seifert) conformément au principe de Matthie sen. L'une des caractéristiques de ce bruit à large bande est de ne pas pouvoir être étouffé même par des condensateurs au 30 tantale de type CTS13. Par voie de conséquence, lorsque deux résistances à couche métallique du type décrit en figure 3 constituent la boucle de CR globale ou chacune des boucles de contre-réaction locales d'un amplificateur, la présence de multiples jonctions à effet Schottky 35 va se manifester de manière symétrique puisque placées en polarités opposées à chaque interface du corps résistif (302) et (303), mais également en cascade, puisque soumises à des amplitudes de DDP de valeurs différentes (311), (316) à (321), même atténuée par les réseaux parallèles des résistances de contact avec le corps résistif internes à la résistance. Les perturbations observées dans la plupart des circuits amplificateurs trouvent bien leur origine dans la non-linéarité du comportement des composants utilisés, et tout particulièrement de la plupart des résistances à couche métallique au voisinage du potentiel de zéro volt. La majorité des distorsions en amplification de tension, de puissance, et dans les atténuateurs, se manifeste sous la forme de distorsion d'intermodulation transitoire, de distorsion des harmoniques et de compression de la dynamique du signal. En application des explications ci-avant, si, en lieu et place des dipôles résistifs R1(201) et R2(202) sont insérés des réseaux complexes de caractéristiques similaires au modèle de dipôle réel équivalent décrit en figure 3, l'on comprend que le fonctionnement du réseau série équivalent constituant la boucle de CR appliquera une tension de contre-réaction globale erronée à l'amplificateur opérationnel (206), affectée de corrections non 20 désirées, difficilement modélisables. Dans la plupart des réalisations, l'homme de l'art recourt usuellement à ces composants résistifs disponibles sur le marché, présumés à faible bruit, à faible coefficient de température, à haute stabilité, de bonne précision, à termes 25 réactifs inductifs (308) et capacitifs (303) dits parasites négligeables. ( Ce phénomène affecte particulièrement les étages d'entrée des amplificateurs à tubes et à transistors en raison de la présence de la résistance critique de polarisation Rp (103). Deuxièmement, distorsion d'intermodulation transitoire : Cette manifestation auditive très désagréable est typique du régime de saturation de l'amplificateur sur signaux brefs et ce, quel que soit le régime de fonctionnement de l'étage de puissance (classe A, AB ou B). Aux mesures, cette forme de distorsion se traduit par un niveau plus élevé d'harmonique des rangs supérieurs à 2 de la fréquence fondamentale. L'écrétage se produit par l'injection à l'entrée inverseuse de tensions non linéairement dépendantes de Vs, surtout lorsque la charge de l'amplificateur est aussi réactive qu'un haut-parleur. L'amplitude de la tension incidente appliquée en (203) se trouve alors modulée ou non par les tensions de seuil selon l'état 25 passant ou bloqué des jonctions Schottky existant aux extrémités de chacun des dipôles R2 puis Ri. Le phénomène peut survenir alors même que l'amplificateur n'est pas en régime de saturation, c'est-à-dire que l'amplitude de Vs demeure d'une valeur moyenne largement inférieure à la FEM 30 des deux tensions symétriques d'alimentation, et alors que le gain théorique demeure fixé par l'application de la boucle de CR selon le rapport Vs = Ve x ((I+ (R2/R1)). Cet effet, maintes fois constaté en particulier sur les amplificateurs de puissance, provoque paradoxalement une 35 compression de la dynamique de la modulation car l'écrétage se produit bel et bien, même à niveau de sortie médian de manière concomitante à la survenance d'une impulsion transitoire très brève en régime musical. L'ensemble du message utile perd alors de sa netteté, de son intelligibilité originelle et, à nouveau, une partie de sa dynamique originelle. Une description détaillée du phénomène produit que l'on cherche ici, selon l'invention, à éradiquer, est fournie dans le brevet US Patent 5,032,793. Troisièmement, détection de signaux électromagnétiques : Bien que de fréquences très supérieures à la bande passante maximale du dispositif amplificateur, la susceptibilité aux radiofréquences d'un amplificateur se manifeste également lorsque les antennes réceptrices que constituent les lignes d'entrée et de sortie, captent en champ proche les tensions UHF générées par un téléphone mobile en émission. Réintroduite via les deux réseaux redresseurs Schottky n et n' fois présents dans R2 et R1, la FEM reçue se trouve détectée aux bornes de R2 et produit une tension intégrée par les capacités réparties du montage. Un exemple courant de la manifestation de ce phénomène se produit au voisinage d'un téléphone cellulaire TDMA/GSM : L'effet diminue notablement avec la suppression des réseaux redresseurs. Tous les effets précédemment décrits vont se manifester de manière différentes suivant les valeurs ohmiques des résistances concernées, les spécificités de l'architecture du montage amplificateur qui incorpore, en grand nombre, de tels types de réseaux complexes : Tout sera question de proportionnalité entre la variation de la DDP aux bornes de tel ou tel dipôle résistif par rapport à la tension de seuil des diodes et la position de chaque réseau perturbateur dans le circuit. De fait, les atténuateurs d'entrée des amplificateurs vont également refléter en sortie, à leur curseur, diverses formes de non-linéarités dans la courbe LIN ou LOG d'atténuation du signal, et ce, quelle que soit la position intermédiaire et la du curseur. Selon l'invention, en lieu et place de résistances à couche métallique présentant les caractéristiques électriques décrites en figure 3, l'usage de shunts résistifs des types décrits aux figures 5 - résistance bobinée- figure 6 - résistance bobinée Ayrton Perry ou de type étalon, ou idéalement en figure 7 (700) - aux emplacements (801) et (802) de la figure 8 - ne mettant exclusivement en oeuvre que des dipôles résistifs réalisés exclusivement en alliage résistif de nickel- chrome n'ayant fait l'objet d'aucune passivation par application volontaire d'un additif surfacique, évite l'apparition fortuite de telles jonctions semi-conductrices. Les traitements surfaciques qui se trouvent à l'origine de 10 la formation de jonctions à effet Schottky ont été mis en oeuvre à partir de la découverte des effets de la corrosion rapide que l'eau - en condensation - occasionnait aux dépôts en couche mince d'alliage de nickel-chrome insuffisamment protégés. Le terme de shunt qualifie de manière appropriée le 15 composant électronique « résistance » dont le comportement présente les propriétés les plus voisines de celles du modèle idéal de dipôle résistif décrit dans la théorie de la OR en 1928. Les dispositifs résistifs tels que les résistances bobinées le plus souvent en alliage de nickel-chrome non traité à 20 leurs connexions de raccordement, ne présentent aucune forme de non-linéarité de comportement rédhibitoire en très basses, basses et hautes fréquences- par absence d'effets Schottky - aux interfaces du matériau résistif. Selon l'invention, en ce qui concerne un amplificateur 25 à circuit intégré, le recours - pour les résistances critiques R1 et R2 - et d'une façon générale, pour les amplificateurs à tubes électroniques et/ou à transistors, pour toutes les résistances fixes et réglables incorporées tant en amont d'un amplificateur - commandes de gain et / ou atténuateurs d'entrée 30 que pour la réalisation de chacun des étages - en ce compris les réglages du courant de repos de l'étage de puissance et l'annulation de l' «offset» de la ou des paire(s) de transistors des entrées différentielles - d'un amplificateur, 10 à des shunts résistifs si nécessaire non inductifs, des rhéostats 35 réalisés à partir des matériaux résistifs métalliques précités, exempts de tout traitement de passivation à leurs points de raccordements, entraîne la suppression de tous les effets indésirables précédemment décrits. Selon des variantes bien connues par l'homme de l'art, de la structure du raccordement des entrées différentielles et de la sortie d'un amplificateur opérationnel type, les fonctions d'amplificateur de courant, de sommateur, de gyrateur et de filtre actif peuvent à leur tour bénéficier de l'invention. Tout amplificateur ainsi construit ou modifié présentera alors la caractéristique de ne produire qu'à des niveaux résiduels les différents types de distorsions connues. Un exemple de réalisation d'amplificateur audiofréquences à distorsions résiduelles complète en figure 9 la description de l'invention. TDA 2030 amplificateur opérationnel de puissance 3W - type RB59 (912)A0P : 270 ohms / 3W - type R359 / ou en bobinage non (901)S1 : 4,7Kohms / (902)S2 : inductif Ayrton Perry (903)SR1: rhéostat étanche CONTELEC 400ohms /3W (904)S3 :1 ohm /3W - type RB59 NOTES : se référer à la documentation constructeur pour les valeurs (905),(906),(907),(908),(909),(910). SR1 pourra, sur une source à moyenne impédance être remplacé par atténuateur à courbe LOG à plots commutés réalisé à partir de shunts de type RB59 dans les valeurs de la série E24. REVENDICATIONS1) Amplificateur pour signaux à très basses fréquences, basses fréquences et hautes fréquences, à circuit intégré, caractérisé en ce que la ou les boucles de contre-réaction, et l'atténuateur d'entrée ne mettent en oeuvre que des dipôles résistifs et/ou réseaux de dipôles résistifs réalisés exclusivement en fil ou en couche d'alliage résistif de nickel-chrome n'ayant fait l'objet d'aucune passivation par application d'un additif surfacique. 2) Amplificateur de tension ou de puissance à transistors, caractérisé en ce que la ou les boucles boucles de contre-10 réaction, et l'intégralité des dipôles résistifs et/ou réseaux de dipôles résistifs fixes, réglables et/ou ajustables du circuit et atténuateurs connexes, ne mettent en oeuvre que des dipôles résistifs et/ou des réseaux de dipôles résistifs réalisés exclusivement en fil ou en couche d'alliage résistif de nickel- 15 chrome n'ayant fait l'objet d'aucune passivation par application d'un additif surfacique. 3) Amplificateur de tension ou de puissance à tubes électroniques caractérisé en ce que la ou les boucles boucles de contre-réaction, et l'intégralité des dipôles résistifs et/ou 20 réseaux de dipôles résistifs fixes, réglables et/ou ajustables du circuit et atténuateurs connexes, ne mettent en oeuvre que des dipôles résistifs et/ou des réseaux de dipôles résistifs réalisés exclusivement en fil ou en couche d'alliage résistif de nickel-chrome n'ayant fait l'objet d'aucune passivation par application 25 d'un additif surfacique.