Brevet FR3029292A1 — publié le 20160603

Dispositif de correction du décalage de tension d'un pont de Wheatstone Des modes de réalisation de l'invention concernent les circuits à pont de Wheatstone et plus précisément la correction de leur décalage (« offset ») en tension. L'invention s'applique notamment aux capteurs à pont de Wheatstone destinés à mesurer par exemple des phénomènes physiques à faible vitesse tels que : pression, température, détection de gaz, etc. Les capteurs à pont de Wheatstone comprennent généralement un circuit de pont de Wheatstone et un préamplificateur d'impédance élevée destiné à amplifier la tension de sortie du pont de Wheatstone qui est proportionnelle à la tension d'alimentation du pont de Wheatstone. Cependant la tension de sortie pleine échelle de ce genre de capteurs à pont de Wheatstone est souvent très faible, par exemple 10 à 50 mV/V. Il nécessite alors une pré-amplification de grande précision avant d'éventuelles conversions numériques et une correction de décalage des signaux d'entrée du préamplificateur, c'est- à-dire des signaux de sortie du pont de Wheatstone. Ce décalage peut être la conséquence du désappariement des résistances du pont de Wheatstone ou de la variation de température et peut être du même ordre de grandeur, par exemple 10 à 30 mV/V, que la tension de sortie pleine échelle. Par conséquent, il faut éviter autant que possible d'amplifier ce décalage de signaux de sortie du pont de Wheatstone. En outre, comme la bande de passante typique des valeurs physiques à faible vitesse est généralement de 0,1 à 100 Hz, il est souhaitable d'avoir un niveau de bruit le plus faible possible. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif de correction du décalage de tension d'un pont de Wheatstone, qui soit indépendant du gain de la chaîne d'amplificateur tout en assurant que la correction de décalage suive les variations éventuelles de la tension d'alimentation du pont de Wheatstone ainsi que les variations éventuelles des valeurs des résistances du pont de Wheatstone en température. Selon un autre mode de réalisation, il est proposé une correction du décalage qui soit insensible au bruit en 1/f de la chaîne d'amplificateur. Une solution possible prévoit - de piloter le pont de Wheatstone avec une source de courant et un amplificateur suiveur de façon à répliquer la tension d'alimentation ou une tension dérivée de cette tension d'alimentation, sur le pont de Wheatstone lui-même, - de générer un deuxième courant proportionnel à celui délivré par la source de courant et d'utiliser ce deuxième courant comme courant de référence d'un convertisseur numérique-analogique en courant, et - d'ajuster, par exemple lors d'une phase d'étalonnage (calibration), le courant de sortie du convertisseur à partir d'un signal numérique de correction de façon à annuler autant que possible le décalage de tension. Ainsi, selon un aspect, il est proposé un dispositif électronique, comprenant un circuit de pont de Wheatstone et un circuit de correction couplé au circuit de pont de Wheatstone et configuré pour corriger un décalage de la tension de sortie de pont de Wheatstone. Selon une caractéristique générale de cet aspect, le circuit de correction comprend une interface d'entrée pour recevoir une première tension, un module d'alimentation configuré pour alimenter le circuit de pont de Wheatstone avec une deuxième tension tirée de la première tension et avec un premier courant asservi sur la valeur courante des résistances du circuit de pont de Wheatstone et pour élaborer un deuxième courant proportionnel au premier courant, et un convertisseur numérique-analogique configuré pour délivrer un courant de correction aux sorties du circuit de pont de Wheatstone à partir d'un signal numérique de correction et du deuxième courant. La deuxième tension peut être sensiblement égale ou sensiblement proportionnelle à la première tension. Le premier courant est typiquement inversement proportionnel à la valeur courante des résistances du circuit de pont de Wheatstone. De ce fait, ce premier courant ainsi asservi, peut suivre la variation éventuelle des résistances du circuit de pont de Wheatstone en température. Par ailleurs, le convertisseur numérique-analogique comporte par exemple une première entrée de convertisseur destinée à recevoir le deuxième courant, une deuxième entrée de convertisseur destinée à recevoir le signal numérique de correction et une sortie différentielle en courant couplée aux deux sorties du circuit de pont de Wheatstone pour délivrer ledit courant de correction. Comme le deuxième courant est proportionnel (le coefficient de proportionnalité peut être égal à 1 ou être différent de 1) au premier courant, il est alors aussi capable de suivre la variation éventuelle des résistances du circuit de pont de Wheatstone et ce deuxième courant sert de courant de référence dans le convertisseur numérique-analogique. Ainsi, pour un circuit de pont de Wheatstone et une température donnés, on peut ajuster lors d'une phase d'étalonnage la valeur du signal numérique de correction pour délivrer un signal différentiel en courant pouvant annuler le décalage de tension à la sortie du circuit de pont de Wheatstone. Ce courant de sortie est par nature relié directement au deuxième courant, et donc indirectement au premier courant, à la première tension et à la deuxième tension. La correction de décalage suit par conséquent la variation éventuelle de la tension d'alimentation du pont de Wheatstone et des résistances du pont de Wheatstone en température notamment. Les imperfections de technologies peuvent donc être corrigées de façon automatique et simple, sans utiliser un capteur de niveau avancé et à coût élevé. En outre, un tel dispositif électronique peut annuler le décalage des signaux de sortie du pont de Wheatstone avant l'étage de pré-amplification, en étant insensible au gain et au bruit en 1/f du préamplificateur. Selon un mode de réalisation, le module d' alimentation comprend - une première source de courant destinée à délivrer le premier courant et pilotée par un amplificateur suiveur dont une entrée est couplée à l'interface d'entrée, la sortie de la première source de courant étant couplée à une borne d'alimentation du circuit de pont de Wheatstone couplée à l'autre entrée de l'amplificateur suiveur, et - une deuxième source de courant destinée à délivrer le deuxième courant et pilotée par l'amplificateur suiveur, la sortie de la deuxième source de courant étant couplée à la première entrée de convertisseur. L'amplificateur suiveur permet de fournir une réplique de la première tension à la borne d'alimentation du circuit de pont de Wheatstone. La première source de courant peut comprendre au moins un premier transistor bipolaire dont la base est couplée à la sortie de l'amplificateur suiveur et le collecteur est couplé à la borne d'alimentation du circuit de pont de Wheatstone, et la deuxième source de courant peut comprendre au moins un deuxième transistor bipolaire dont la base est couplée à la sortie de l'amplificateur suiveur et le collecteur est couplé à la première entrée de convertisseur. En effet, l'utilisation de transistors bipolaires, par exemple de type PNP, pour les sources de courant permet de limiter intrinsèquement le bruit en 1/f de ces sources de courant et d'améliorer encore la performance du pont de Wheatstone. En variante, le module d'alimentation peut comprendre - au moins un premier transistor PMOS dont la grille est couplée à la sortie de l'amplificateur suiveur et le drain est couplé à ladite borne d'alimentation du circuit de pont de Wheatstone à travers un premier circuit de hachage et à la première entrée de convertisseur à travers un deuxième circuit de hachage, - au moins un deuxième transistor PMOS dont la grille est couplée à la sortie de l'amplificateur suiveur et le drain est couplé à ladite borne d'alimentation du circuit de pont de Wheatstone à travers un troisième circuit de hachage et à la première entrée de convertisseur à travers un quatrième circuit de hachage, et - des moyens de commande configurés pour commander les circuits de hachage de façon à ce que la première source de courant comprenne alternativement ledit au moins un premier transistor PMOS ou ledit au moins un deuxième transistor PMOS et la deuxième source de courant comprenne alternativement ledit au moins un deuxième transistor PMOS ou ledit au moins un premier transistor PMOS. Le bruit en 1/f du ou des transistor(s) MOS de la première source de courant rebouclé sur l'amplificateur suiveur est atténué par la présence de la boucle. Ce n'est pas le cas pour le ou les transistor(s) MOS qui n'est pas dans la boucle. La présence des circuits de hachages agissant comme réseau de commutateurs permet de répartir au cours du temps celui ou ceux des premier et deuxième transistors qui seront rebouclés sur l'amplificateur suiveur ou connectés à la première entrée du convertisseur, et donc de diminuer le bruit en 1/f générés par les sources de courant. D' autres avantages et caractéristiques de l' invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 2 sont relatives à différents modes de réalisation d'un dispositif électronique selon l'invention. On se réfère maintenant à la figure 1 pour illustrer un mode de réalisation d'un dispositif électronique DIS selon l'invention incorporé par exemple au sein d'un capteur à pont de Wheatstone. Le dispositif électronique DIS comporte un circuit de correction CC et un circuit de pont de Wheatstone PW. Le circuit de correction CC comporte un module d'alimentation 1 et un convertisseur numérique-analogique CNA en courant possédant une sortie différentielle en courant BS1 et B52 couplée avec les sorties 2 et 3 du circuit de pont de Wheatstone PW. Le module d'alimentation 1 comprend un amplificateur suiveur 4, une première source de courant 5 comportant un premier transistor bipolaire PNP 50 et une deuxième source de courant 6 comportant un deuxième bipolaire PNP 60. Une interface d'entrée 7 est couplée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur suiveur 4. Les bases des deux transistors bipolaires 50 et 60 des deux sources de courant 5 et 6 sont couplées conjointement à la sortie 8 de l'amplificateur suiveur 4. Le collecteur du premier transistor bipolaire 50 est couplé à une borne d'alimentation 9 du circuit du pont de Wheatstone PW couplée à l'entrée inverseuse 10 de l'amplificateur suiveur 4. La première entrée de convertisseur EC1 est couplée au collecteur du deuxième transistor bipolaire 60 de la deuxième source de courant 6. Le convertisseur CNA reçoit un signal numérique de correction SNC via la deuxième entrée de convertisseur EC2. Les émetteurs des transistors 50 et 60 sont connectés à une tension d'alimentation VDD. Le circuit du pont de Wheatstone possède dans cet exemple quatre résistances R1-R4 théoriquement identiques et ayant une valeur résistive égale à Rpont, connectées entre la borne d'alimentation 9 et la masse GND. Lorsqu'un circuit de pont de Wheatstone PW est équilibré, on trouve une tension nulle aux sorties 2 et 3 du circuit du pont de Wheatstone. A cause des imperfections de technologies, par exemple le désappariement des résistances du pont de Wheatstone PW, on peut avoir une variation éventuelle sur la valeur des résistances du pont de Wheatstone PW. Par conséquent, le pont de Wheatstone PW devient déséquilibré et il y a un décalage en tension à la sortie du pont de Wheatstone PW. Dans une phase d'étalonnage (calibration) effectuée par exemple en usine après la fabrication du circuit intégré, on procède à une correction de décalage pour rendre le circuit du pont de Wheatstone PW de nouveau équilibré. La tension d'alimentation Vont du pont de Wheatstone PW présente à l'interface d'entrée 7 est répliquée à la borne d'alimentation 9 du circuit du pont de Wheatstone PW par l'amplificateur suiveur 4. La résistance globale du pont de Wheatstone vaut à peu près Rpont en prenant en compte des imperfections de technologies et le premier courant Il fourni par la première source de courant 5 pour alimenter le circuit du pont de Wheatstone PW vaut à peu près Vont Rpont. La deuxième source de courant 6 délivre un deuxième courant 12, proportionnel au premier courant il, à la première entrée de convertisseur EC1 en tant que courant de référence. Le coefficient de proportionnalité dépend du rapport dimensionnel entre les transistors 50 et 60. Pendant la phase d'étalonnage, on ajuste la sortie différentielle en courant BS1 et BS2 du convertisseur numérique-analogique CNA jusqu'à annuler le décalage de tension à la sortie du pont de Wheatstone en ajustant la valeur du signal numérique de correction SNC reçu à la deuxième entrée de convertisseur EC2. Une fois que le pont de Wheatstone est de nouveau équilibré (tension nulle aux sorties 2 et 3 du circuit du pont de Wheatstone), la valeur du signal numérique de correction SNC est figée et mémorisée pour le convertisseur CNA et sera utilisée lors du fonctionnement ultérieur du convertisseur CNA. Comme le courant de référence du convertisseur numérique- analogique CNA est proportionnel au premier courant H, qui lui-même est lié à la tension d'alimentation du circuit du pont de Wheatstone PW et à la valeur courante des résistances R1-R4 du pont de Wheatstone PW, la sortie différentielle en courant du convertisseur CNA, configurée pour annuler le décalage de tension à la sortie du pont de Wheatstone PW, suit la variation éventuelle de la tension d'alimentation Vpont et des résistances Rpont du pont de Wheatstone PW en température. L'utilisation de transistors bipolaires dans le module d'alimentation 1 et éventuellement dans le convertisseur numérique-analogique CNA permet de limiter intrinsèquement le bruit en 1/f des sources de courant et éventuellement du convertisseur numérique-analogique CNA en courant. On se réfère maintenant à la figure 2 pour illustrer un autre mode de réalisation du dispositif électronique selon l'invention. On ne décrit ci-dessous que les différences entre les deux modes de réalisation. Tout d'abord, les sources de courant 5 et 6 utilisent des transistors PMOS au lieu de transistors bipolaires dans le mode de réalisation précédent. En outre, on ajoute un réseau de circuits de hachage 11, communément désignés par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon « chopper », dans le module d'alimentation 1. La source de courant 5 comporte un premier transistor PMOS 51 dont la grille est couplée à la sortie 8 de l'amplificateur suiveur 4 et le drain est couplé à la borne d'alimentation 9 du circuit du pont de Wheatstone PW à travers un premier circuit de hachage H1 et à la première entrée de convertisseur EC1 à travers un deuxième circuit de hachage H2. De la même manière, la source de courant 6 comporte un deuxième transistor PMOS 61 dont la grille est couplée à la sortie 8 de l'amplificateur suiveur 4 et le drain est couplé à la borne d'alimentation 9 du circuit du pont de Wheatstone PW à travers un troisième circuit de hachage H3 et à la première entrée de convertisseur EC1 à travers un quatrième circuit de hachage H4. Le dispositif électronique DIS comporte en outre des moyens de commande MC, réalisés par exemple à partir de circuits logiques ou de façon logicielle au sein d'un microcontrôleur, configurés pour commander les circuits de hachage de façon que lorsque les circuits de hachage H1 et H4 sont fermés, les circuits de hachage H2 et H3 soient ouverts et inversement. Lorsque les circuits de hachage H1 et H4 sont fermés, la source de courant 5 délivre un premier courant Ii pour alimenter le pont de Wheatstone et la source de courant6 délivre un deuxième courant 12 à la première entrée de convertisseur EC1 en tant que courant de référence. La source de courant 5 forme alors la première source de courant et la source de courant 6 forme la deuxième source de courant. Lorsque les circuits de hachage H2 et H3 sont fermés, le premier courant Ii est alors délivré par la source de courant 6 et le deuxième courant 12 est délivré par la source de courant 5. La source de courant 6 forme alors la première source de courant et la source de courant 5 forme la deuxième source de courant. Le bruit en 1/f du transistor MOS de la source de courant 5 qui est rebouclée à l'entrée 10 de l'amplificateur suiveur 4 peut être atténué par la présence de la boucle. Ce n'est pas le cas pour le transistor MOS qui n'est pas dans la boucle. Aussi, pour limiter le bruit en 1/f issu des sources de courant 5 et 6, les moyens de commande MC commandent les circuits de hachage H1 à H4 pour les faire fonctionner alternativement comme réseau de commutateurs pour répartir au cours du temps celui des transistors PMOS qui sera rebouclé sur l'amplificateur suiveur 4 ou connecté à la première entrée du convertisseur EC1. De ce fait, on peut réduire notablement le bruit en 1/f des sources de courant à l'aide de ce réseau des circuits de hachage 11. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits mais en embrasse toutes les variantes. Ainsi les sources de courant peuvent comporter plusieurs transistors en parallèle. Lorsque les transistors sont des transistors MOS, on peut alors rajouter des circuit de hachage pour répartir au cours du temps le nombre de transistors MOS formant la première source de courant rebouclée et de ceux formant la deuxième source de courant. Enfin, on peut prévoir par exemple un diviseur de tension ou un gain entre l'entrée inverseuse de l' amplificateur et la borne d'alimentation 9 de façon à délivrer à la borne d'alimentation 9 une deuxième tension proportionnelle à la tension Vont. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique, comprenant un circuit de pont de Wheatstone (PW) et un circuit de correction (CC) couplé au circuit de pont de Wheatstone (PW) et configuré pour corriger un décalage de la tension de sortie de pont de Wheatstone (PW), caractérisé en ce que le circuit de correction (CC) comprend une interface d'entrée (7) pour recevoir une première tension, un module d'alimentation (1) configuré pour alimenter le circuit de pont de Wheatstone (PW) avec une deuxième tension tirée de la première tension et avec un premier courant (I1) asservi sur la valeur courante des résistances du circuit de pont de Wheatstone (PW) et pour élaborer un deuxième courant (I2) proportionnel au premier courant (I1), et un convertisseur numérique-analogique (CNA) en courant configuré pour délivrer un courant de correction aux sorties (2, 3) du circuit de pont de Wheatstone (PW) à partir d'un signal numérique de correction (SNC) et du deuxième courant (I2). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la deuxième tension est sensiblement égale ou sensiblement proportionnelle à la première tension. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le convertisseur numérique-analogique (CNA) en courant comporte une première entrée de convertisseur (EC1) destinée à recevoir le deuxième courant (I2), une deuxième entrée de convertisseur (EC2) destinée à recevoir le signal numérique de correction (SNC) et une sortie différentielle (BS1, BS2) en courant couplée aux deux sorties (2, 3) du circuit de pont de Wheatstone (PW) pour délivrer ledit courant de correction. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le module d'alimentation (1) comprend une première source de courant (5) destinée à délivrer ledit premier courant (I1) et pilotée par un amplificateur suiveur (4) dont une entrée est couplée à ladite interface d'entrée (7), la sortie de la première source de courant étant couplée à une borne d'alimentation (9) du circuit de pont de Wheatstone (PW)couplée à l'autre entrée (10) de l'amplificateur suiveur (4), et une deuxième source de courant (6) destinée à délivrer le deuxième courant (12) et pilotée par l'amplificateur suiveur (4). 5. Dispositif selon les revendications 3 et 4, dans lequel la première source de courant (5) comprend au moins un premier transistor bipolaire (50) dont la base est couplée à la sortie (8) de l'amplificateur suiveur (4) et le collecteur est couplé à ladite borne d'alimentation (9) du circuit de pont de Wheatstone (PW), et la deuxième source de courant (6) comprend au moins un deuxième transistor bipolaire (60) dont la base est couplée à la sortie (8) de l'amplificateur suiveur (4) et le collecteur est couplé à la première entrée de convertisseur (EC1). 6. Dispositif selon les revendications 3 et 4, dans lequel le module d'alimentation comprend au moins un premier transistor PMOS dont la grille est couplée à la sortie (8) de l'amplificateur suiveur (4) et le drain est couplé à ladite borne d'alimentation (9) du circuit de pont de Wheatstone (PW) à travers un premier circuit de hachage (H1) et à la première entrée de convertisseur (EC1) à travers un deuxième circuit de hachage (H2), au moins un deuxième transistor PMOS dont la grille est couplée à la sortie (8) de l'amplificateur suiveur (4) et le drain est couplé à ladite borne d'alimentation (9) du circuit de pont de Wheatstone (PW) et rebouclé sur l'autre entrée (8) de l'amplificateur suiveur (4) à travers un troisième circuit de hachage (H3) et à la première entrée de convertisseur (EC1) à travers un quatrième circuit de hachage (H4), et des moyens de commande (MC) configurés pour commander les circuits de hachage de façon à ce que la première source de courant (5) comprenne alternativement ledit au moins un premier transistor PMOS (51) ou ledit au moins un deuxième transistor PMOS (61) et la deuxième source de courant (6) comprenne alternativement ledit au moins un deuxièmetransistor PMOS (61) ou ledit au moins un premier transistor PMOS (51).