Brevet FR3082074A1 — publié le 20191206

Amplificateur à gain variable dans une chaîne de réception Des modes de réalisation de l'invention concernent les appareils de communication, en particulier les appareils de communication en champ proche connus dans l'état de la technique sous l'acronyme de langue anglaise « NFC » («Near Field Communication, NFC » en anglais), et notamment les dispositifs amplificateurs à gain variable connus dans l'état de la technique sous l'acronyme de langue anglaise « VGA » («Variable Gain Amplifier, VGA » en anglais) incorporés dans les chaînes de réception de ces appareils. Un appareil de communication en champ proche comprend généralement une chaîne de réception d'un signal raccordée à une antenne. La figure 1 illustre une chaîne de réception Rx selon l'état de la technique raccordée à une antenne ANT et comprenant un étage 1 de couplage d'antenne comprenant généralement des condensateurs de liaison et un balun. L'étage 1 de couplage d'antenne décompose le signal reçu par l'antenne ANT en deux signaux en opposition de phase l'un de l'autre. Une entrée de l'étage 1 est reliée à l'antenne ANT et chacune des deux sorties de l'étage 1 est reliée à une entrée différente d'un amplificateur 2 à gain variable comprenant des moyens d'amplification, par exemple des transistors montés en suiveur. Chacune des sorties de l'amplificateur 2 est reliée à une entrée différente d'un convertisseur 4 numérique-analogique par l'intermédiaire d'un filtre anti-repliement 3. L'amplificateur 2 est piloté par un contrôleur 5 de gain variable connu dans l'état de la technique sous l'acronyme de langue anglaise « AGC » («Automated Gain Control, AGC » en anglais). Le contrôleur 5 est relié au convertisseur 4 et comprend une machine d'état qui pilote la valeur du gain de l'amplificateur 2 selon la résolution du convertisseur 4 de sorte que l'amplitude d'un signal reçu par le convertisseur 4 soit comprise dans la dynamique maximale du convertisseur 4. Le convertisseur 4 pilote le contrôleur 5. 2 Lors d'une première étape, l'amplificateur 2 détermine le gain maximal admissible par le convertisseur 4. Le gain maximal obtenu est maintenu constant tant que l'intensité du signal n'a pas été modifiée, c'est-à-dire tant que la distance entre 5 l'émetteur du signal et l'antenne ANT est constante. Cependant, les signaux reçus par l'amplificateur 2 comportent un décalage de tension de mode commun (« Offset » en anglais). La figure 2 représente un signal Si reçu sur une des entrées de l'amplificateur 2 présentant un décalage DEC1 et les amplitudes Asup et 10 AINF représentant la dynamique du convertisseur 4. Le décalage du signal reçu sur chaque entrée peut être de valeur différente. On suppose que le gain de l'amplificateur a été déterminé de sorte que le signal Si amplifié par l'amplificateur 2 soit compris dans la 15 dynamique du convertisseur 4. Soit S2 le signal 51 amplifié par l'amplificateur 2. On constate qu'une partie du signal S2 n'est pas comprise dans la dynamique du convertisseur 2. La multiplication du décalage DEC1 du signal 51 par le gain de l'amplificateur 2 a créé un décalage DEC2 du 20 signal S2 supérieur au décalage DEC1. L'amplitude du signal S2 en sortie de l'amplificateur 2 est supérieure à la dynamique maximale du convertisseur 4. Seule la partie du signal S2 comprise dans la dynamique du convertisseur 4 est convertie en un signal numérique. Il résulte une erreur 25 importante sur le signal numérique obtenu en sortie du convertisseur 4 par rapport au signal reçu par l'antenne ANT. Des condensateurs de liaison placés en sortie de l'amplificateur 2 permettent de polariser les signaux à un niveau différent. Cependant, le signal décalé est transmis à l'amplificateur 2 et peut saturer ce dernier. 30 Une autre solution connue consiste à surdimensionner le convertisseur analogique-numérique de manière à augmenter sa dynamique. Cependant, un tel convertisseur entraîne une augmentation de la consommation d'énergie, de la surface du circuit amplificateur et du coût. Il existe un besoin d'un amplificateur à gain variable compensant 35 les décalages des signaux reçus sur chacune de ses entrées, en d'autres 3 termes il existe un besoin d'un amplificateur à gain variable recentrant les signaux reçus sur ses entrées quelque soit le gain de l'amplificateur. Selon des modes de mises en oeuvre et de réalisation, il est avantageusement proposé à chaque instant de recentrer les signaux reçus 5 par l'amplificateur à gain variable. Selon un aspect, il est proposé un amplificateur à gain variable comprenant deux branches d'amplification et de recentrage, chacune des branches comprenant un moyen résistif de résistance variable, une borne d'entrée destinée à recevoir un signal, une borne de sortie, une source de 10 courant variable pilotée numériquement et un transistor suiveur, la grille du transistor suiveur étant couplée à la borne d'entrée, le drain étant couplé à la borne de sortie et la source étant couplée à une borne du moyen résistif et à une sortie de la source de courant, la source de courant variable étant apte à être pilotée par une unité de pilotage de courant de compensation et 15 le moyen résistif étant apte à être piloté par un contrôleur de gain variable. Selon un mode de réalisation, l'unité de pilotage de courant est apte piloter la source de courant variable selon la valeur du gain de l'amplificateur et d'un mot numérique de référence. Selon un mode de réalisation, l'amplificateur comprend en outre un 20 transistor cascode, la source du transistor cascode étant couplée à la sortie de la source de courant variable et le drain étant couplé à la source du transistor suiveur et à la borne du moyen résistif. Selon un autre aspect, il est proposé une chaîne de réception comprenant un amplificateur tel que défini précédemment, un comparateur 25 comprenant deux entrées reliées chacune à la borne de sortie d'une branche différente d'amplification et une sortie reliée à une entrée d'étalonnage de l'unité de pilotage de courant et un contrôleur de gain variable relié à une entrée de commande de ladite unité. Selon encore un autre aspect, il est proposé un procédé 30 d'amplification et de recentrage d'un signal dans une chaîne de réception comprenant une étape d'étalonnage durant laquelle : on pilote un moyen résistif de résistance variable incorporé dans chacune des deux branches d'amplification et de recentrage d'un signal de sorte que la valeur du gain entre une borne d'entrée et de sortie de chacune 4 des branches soit égale à la valeur de gain la plus élevée réalisable par ladite branche ; on pilote des sources de courant variables incluses dans les branches de sorte que les signaux aux bornes de sorties des deux branches 5 se croisent ; et on sauvegarde le mot numérique de pilotage de chaque source. Une relation de linéarité est établie entre la valeur du gain de la branche d'amplification et de recentrage et la valeur des courants de compensation délivrés par les sources de courant. 10 Selon un mode de mise en oeuvre, le procédé comporte en outre une étape d'utilisation durant laquelle on pilote les moyens résistifs de sorte que le gain entre la borne d'entrée et de sortie de chacune des branches soit égale à la valeur de gain la plus élevée réalisable par les branches puis on diminue la valeur du gain jusqu'à ce que le signal soit inclus dans la 15 résolution d'un convertisseur numérique analogique et on ajuste le pilotage des sources de courant proportionnellement à la valeur du gain en prenant comme référence le mot numérique de référence correspondant au gain maximal. La compensation du décalage d'un signal d'entrée d'une branche 20 d'amplification et de recentrage est adaptée en temps réel, c'est-à-dire pour toutes les variations de la valeur du gain d'amplification. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et de dessins annexés sur lesquels : 25 - les figures 1 et 2, précédemment décrites, illustrent des modes de réalisation d'un amplificateur à gain variable selon l'état de la technique ; et les figures 3 à 7 illustrent différents modes de réalisation et de mise en oeuvre de l'invention. 30 On se réfère à la figure 3 qui représente un exemple de mode de réalisation d'une chaîne de réception Rxl comprenant un amplificateur 6 à gain variable couplé à l'antenne ANT. On retrouve l'étage 1 de couplage d'antenne relié à l'antenne ANT, le filtre anti-repliement 3 relié au convertisseur numérique-analogique 4 et 35 le contrôleur 5 de gain variable relié au convertisseur 4. 5 L'amplificateur 6 comprend deux branches 7 et 8 d'amplification et de recentrage d'un signal et une unité 9 de pilotage de courant de compensation. L'unité 9 de pilotage de courant peut être incluse dans 5 l'amplificateur 6 comme représenté ici ou être à l'extérieur de l'amplificateur 6. Les deux branches 7 et 8 sont identiques. La première branche 7 comprend une entrée E7 reliée à une première sortie de l'étage 1 de couplage d'antenne, une sortie S7 reliée à 10 une première entrée du filtre 3 et sur laquelle circule un signal s7, une première, deuxième et troisième entrée de potentiel EP71, EP72 et EP73 reliées respectivement à un premier potentiel de référence VBIAS, à un deuxième potentiel de référence Vdd et à une masse GND. La branche 7 comprend en outre une première entrée de commande 15 Ec71 reliée au contrôleur 5 de gain variable, une deuxième entrée de commande Ec72 reliée à une sortie S9 de l'unité 9 de pilotage de courant de compensation et une entrée ER7. L'unité 9 comprend en outre une entrée d'étalonnage Ec91 reliée à une sortie S10 d'un comparateur 10 sur laquelle circule un signal slO et 20 une entrée de commande Ec92 reliée au contrôleur 5. Le comparateur 10 comprend en outre deux entrées reliées chacune à une sortie différente de l'amplificateur 6. La deuxième branche 8 comprend une entrée E8 reliée à une deuxième sortie de l'étage 1 de couplage d'antenne, une sortie S8 reliée à 25 une deuxième entrée du filtre 3 sur laquelle circule un signal s8, une première, deuxième et troisième entrée de potentiel EP81, EP82 et EP83 reliées respectivement au premier potentiel de référence VBIAS, au deuxième potentiel de référence Vdd et à la masse GND. La branche 8 comprend en outre une première entrée de commande 30 Ec81 reliée au contrôleur 5 de gain variable, une deuxième entrée de commande Ec82 reliée à une sortie S9 de l'unité 9 de pilotage de courant de compensation et une entrée ER8. Les entrées ER7 et ER8 des branches 7 et 8 sont reliées entre elles. Les signaux s7 et s8 sont en opposition de phase l'un par rapport à 35 l'autre. 6 Comme les deux branches 7 et 8 sont identiques, seule la première branche 7 est détaillée dans ce qui suit. On se réfère à la figure 4 qui représente un premier exemple de mode de réalisation de la branche 7 comprenant des transistors, une 5 résistance ohmique R, une source de courant Il et un moyen résistif MR7 de résistance variable. Les transistors sont tous identiques et sont par exemple des transistors à effet de champs du type MOS. La grille d'un premier transistor Ti suiveur est reliée à la borne 10 d'entrée E7 et le drain du premier transistor Ti suiveur est reliée à une première borne de la résistance ohmique R et à la grille d'un deuxième transistor T2 suiveur. La source du premier transistor Ti est reliée à une première borne du moyen MR7 de résistance variable, au drain d'un troisième transistor T3 et à une sortie de la source de courant variable 15 pilotée numériquement Il. Une deuxième borne du moyen MR7 de résistance variable est reliée à l'entrée ER7. Le moyen MR7 de résistance variable comprend en outre une entrée de pilotage reliée à la première entrée de commande Ec71. 20 La source de courant Il comprend en outre une entrée EH de commande reliée à la deuxième entrée de commande Ec7 et une borne reliée à la troisième entrée de potentiel EP73. La source du troisième transistor T3 est reliée à la troisième entrée de potentiel EP73 et la grille du troisième transistor T3 est reliée à la 25 première entrée de potentiel EP71. Une deuxième extrémité de la résistance R et le drain du deuxième transistor T2 suiveur sont reliés à la deuxième entrée de potentiel EP72. La source du transistor suiveur T2 est reliée à la sortie S7 et au drain d'un premier transistor cascode T4. 30 La source du premier transistor cascode T4 est reliée au drain d'un deuxième transistor cascode T5. La source du deuxième transistor cascode T5 est reliée à la troisième entrée de potentiel EP73. La grille du premier et la grille du deuxième transistor cascode T4 35 et T5 sont reliées à la première entrée de potentiel EP71. 7 Les transistors cascode T4 et T5 adaptent l'impédance de sortie de la branche 7. Selon un autre mode de réalisation, les transistors cascode T4 et T5 peuvent être remplacés par un seul transistor. 5 La valeur du premier potentiel de référence VBIAS est choisie de sorte que la tension de grille des premier et deuxième transistors cascode T4 et T5 et du troisième transistor T3 soit supérieure à leur tension de seuil. Le premier potentiel de référence VBIAS peut par exemple être 10 généré par la recopie d'un courant, par exemple de type tension de bande interdite connu dans l'état de la technique sous l'expression de langue anglaise « Bandgap Voltage » divisée par un moyen résistif du même type que le moyen MR7 de résistance variable. Le deuxième potentiel de référence Vdd est choisi en fonction de la 15 technologie des transistors employés et sert à polariser les transistors reliés à la première entrée de potentiel EP71. La valeur du gain G d'amplification de la branche d'amplification 7 est égale à la valeur de la résistance ohmique R divisée par la valeur de la résistance du moyen MR7 de résistance variable. 20 On se réfère à la figure 5 qui représente un deuxième exemple de mode de réalisation de la branche 7. Le deuxième exemple de mode de réalisation est identique au premier exemple de mode de réalisation de la branche 7 décrit précédemment sauf en ce qu'il comporte un troisième transistor T6 cascode 25 dont le drain est relié à la source du premier transistor Ti suiveur, la grille est reliée à la première entrée de potentiel EP71 et la source est reliée à la sortie de la source de courant variable pilotée numériquement Il. Le troisième transistor T6 cascode diminue les fluctuations du courant délivré par la source de courant Il connu dans l'état de la 30 technique sous l'expression de langue anglaise « glitch ». On se réfère à la figure 6 qui décrit un exemple de mise en oeuvre de l'amplificateur 6 à gain variable. A la mise en fonctionnement, l'amplificateur 6 fonctionne avec un gain maximal. Il est nécessaire d'étalonner l'amplificateur 6 lors d'une 35 étape de calibration 10 avant la première utilisation de l'amplificateur. 8 L'étape d'étalonnage 10 est suivie d'une étape d'utilisation 20 de l'amplificateur 6. On se réfère à présent à la figure 7 qui décrit un exemple de mise en oeuvre de l'amplificateur 6 à gain variable lors de l'étape d'étalonnage. 5 L'amplificateur 6 reçoit sur chacune de ses entrées E7 et E8 un signal comprenant un décalage aléatoire non nul (« offset » en anglais). Lors de l'étape d'étalonnage 10, le contrôleur 5 de gain variable pilote le moyen résistif de résistance variable de chacune des branches de sorte que la valeur du gain de chacune des branches de l'amplificateur 6 10 soit égale à la valeur de gain maximale, puis l'unité 9 de pilotage du courant de compensation pilote les sources de courant variables des branches 7 et 8 de sorte que les signaux s7 et s8 de sortie de l'amplificateur 6 se croisent. La valeur de gain maximale de chacune des branches est égale à la 15 valeur de gain la plus élevée réalisable par ladite branche. Cette valeur est définie lors du dimensionnement de l'amplificateur et est dépendante de la valeur de la résistance ohmique et de la valeur de la résistance du moyen de résistance variable de chacune des branches. Lorsque les signaux s7 et s8 se croisent, le signal slO de sortie du 20 comparateur passe du « 0 » logique au « 1 » logique. Les signaux s7 et s8 se croisent à l'instant Ti, par conséquent le signal si() passe à « 1 » à l'instant Ti. L'unité 9 de pilotage de courant relève le mot logique de pilotage de chacune des sources de courant de chacune des branches 7 et 8 à 25 l'instant du croisement des signaux s7 et s8 et sauvegarde les mots numériques. Ces mots numériques correspondent aux mots numériques de référence associés à la valeur maximale du gain de l'amplificateur 6 à gain variable et permettent de compenser les décalages des signaux reçus par 30 l'amplificateur 6 de manière à recentrer lesdits signaux à la valeur de gain maximale. Lorsque l'étape d'étalonnage 10 est terminée, elle est suivie de l'étape d'utilisation 20. Durant l'étape d'utilisation 20, le contrôleur 5 de gain variable 35 pilote le moyen résistif de chacune des branches 7 et 8 de sorte que la 9 valeur du gain de l'amplificateur 6 soit égale à la valeur maximale de gain et fournit la valeur du gain à l'unité 9 de pilotage de courant. L'unité 9 de pilotage de courant adapte le pilotage des sources de courant des branches 7 et 8 selon la valeur des mots numériques de 5 référence. Puis le contrôleur 5 pilote le moyen résistif de chacune des branches 7 et 8 de sorte que le gain de l'amplificateur 6 diminue par exemple d'une unité de gain, jusqu'à ce que le signal reçu par le convertisseur numérique analogique 4 soit inclus dans la résolution du 10 convertisseur 4. A chaque diminution du gain, l'unité 9 de pilotage de courant ajuste le pilotage des sources de courant proportionnellement à la valeur du gain reçu en prenant comme référence le mot numérique de référence correspondant au gain maximal déterminé précédemment. 15 Il est à noter qu'une branche 7 complémentaire peut être réalisée. En d'autres termes, la valeur des courants est déterminée proportionnellement à la valeur du gain. Avantageusement, l'amplificateur 6 adapte en temps réel la valeur des courants de compensation à la valeur du gain de l'amplificateur. 20 Les signaux reçus par le convertisseur numérique analogique sont conditionnés par l'amplificateur de sorte qu'il est inclus dans la résolution du convertisseur. Par conséquent, le convertisseur n'est REVENDICATIONS1. Amplificateur à gain variable comprenant deux branches d'amplification et de recentrage, chacune des branches comprenant un moyen résistif (MR7) de résistance variable, une borne d'entrée (E7) destinée à recevoir un signal, une borne de sortie (S7), une source de courant (I1) variable pilotée numériquement et un transistor (Ti) suiveur, la grille du transistor suiveur étant couplée à la borne d'entrée, le drain étant couplé à la borne de sortie et la source étant couplée à une borne du moyen résistif et à une sortie de la source de courant, la source de courant variable étant apte à être pilotée par une unité de pilotage (9) de courant de compensation et le moyen résistif étant apte à être piloté par un contrôleur (5) de gain variable. 2. Amplificateur à gain variable selon la revendication 1 dans lequel ladite unité (9) de pilotage de courant est apte à piloter la source de courant (I1) variable selon la valeur du gain de l'amplificateur et d'un mot numérique de référence. 3. Amplificateur à gain variable selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant en outre un transistor cascode, la source du transistor cascode étant couplée à la sortie de la source (I1) de courant variable et le drain étant couplé à la source du transistor suiveur (Ti) et à la borne du moyen résistif. 4. Chaîne de réception comprenant un amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, un comparateur (10) comprenant deux entrées reliées chacune à la borne de sortie (S7, S8) d'une branche différente d'amplification et une sortie (S10) reliée à une entrée d'étalonnage (Ec91) de l'unité de pilotage de courant (9) et un contrôleur (5) de gain variable relié à une entrée (Ec92) de commande de ladite unité. 5. Procédé d'amplification et de recentrage d'un signal dans une chaîne de réception (Rxl) comprenant une étape d'étalonnage (10) durant laquelle : on pilote un moyen résistif de résistance variable incorporé dans chacune des deux branches d'amplification et de recentrage d'un signal de sorte que la valeur du gain entre une borne d'entrée (E7, E8) et de sortie 11 (S7, S8) de chacune des branches soit égale à la valeur de gain la plus élevée réalisable par ladite branche , on pilote des sources (I1, 12) de courant variables incluses dans les branches de sorte que les signaux aux bornes de sorties des deux branches 5 se croisent ; et on sauvegarde le mot numérique de pilotage de chaque source. 6. Procédé selon la revendication 5, comprenant en outre une étape (20) d'utilisation durant laquelle on pilote les moyens résistifs (MR7) de sorte que le gain entre la borne d'entrée (E7, E8) et de sortie (S7, S8) de 10 chacune des branches soit égal à la valeur de gain la plus élevée réalisable par les branches puis on diminue la valeur du gain jusqu'à ce que le signal soit inclus dans la résolution d'un convertisseur numérique analogique (4) et on ajuste le pilotage des sources de courant proportionnellement à la valeur du gain en prenant comme référence le mot numérique de référence 15 correspondant au gain maximal.