EP2389759A1 - Structure d'amplification et chaîne de détection et de mesure comportant une telle structure - Google Patents

Structure d'amplification et chaîne de détection et de mesure comportant une telle structure

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EP2389759A1
EP2389759A1 EP10707938A EP10707938A EP2389759A1 EP 2389759 A1 EP2389759 A1 EP 2389759A1 EP 10707938 A EP10707938 A EP 10707938A EP 10707938 A EP10707938 A EP 10707938A EP 2389759 A1 EP2389759 A1 EP 2389759A1
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EP
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detector
output
input
sensor
amplification
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10707938A
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German (de)
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Inventor
Stylianos Siskos
Thomas Noulis
Laurent Bary
Gérard SARRABAYROUSE
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L'universite De Aristote Thessalonique - Comite De
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Definitions

  • Amplification structure and detection and measurement chain comprising such a structure
  • the present invention relates to an amplification structure for example of charge and a detection and measurement chain comprising such a structure intended in particular for capacitive sensors / detectors.
  • Such a structure is implemented for example in a radiation detector.
  • the radiation detectors produce a current pulse with an integrated charge that is proportional to the energy deposited in the detector by each photon or incident particle.
  • the charge pre-amplifier also known as "CSA” for “Charge Sensitive Amplifier”
  • CSA Charge Sensitive Amplifier
  • the pre-amplification stage generally consists of a structure operating in voltage mode (MOS transistor structure with folded CASCODE or differential pair) or sometimes of a single transistor or even in rare cases of a circuit operating in the same mode. current.
  • US 2003/0001079 discloses a pixel amplifier using an operational amplifier in an integrator configuration that minimizes dark current, pixel-to-pixel variations, and thermal noise.
  • PCT / WO2006 / 072848 describes a pixellated current pre-amplifier based on regulated current mirrors for tomography applications with improved performances in terms of noise (dominated by the noise of the circuit) and bandwidth. .
  • Such a circuit then generates an independence of the noise with the capacity of the detector, but the gain is small and the offset (offset) at the output, high.
  • the object of the invention is therefore to solve these problems.
  • the subject of the invention is an amplification structure intended for reading a signal coming from a capacitive sensor / detector, characterized in that it comprises amplifier circuit means having a first input a low-impedance current X, a second input Y and at least one output Z, in that the first input X, virtual ground, is connected to a terminal of the sensor / detector, the other terminal of the latter being connected to the mass, the second input Y is connected to ground, the at least one output Z is connected to a terminal of an output circuit having a resistor and a parallel output capacitor, the other terminal of this output circuit being connected to ground and in that an output signal is recovered at the terminals of this output circuit, resulting in the noise of the sensor / detector-amplification structure system being independent of the capacitance of the sensor / receiver and the connections between the sensor / detector and the structure.
  • circuit selected from the group comprising: a current conveyor of first, second or third generation,
  • the subject of the invention is also a chain for detecting and measuring physical quantities, characterized in that it comprises such an amplification structure.
  • FIG. 1 represents a block diagram illustrating the amplification structure according to the invention
  • FIG. 2 represents a gain-frequency response curve for such a structure
  • FIG. 3 represents a data table for different resistance and capacitance values
  • FIG. 4 represents a curve illustrating the simulated output noise for different values of the detector's capacitance
  • FIG. 5 illustrates the input experimental signal
  • FIG. 6 illustrates the measured output signal
  • the invention therefore relates to an amplification structure such as the charge preamplifier, in particular for a chain for detecting and measuring a signal coming from a capacitive sensor / detector, in particular but not exclusively radiation, within the scope of the invention.
  • an amplification methodology using a current mode rather than a voltage mode approach is also known in the art.
  • This structure determines a pre-amplifier based on the use for example of a current conveyor CCII whose output electronic noise is no longer dependent on the capacity of the detector and the input connections.
  • this new structure has a wide bandwidth and can be used in a very wide range of capacitive sensor / sensor applications. It is particularly suitable for detection and radiation spectrometry where speed, sensitivity and energy resolution are the most relevant parameters. Semiconductor or gas detectors are also concerned.
  • the pre-amplifier structure according to the invention comprises, as an example, a second generation current conveyor CCII designated by the general reference 1 according to the invention, which can also be designed having a big gain between the exit and the entrance.
  • this current conveyor has a first input X of low impedance, a second input Y and at least one output Z.
  • the first input X is connected to a signal source to be detected and measured, designated by the general reference 2 on this figure, while the second input Y is connected to ground.
  • the output Z of the CCII is connected to a terminal of the output circuit having a resistor Rf and a capacitor Cf in parallel, the other terminal of this output circuit being connected to ground.
  • the output signal Vout is recovered at the terminals of this output circuit.
  • Input Y is high impedance while input X is low impedance and acts as a current input.
  • Output Z is a current output.
  • the gain and the 3 dB frequency are respectively Rf and 1 / (Rf.Cf).
  • This configuration then defines a gain and bandwidth transimpedance amplifier controllable by the external elements Rf and Cf, as illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the capacitance of the Cd detector does not interfere with the definition relation of the transfer function and does not affect so no noise output. This is because the detector is connected to the input X which is a virtual ground since the input Y is connected to ground.
  • the first input X virtual ground
  • the other terminal of the latter being connected to the ground
  • the second input Y being connected to ground
  • the output Z being connected to a terminal of an output circuit having a resistor and an output capacitor in parallel
  • the other terminal of this output circuit being connected to ground and the output signal being recovered at the terminals of this output circuit
  • the simulation results are shown in FIG. 4 as a function of the frequency for several values of the capacitance of the detector Cd and for values of Rf and Cf respectively of 32.8. kOhms and 20 pF. These results show the independence of the noise level vis-à-vis Cd in a frequency range below 100 kHz suitable for the intended applications.
  • the pre-amplifier was made as part of a demonstrator.
  • the input signal corresponds to a load of 875 Me- and 420 ns for 90% Q.
  • the noise measurements were performed and the results are shown in the figure
  • the invention makes it possible to overcome the influence of the capacity of the detector on the electronic noise of the measurement system.
  • the size of the unit sensor can be increased, resulting in increased sensitivity without degradation of the noise level.
  • the amplification circuit may be a circuit selected from the group consisting of:

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  • Amplifiers (AREA)

Abstract

Cette structure d'amplification destinée à la lecture d'un signal issu d'un capteur/détecteur capacitif, est caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens formant circuit d'amplification présentant une première entrée en courant X de basse impédance, une seconde entrée Y et au moins une sortie Z, en ce que la première entrée X, formant masse virtuelle, est raccordée à un terminal du capteur/détecteur, l'autre terminal de ce dernier étant relié à la masse, la seconde entrée Y est raccordée à la masse, ladite au moins une sortie Z est raccordée à un terminal d'un circuit de sortie comportant une résistance (Rf) et un condensateur (Cf) de sortie en parallèle, l'autre terminal de ce circuit de sortie étant relié à la masse et en ce qu'un signal de sortie (Vout) est récupéré aux bornes de ce circuit de sortie, conduisant à ce que le bruit du système capteur/détecteur-structure d'amplification est indépendant de la capacité du capteur/détecteur et de celle des connexions entre le capteur/détecteur et la structure.

Description

Structure d'amplification et chaîne de détection et de mesure comportant une telle structure
La présente invention concerne une structure d'amplification par exemple de charge et une chaîne de détection et de mesure comportant une telle structure destinée notamment à des capteurs/détecteurs capacitifs.
Une telle structure est mise en œuvre par exemple dans un détecteur de radiations.
Les détecteurs de radiations produisent une impulsion de courant avec une charge intégrée qui est proportionnelle à l'énergie déposée dans le détecteur par chaque photon ou particule incident. Le pré-amplificateur de charge (également connu sous l'acronyme anglais « CSA » pour « Charge Sensitive Amplifier ») est utilisé pour convertir cette charge en impulsion de tension qui est ensuite mise en forme, amplifiée et analysée.
Puisque c'est le niveau de bruit qui limite la quantité de charge minimum qui peut être détectée ainsi que la résolution en énergie, il est très important de limiter les sources de bruit. Dans un système de détection, ces sources sont dues à la capacité (bruit en série) et au courant de fuite (bruit en parallèle) du détecteur ainsi qu'au circuit électronique connecté. Dans le cas d'un détecteur de grande surface adapté par exemple à la spectroscopie des rayons X mous dans l'espace ou en physique des particules, le bruit dû à la capacité de ce dernier est la source de bruit la plus importante.
L'étage de pré-amplification est généralement constitué d'une structure fonctionnant en mode tension (structure à transistor MOS à CASCODE repliée ou paire différentielle) ou parfois d'un simple transistor ou encore dans des cas rares d'un circuit fonctionnant en mode courant.
Cependant, dans chacun de ces cas répertoriés, le bruit en sortie augmente avec la capacité du détecteur et des connexions.
En conséquence, ceci interdit un détecteur de grande taille pour obtenir une grande sensibilité avec une résolution élevée ou le déport du détecteur par rapport au circuit de lecture si nécessaire.
En ce qui concerne la taille du détecteur, dont la sensibilité varie comme sa surface, une grande surface est obtenue par pixellisation, en parallélisant des capteurs de plus petite taille, chacun ayant son propre circuit de mesure. Ceci entraîne alors une complexité accrue de la connectique et du packaging ce qui se traduit par une perte de silicium (zone morte).
En ce qui concerne le déport de l'électronique du capteur, il est impossible et une bonne résolution nécessite même l'intégration d'un transistor JFET (selon l'acronyme anglais pour « Junction Field Effect Transistor ») en entrée du préamplificateur directement sur le capteur pour limiter au maximum la capacité due aux connexions (cas des détecteurs de type chambre à dérive).
Des systèmes en mode courant ont été proposés dans l'état de la technique. Par exemple, le document US 2003/0001079 décrit un amplificateur pixel utilisant un amplificateur opérationnel en configuration d'intégrateur qui minimise le courant d'obscurité, les variations pixels à pixels et le bruit thermique.
Le document PCT/WO2006/072848 décrit quant à lui un pré-amplificateur de courant pixellisé basé sur des miroirs de courant régulés pour des applications en tomographie présentant des performances améliorées en termes de bruit (dominé par le bruit du circuit) et de bande passante.
D'autres solutions en mode courant ont également été décrites, mais aucune d'entre elles n'entraîne une indépendance du bruit vis-à-vis de la capacité du détecteur ou des connexions. Ainsi par exemple, une première tentative pour apporter une solution au problème du bruit, basée uniquement sur des simulations, a été décrite et dans ce cas le pré-amplificateur fonctionnant en mode courant utilise un convoyeur de courant de seconde génération CCII. L'intégrateur en mode courant utilise un CCII connecté a une capacité Cf, une résistance Rf et le détecteur connecté à l'entrée Y à haute impédance de ce convoyeur. De ce fait, la capacité Cf est chargée avant l'entrée du signal dans la cellule CCII.
Un tel circuit génère alors une indépendance du bruit à la capacité du détecteur, mais le gain est faible et le décalage (offset) en sortie, élevé.
De plus, des résultats expérimentaux réalisés sur un démonstrateur ont mis en évidence une instabilité du circuit générée par cette configuration la rendant de ce fait inutilisable.
Plusieurs problèmes ont donc été mis en lumière par ces systèmes de l'art antérieur et entre autres un coût élevé qui est lié à la complexité du capteur pixellisé et au nombre important de circuits de lecture, à la surface importante de silicium inactif imposée par les limites lithographiques, aux isolations latérales interpixels, au phénomène d'interférence (également connu sous le nom de « CROSS-TALK » en anglais) réduisant la sensibilité, à la complexité de la connectique et du packaging, etc ...
Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes.
A cet effet, l'invention a pour objet une structure d'amplification destinée à la lecture d'un signal issu d'un capteur/détecteur capacitif, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens formant circuit d'amplification présentant une première entrée en courant X de basse impédance, une seconde entrée Y et au moins une sortie Z, en ce que la première entrée X, formant masse virtuelle, est raccordée à un terminal du capteur/détecteur, l'autre terminal de ce dernier étant relié à la masse, la seconde entrée Y est raccordée à la masse, ladite au moins une sortie Z est raccordée à un terminal d'un circuit de sortie comportant une résistance et un condensateur de sortie en parallèle, l'autre terminal de ce circuit de sortie étant relié à la masse et en ce qu'un signal de sortie est récupéré aux bornes de ce circuit de sortie, conduisant à ce que le bruit du système capteur/détecteur-structure d'amplification est indépendant de la capacité du capteur/détecteur et de celle des connexions entre le capteur/détecteur et la structure.
Selon d'autres caractéristiques de cette structure d'amplification :
- elle est définie par les relations suivantes : lz = Klx, avec IKI > à 1 et Vx = Vγ, IZ et Ix étant respectivement les intensités des courants de la sortie Z et de l'entrée X et Vx, Vγ étant respectivement les tensions aux bornes d'entrée X et Y, - elle est à base de technologie CMOS,
- elle est à base de technologie bipolaire,
- elle est à base de technologie BICMOS,
- elle est à base de dispositifs discrets,
- elle comporte un circuit choisi dans le groupe comprenant : - un convoyeur de courant de première, deuxième ou troisième génération,
- un convoyeur flottant opérationnel,
- un amplificateur flottant opérationnel, - A -
- un convoyeur de courant composite,
- un amplificateur d'instrumentation en mode courant,
- un amplificateur de courant, ou
- un amplificateur opérationnel à contre-réaction en courant. Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet une chaîne de détection et de mesure de quantités physiques, caractérisée en ce qu'elle comporte une telle structure d'amplification.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple en utilisant un convoyeur de courant de seconde génération CCII et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure d'amplification selon l'invention,
- la figure 2 représente une courbe de réponse gain-fréquence pour une telle structure, - la figure 3 représente un tableau de données pour différentes valeurs de résistance et de capacité,
- la figure 4 représente une courbe illustrant le bruit en sortie simulé pour différentes valeurs de la capacité du détecteur
- la figure 5 illustre le signal expérimental d'entrée, - la figure 6 illustre le signal de sortie mesuré, et
- la figure 7 représente le bruit en sortie mesuré en fonction de la fréquence.
L'invention concerne donc une structure d'amplification telle que le préamplificateur de charge, notamment pour une chaîne de détection et de mesure d'un signal issu d'un capteur/détecteur capacitif, notamment mais pas exclusivement de rayonnement, dans le cadre d'une méthodologie d'amplification utilisant une approche en mode courant plutôt qu'en mode tension.
Cette structure détermine alors un pré-amplificateur basé sur l'utilisation par exemple d'un convoyeur de courant CCII dont le bruit électronique en sortie n'est plus dépendant de la capacité du détecteur et des connexions en entrée.
Par ailleurs, cette nouvelle structure présente une bande passante large et peut être utilisée dans une gamme très vaste d'applications de capteurs/détecteurs capacitifs. Elle est particulièrement adaptée pour la détection et la spectrométrie des radiations où la vitesse, la sensibilité et la résolution en énergie, sont les paramètres les plus pertinents. Les détecteurs à semiconducteur ou à gaz sont également concernés.
Ainsi et comme cela est illustré sur la figure 1 , la structure de pré- amplificateur selon l'invention comporte comme exemple un convoyeur de courant de seconde génération CCII désigné par la référence générale 1 selon l'invention, qui peut aussi être conçu en ayant un gain important entre la sortie et l'entrée.
Ainsi, ce convoyeur de courant présente une première entrée X de basse impédance, une seconde entrée Y et au moins une sortie Z. La première entrée X est raccordée à une source de signal à détecter et à mesurer, désignée par la référence générale 2 sur cette figure, tandis que la seconde entrée Y est raccordée à la masse.
La sortie Z du CCII est raccordée à un terminal du circuit de sortie comportant une résistance Rf et un condensateur Cf en parallèle, l'autre terminal de ce circuit de sortie étant raccordé à la masse. Le signal de sortie Vout est récupéré aux bornes de ce circuit de sortie.
Le convoyeur du courant est alors défini par les relations lz = Klx avec K > 1 et Vx = Vγ , où lz et Ix sont respectivement les intensités des courants de la sortie Z et de l'entrée X et Vx, Vγ sont respectivement les tensions aux bornes d'entrée X et Y.
L'entrée Y est à haute impédance alors que l'entrée X est à faible impédance et agit comme entrée en courant. La sortie Z est une sortie en courant.
Dans la configuration de la figure 1 , la fonction de transfert est égale à : H(s)= Vout/lin = Rf/(Rf.Cf.s+1 ) où la résistance Rf et la capacité Cf en sortie sont représentées.
En conséquence, le gain et la fréquence à 3 dB sont respectivement Rf et 1/(Rf.Cf). Cette configuration définit alors un amplificateur transimpédance de gain et de bande passante contrôlables par les éléments extérieurs Rf et Cf, comme cela est illustré sur les figures 2 et 3.
De plus, la propriété la plus importante est que la capacité du détecteur Cd n'intervient pas dans la relation de définition de la fonction de transfert et n'affecte donc pas le bruit en sortie. Ceci est dû au fait que le détecteur est connecté à l'entrée X qui est une masse virtuelle puisque l'entrée Y est connectée à la masse.
En effet, la première entrée X, formant masse virtuelle, étant raccordée à un terminal du capteur/détecteur, l'autre terminal de ce dernier étant relié à la masse, la seconde entrée Y étant raccordée à la masse, et la sortie Z étant raccordée à un terminal d'un circuit de sortie comportant une résistance et un condensateur de sortie en parallèle, l'autre terminal de ce circuit de sortie étant relié à la masse et le signal de sortie étant récupéré aux bornes de ce circuit de sortie, cette structure conduit à ce que le bruit du système capteur/détecteur- structure d'amplification est indépendant de la capacité du capteur/détecteur et de celle des connexions entre le capteur/détecteur et la structure.
Des simulations ont été réalisées et par exemple un tel pré-amplificateur a été simulé dans le cadre de la technologie 0,35 μm (3,3V/5V, 2P/3M), de la société AMS Austria Mikro Systems. Le CCII a été implémenté dans la technologie CMOS et son entrée est en configuration miroir de courant et non en paire différentielle.
Le gain simulé en fonction de la fréquence du signal d'entrée est alors représenté sur la figure 2 pour une capacité Cf de 20 pF et pour plusieurs valeurs de résistance Rf. Les valeurs numériques correspondant aux calculs et aux simulations sont données sur la figure 3.
Ces résultats confirment que le gain et la bande passante peuvent être contrôlés en choisissant correctement les éléments de contre-réaction Cf et Rf et valident l'analyse effectuée. De plus il apparaît sur cette figure que le gain peut être élevé.
En ce qui concerne les propriétés en bruit de la topologie proposée, les résultats de simulation sont représentés sur la figure 4 en fonction de la fréquence pour plusieurs valeurs de la capacité du détecteur Cd et pour des valeurs de Rf et Cf respectivement de 32,8 kOhms et 20 pF. Ces résultats montrent l'indépendance du niveau de bruit vis-à-vis de Cd dans une gamme de fréquence inférieure à 100 kHz adaptée aux applications envisagées.
Le pré-amplificateur a été réalisé dans le cadre d'un démonstrateur. A titre d'exemple sur les figures 5 et 6, les signaux d'entrée et de sortie sont illustrés dans le cas Rf = 1 kOhm, Cf = 20 pF et Cd = 2 pF.
Le signal d'entrée correspond à une charge de 875 Me- et 420 ns pour 90 % Q. Les mesures en bruit ont été effectuées et les résultats figurent sur la figure
7, pour plusieurs valeurs de la capacité de détecteur Cd. Ces résultats confirment l'indépendance du niveau de bruit vis-à-vis de la capacité validant ainsi l'analyse et la configuration proposée.
Ainsi l'invention permet de s'affranchir de l'influence de la capacité du détecteur sur le bruit électronique de la chaîne de mesure. De ce fait,
- La taille du capteur unitaire peut être augmentée, ce qui entraîne une sensibilité accrue sans dégradation du niveau de bruit.
- Cela permet d'utiliser une électronique déportée du capteur lorsque ceci est avantageux. - La technologie du capteur est simplifiée et son coût réduit.
Le circuit d'amplification peut être un circuit choisi dans le groupe comprenant :
- un convoyeur de courant de première, deuxième ou troisième génération,
- un convoyeur flottant opérationnel, - un amplificateur flottant opérationnel,
- un convoyeur de courant composite,
- un amplificateur d'instrumentation en mode courant,
- un amplificateur de courant, ou
- un amplificateur opérationnel à contre-réaction en courant. Tout autre circuit présentant les caractéristiques mentionnées peut être envisagé.
Bien entendu, d'autres technologies et d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Structure d'amplification destinée à la lecture d'un signal issu d'un capteur/détecteur capacitif, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens formant circuit d'amplification présentant une première entrée en courant X de basse impédance, une seconde entrée Y et au moins une sortie Z, en ce que la première entrée X, formant masse virtuelle, est raccordée à un terminal du capteur/détecteur, l'autre terminal de ce dernier étant relié à la masse, la seconde entrée Y est raccordée à la masse, ladite au moins une sortie Z est raccordée à un terminal d'un circuit de sortie comportant une résistance (Rf) et un condensateur (Cf) de sortie en parallèle, l'autre terminal de ce circuit de sortie étant relié à la masse et en ce qu'un signal de sortie (Vout) est récupéré aux bornes de ce circuit de sortie, conduisant à ce que le bruit du système capteur/détecteur-structure d'amplification est indépendant de la capacité du capteur/détecteur et de celle des connexions entre le capteur/détecteur et la structure.
2.- Structure d'amplification selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle est définie par les relations suivantes : Iz = Klx, avec IKI > à 1 et Vx = Vγ, lz et Ix étant respectivement les intensités des courants de la sortie Z et de l'entrée X et Vx, Vγ étant respectivement les tensions aux bornes d'entrée X et Y.
3.- Structure d'amplification selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est à base de technologie CMOS.
4.- Structure d'amplification selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est à base de technologie bipolaire.
5.- Structure d'amplification selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est à base de technologie BICMOS.
6.- Structure d'amplification selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est à base de dispositifs discrets.
7.- Structure d'amplification selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit choisi dans le groupe comprenant :
- un convoyeur de courant de première, deuxième ou troisième génération,
- un convoyeur flottant opérationnel,
- un amplificateur flottant opérationnel, - un convoyeur de courant composite,
- un amplificateur d'instrumentation en mode courant,
- un amplificateur de courant, ou
- un amplificateur opérationnel à contre-réaction en courant.
8.- Chaîne de détection et de mesure de quantités physiques, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure d'amplification selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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