FR2706701A1 - Dispositif d'isolation galvanique à optocoupleur, et modem l'incorporant. - Google Patents

Abstract

Un dispositif d'isolation galvanique, notamment pour modem d'ordinateur, comprend un optocoupleur (1) composé d'une diode électro-luminescente (11) et d'un phototransistor (12), un premier étage de pilotage de la diode électro-luminescente (11), et un deuxième étage de sortie de signaux. Il est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (GCC) de polarisation du phototransistor (12) pour le faire fonctionner en régime saturé, et en ce que l'étage de sortie comprend un circuit amplificateur à gain fixe (3, 4) recevant le courant de collecteur dudit phototransistor.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'isolation galvanique pour modem, du type comportant un optocoupleur, particulièrement adapté à assurer une isolation galvanique entre un modem d'un micro-ordinateur portable et une ligne téléphonique.

Il est bien connu que, dans le cas où des appareils alimentés en courant par la tension du secteur sont destinés à être connectés au réseau téléphonique, les règlements des Postes et Télécommunications imposent entre l'appareil et le réseau téléphonique une isolation galvanique, résistant par exemple à une tension à 2500 volts, afin de ne pas endommager les lignes téléphoniques dans le cas où une tension élevée, due à un défaut de l'appareil, à un orage, etc... apparaît dans les circuits de l'appareil.

Classiquement, dans le cas d'un modem ou d'une carte modem associée à un ordinateur de bureau ou portable, l'isolation galvanique entre le modem et la ligne téléphonique est réalisée au moyen d'un transformateur. Un tel composant a l'avantage de ne pas consommer de courant et de présenter des caractéristiques de transfert qui varient peu dans le temps. Cependant, les transformateurs utilisés, pour conserver une bonne linéarité, sont nécessairement encombrants et lourds, ce qui pose des problèmes de logeabilité pour l'incorporation du modem dans l'ordinateur, en particulier dans un ordinateur personnel compact ou portable. Le poids d'un ordinateur en est également sensiblement accru. De plus, de part leur structure inductive, les transformateurs sont très sensibles au parasites à hautes fréquences.

Certains constructeurs ont déjà tenté de pallier ces inconvénients en réalisant une isolation galvanique entre le réseau téléphonique et le modem au moyen d'optocoupleurs.

Cependant, l'utilisation d'un optocoupleur pose techniquement certaines difficultés. Tout d'abord, la caractéristique de transfert d'un optocoupleur peut varier largement dans le temps par un phénomène de vieillissement, notamment de sa diode électroluminescente. D'autre part, dans une même série d'optocoupleurs, la valeur du gain en courant du phototransistor varie largement d'un optocoupleur à l'autre, comme d'une façon générale dans tous les transistors. Typiquement, ce gain peut varier entre 100 et 400.

Du fait de ces dispersions, la valeur de la tension analogique appliquée à la ligne téléphonique varie donc également dans des proportions importantes, ce qui est inacceptable vis-à-vis des règlements PTT.

Une solution connue à cet inconvénient lié à la dispersion des caractéristiques de transfert des optocoupleurs peut consister à associer à chaque optocoupleur un étage d'amplification à gain réglable, et à ajuster le gain de cet étage au cas par cas pour compenser les variations de réponse de l'optocoupleur. Cependant, cette solution n'est pas compatible avec les impératifs de fabrication en grande série, car un ajustement individuel de chaque modem ou carte modem est nécessaire.

Une autre solution pourrait consister à combiner un optocoupleur avec un circuit de commande automatique de gain (CAG), largement utilisé dans les récepteurs radioélectriques, notamment dans les récepteurs à modulation d'amplitude et à modulation de fréquence. Ce circuit permettrait, en modifiant la polarisation de la diode électroluminescente de l'optocoupleur, de donner à l'ensemble du circuit un gain constant.

Une telle solution serait cependant très délicate à mettre en oeuvre car, pour préserver l'isolation galvanique, la tension de CAG à appliquer au circuit de pilotage de la diode électroluminescente devrait s'effectuer par un autre optocoupleur, par exemple du type à photodiode, ce qui affecterait l'efficacité du CAG et rendrait le circuit plus onéreux. Par ailleurs, une réaction effectuée non pas au niveau de la diode électroluminescente, mais dans l'émetteur du phototransistor, serait à même de réduire la dispersion de gain du circuit d'un optocoupleur à l'autre, mais pas suffisamment pour l'application pratique considérée.

En outre, dans le cas d'un phototransistor dont le gain en courant serait extrêmement faible, on risquerait par un courant photonique excessif d'amener le phototransistor dans son régime de saturation, et provoquer ainsi des distortions inacceptables dans le signal de sortie. En effet, le domaine de linéarité d'un phototransistor d'optocoupleur est classiquement extrêmement étroit.

Par ailleurs, un tel circuit devrait faire l'objet d'adaptations ou de réglages fastidieux dans le cas où l'on souhaiterait utiliser un optocoupleur de modèle différent.

La présente invention vise à pallier ces inconvénients, en proposant un dispositif d'isolation galvanique à optocoupleur dans lequel on puisse d'affranchir d'une manière simple et économique des dispersions de gain en courant du phototransistor.

Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif d'isolation galvanique pouvant fonctionner sans adaptation avec différents modèles d'optocoupleurs.

A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif d'isolation galvanique, notamment pour modem d'ordinateur, du type comportant un optocoupleur composé d'une diode électro-luminescente et d'un phototransistor, comprenant un premier étage de pilotage de la diode électro-luminescente, et un deuxième étage de sortie de signaux, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de polarisation du phototransistor pour le faire fonctionner en régime saturé, et en ce que l'étage de sortie comprend un circuit amplificateur à gain fixe recevant le courant de collecteur dudit phototransistor.

De préférence, les moyens de polarisation comprennent des moyens pour appliquer à la base du phototransistor un courant de polarisation fixe se superposant au courant d'origine photonique.

L'étage de sortie comprend avantageusement un amplificateur différentiel à paire de transistors bipolaires, avec le collecteur du phototransistor relié aux émetteùrs des deux transistors bipolaires, les bases et les collecteurs des deux transistors bipolaires reliés à une source de tension continue constante via des résistances, et la base de l'un des transistors bipolaires reliée à une tension de référence via un condensateur.

les transistors bipolaires sont préférentiellement placés dans un même boîtier, pour éviter les dérives dues aux variations de température. En outre, pour réaliser un dispositif d'isolation galvanique intégré à gain constant, on peut très avantageusement placer la diode électroluminescente, le phototransistor et les deux transistors bipolaires dans un même boîtier.

L'invention concerne également un modem notamment pour ordinateur portable, équipé d'une paire de dispositifs d'isolation galvanique tels que définis ci-dessus, ainsi qu'un ordinateur portable équipé d'un tel modem.

D'autres caractéristiques, buts et avantages ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et sans caractère limitatif, en regard du dessin annexé représentant un schéma d'un dispositif d'isolation galvanique à optocoupleur selon l'invention.

Le dispositif représenté sur le dessin annexé est un dispositif d'isolation galvanique de préférence pour un modem destiné à être incorporé à un micro-ordinateur portable, pour assurer une protection du réseau téléphonique vis-à-vis des tensions élevées pouvant accidentellement apparaître dans les circuits de l'ordinateur, conformément à un certain nombre de règlements PTT.

L'isolation est réalisée au moyen d'un optocoupleur 1, comprenant classiquement une diode électro-luminescente (DEL) 11 et un phototransistor 12, couplés optiquement dans un même boîtier. Ce dispositif comprend un premier étage de pilotage de la DEL 11 de l'optocoupleur 1, comportant un amplificateur opérationnel 2, agencé pour superposer à une tension analogique à transmettre à travers le dispostiif d'isolation galvanique, produite par un générateur G, une tension de polarisation de la DEL 11. Cet amplificateur opérationnel 2 est relié par sa borne d'entrée positive à un pont diviseur de tension, composé de deux résistances R1 et R2, par l'intermédiaire d'une troisième résistance R3.

Ce pont diviseur fixe la tension de polarisation. Le pont diviseur de tension est relié par la résistance R1 à une source de tension continue constante VCC, et par la résistance R2, à la masse. La borne négative de l'amplificateur opérationnel 2 est reliée par une résistance R4 à une borne de sortie du générateur G. Elle est également connectée à la sortie de cet amplificateur opérationnel par une résistance R5. Cette sortie délivre un courant qui traverse une résistance R6, et qui excite la
DEL 11.

En outre, ce dispositif comprend un deuxième étage de sortie de signaux comprenant un ensemble de deux transistors bipolaires 3, 4 de type NPN montés en amplificateurs différentiel. Les émetteurs E3, E4 de ces deux transistors 3, 4 sont réunis et reliés au collecteur du phototransistor 12. La base B3 et le collecteur C3 du transistor 3 sont reliés à une autre source de tension continue fixe VBB, respectivement par l'intermédiaire de résistances -Rbl et Rcî. De même, la base B4 et le collecteur C4 du deuxième transistor 4 sont reliés à deux résistances, respectivement Rb2 et Rc2, qui sont reliées à la tension VBB. De plus, la base du transistor 4 est connectée à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur
C. La tension de sortie du dispositif, notée V4-V3, est prélevée entre les deux collecteurs C3 et C4 des deux transistors 3 et 4.

Par ailleurs, l'émetteur du phototransistor 12 et la cathode de la DEL 11 sont reliés à la masse.

Le dispositif comporte en outre un générateur de courant continu GCC destiné à appliquer à la base du phototransistor 12 un courant qui l'amène dans son régime de saturation. Ce courant se superpose dans le phototransistor au courant d'origine photonique causé par la DEL 11.

De plus, comme cela est illustré en tiretés, les transistors 3 et 4 sont de préférence placés dans un même boîtier, afin qu'ils soient portés à la même température.

Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel 2 excite la diode électro-luminescente 11 qui transforme ce signal en rayonnement lumineux. Ce rayonnement éclaire la jonction base-collecteur du phototransistor 12, et est à l'origine d'un courant photonique correspondant. Le générateur de courant constant relié à la base du phototransistor 12 lui délivre un courant choisi en fonction du type d'optocoupleur utilisé, et par exemple de l'ordre de quelques dizaines de milliampères, qui s'ajoute à la faible polarisation du courant photonique (typiquement 1 à 2 mA) pour faire fonctionner le phototransistor en régime saturé.

On observera ici que les caractéristiques des phototransistors en régime saturé varient peu d'un modèle d'optocoupleur à l'autre. Ce régime de fonctionnement permet ainsi de choisir l'optocoupleur assez librement parmi différents types de composants. En outre, la diode électroluminescente 11 n'étant pas saturée, la saturation du phototransistor limite les distorsions à une valeur typiquement inférieure à 0,5%.

Compte-tenu du fait que le phototransistor fonctionneen régime saturé, son gain en courant est voisin de zéro, et les variations du courant de collecteur du phototransistor reproduisent donc avec un gain unitaire les variations du courant de base du phototransistor, correspondant au signal analogique à transmettre.

L'amplificateur différentiel construit autour des transistors 3 et 4 a pour objet, à partir du courant de collecteur du phototransistor 12, d'établir:
- sur le collecteur du transistor 3, une tension continue fixe à laquelle se superpose une tension analogique suivant les variations dudit courant de collecteur, et
- sur le collecteur du transistor 4, seule ladite tension continue fixe, du fait de la présence de la capacité C entre la base du transistor 4 et la masse.

La différence entre les potentiels de collecteurs V3 et V4 restitue donc un signal purement analogique correspondant au signal analogique émis par le générateur
G, avec un gain constant, de l'ordre de celui de l'amplificateur différentiel (au vieillissement de la DEL près).

Dans le cas où ce gain s'avèrerait insuffisant, ce qui est possible du fait que l'amplificateur différentiel fonctionne de façon optimale dans des gammes de gains assez faibles, on peut bien entendu prévoir en aval de celui-ci un autre étage amplificateur de gain approprié.

On notera ici que le circuit tel que décrit ci-dessus a une faible consommation en courant, et peut être alimenté sous une tension VBB relativement faible, de l'ordre de quelques volts.

Par ailleurs, les transistors 3 et 4 étant placés dans le même boîtier et exposés à la même température, la tension de sortie est par conséquent indépendante des dérives d'origine thermique.

En vue de faciliter l'industrialisation d'un dispositif d'isolation galvanique à gain constant tel que décrit ci-dessus, on peut également prévoir de placer au moins la DEL 11, le phototransistor 12 et les deux transistors bipolaires 3, 4, ou tous autres composants semiconducteurs équivalents (ainsi que le cas échéant l'amplificateur -2), dans un boîtier commun.

Un modem est avantageusement muni de deux dispositifs d'isolation galvanique tels que décrits ci-dessus, disposés en parallèle et en sens inverse, de manière à assurer à la fois l'émission et la réception de données modulées sur la ligne téléphonique.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée, et différentes modifications sont à la portée de l'homme du métier.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'isolation galvanique, notamment pour modem d'ordinateur, du type comportant un optocoupleur (1) composé d'une diode électro-luminescente (11) et d'un phototransistor (12), comprenant un premier étage de pilotage de la diode électro-luminescente (11), et un deuxième étage de sortie de signaux, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (GCC) de polarisation du phototransistor (12) pour le faire fonctionner en régime saturé, et en ce que l'étage de sortie comprend un circuit amplificateur à gain fixe (3, 4) recevant le courant de collecteur dudit phototransistor.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation comprennent des moyens (GCC) pour appliquer à la base du phototransistor (12) un courant de polarisation fixe se superposant au courant d'origine photonique.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étage de sortie comprend un amplificateur différentiel à paire de transistors bipolaires (3, 4).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que

- le collecteur du phototransistor est relié aux émetteurs (E3, E4) des deux transistors bipolaires,

- les bases (B3, B4) et les collecteurs (C3, C4) des deux transistors bipolaires sont reliées à une source de tension continue constante (VBB) via des résistances (Rbl;

Rb2, Rcl, Rc2), et

- la base (B4) de l'un des transistors bipolaires est reliée à une tension de référence via un condensateur (C).

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les transistors bipolaires (3, 4) sont placés dans un même boîtier.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la diode électroluminescente (11), le phototransistor (12) et les deux transistors bipolaires (3, 4) sont placés dans un même boîtier.

7. Modem notamment pour ordinateur portable, caractérisé en ce qu'il est équipé d'une paire de dispositifs d'isolation galvanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.

8. Ordinateur portable, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un modem selon la revendication 7.