FR2774235A1 - Charge coupled amplifier for spectrophotometer photodiode signals - Google Patents

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Abstract

Photodiodes (1) in a linear array are sequentially switched to the inverting input of the change coupled amplifier (11). The charge capacitor (Cf) is discharged (If) between each measurement to reset the amplifier for the charge from the next photodiode. A balancing circuit with C'f equal to Cf and Cp equal to a typical photodiode capacitance are connected to the non-inverting output and C'f is discharged (I'f) at the same time as Cf.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'amplification d'un signal de faible intensité, tel que celui produit par un ensemble photodiodes identiques, disposé en ligne ou en matrice, ou même un circuit de détection du courant de ionisation d'une flamme.The present invention relates to a device for amplifying a low intensity signal, such as that produced by a set of identical photodiodes, arranged in line or in a matrix, or even a circuit for detecting the ionization current of a flame.

Elle s'applique notamment, mais non exclusivement aux spectrophotomètres de flamme dans lesquels la flamme est analysée par une barrette photodiodes.It applies in particular, but not exclusively to flame spectrophotometers in which the flame is analyzed by a photodiodes array.

Chaque photodiode d'une telle barrette se comporte comme un condensateur qui accumule une charge électrique lorsqu'elle est exposée à un rayonnement photonique. Pour déterminer l'intensité photonique reçue par chaque photodiode de la barrette, il suffit donc de mesurer la charge qu'elle a emmagasinée. A cet effet, les dispositifs connus comprennent un dispositif de commande qui transfère successivement et périodiquement les charges des photodiodes de la barrette à un circuit amplificateur de type à transfert de charge qui produit un signal dont la tension est déterminée par la charge reçue.Each photodiode of such an array behaves like a capacitor which accumulates an electric charge when it is exposed to photonic radiation. To determine the photonic intensity received by each photodiode in the strip, it suffices to measure the charge it has stored. To this end, the known devices include a control device which successively and periodically transfers the charges of the photodiodes of the strip to a charge transfer type amplifier circuit which produces a signal whose voltage is determined by the charge received.

Un tel circuit amplificateur comprend par exemple un amplificateur opérationnel de type FET ("Field Effect Transistor"), comportant une entrée directe et une entrée inverseuse, et un condensateur monté en parallèle entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur, l'autre entrée de l'amplificateur étant reliée à la masse, les charges des photodiodes étant déchargées successivement dans le condensateur.Such an amplifier circuit comprises for example an operational amplifier of the FET (Field Effect Transistor) type, comprising a direct input and an inverting input, and a capacitor mounted in parallel between the inverting input and the output of the amplifier, l the other input of the amplifier being connected to ground, the charges of the photodiodes being discharged successively in the capacitor.

Entre chaque phase de transfert d'une charge de photodiode, le circuit d'amplification doit être réinitialisé pour mesurer d'une manière indépendante la charge de chaque photodiode. Ceci revient à décharger le condensateur du circuit amplificateur qui est à cet effet monté en parallèle avec un interrupteur.Between each phase of transferring a photodiode charge, the amplification circuit must be reset to measure the charge of each photodiode independently. This amounts to discharging the capacitor from the amplifier circuit which is for this purpose mounted in parallel with a switch.

Pendant une période de lecture de durée T de l'ensemble des n photodiodes d'une barrette de photodiodes, chaque photodiode se décharge pendant un temps
T/n - X et se recharge pendant le reste de la période T, X correspondant au temps de décharge du condensateur du circuit amplificateur.During a reading period of duration T of all of the n photodiodes of a photodiode array, each photodiode discharges for a time
T / n - X and recharges during the rest of the period T, X corresponding to the discharge time of the capacitor of the amplifier circuit.

Un tel dispositif doit donc effectuer de nombreuses commutations, tant au niveau des photodiodes qu'au niveau de l'amplificateur. Il en résulte un niveau de bruit et des décalages en tension (offset) relativement importants qui s'ajoutent au bruit de fond inhérent à chaque transfert de charge, à l'amplification et aux capacités parasites entre le circuit lui-même et le dispositif de commande des commutations. Le signal produit en sortie du circuit amplificateur présente donc un niveau de bruit important qui affecte considérablement la précision des mesures d'intensité photonique effectuées par la barrette de photodiode, et ce d'autant plus que les charges accumulées par les photodiodes sont très faibles.Such a device must therefore carry out numerous switching operations, both at the photodiodes and at the amplifier level. This results in a relatively large noise level and voltage offsets (offset) which are added to the background noise inherent in each charge transfer, the amplification and the parasitic capacitances between the circuit itself and the device. switching control. The signal produced at the output of the amplifier circuit therefore has a high level of noise which considerably affects the precision of the photonic intensity measurements carried out by the photodiode strip, and this all the more so since the charges accumulated by the photodiodes are very low.

Les calculs théoriques montrent que les échantillonneurs et les filtres qui suivent cet amplificateur limitent la bande passante utile. Le niveau de bruit de l'amplification devrait être négligeable devant celui des photodiodes. En pratique, le schéma classique ne permet pas d'atteindre ce résultat.Theoretical calculations show that the samplers and filters that follow this amplifier limit the useful bandwidth. The noise level of the amplification should be negligible compared to that of the photodiodes. In practice, the classic scheme does not achieve this result.

La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle se base sur la constatation que, dans un dispositif comprenant un circuit d'amplification à transfert de charge comportant un amplificateur à deux entrées dont une première entrée est connectée à un premier circuit incluant l'ensemble des photodiodes de la barrette, le bruit engendré au niveau du circuit amplificateur est plus important que celui produit par les photodiodes.The present invention aims to eliminate these drawbacks. To this end, it is based on the observation that, in a device comprising a charge transfer amplification circuit comprising an amplifier with two inputs, a first input of which is connected to a first circuit including all of the photodiodes of the strip , the noise generated at the amplifier circuit is greater than that produced by the photodiodes.

Selon l'invention, la seconde entrée de l'amplificateur est connectée à un second circuit d'équilibrage, symétrique du premier circuit, comprenant un second condensateur qui est chargé et déchargé de manière synchrone avec le premier condensateur, de manière à obtenir une compensation du niveau de bruit entre les entrées de l'amplificateur.According to the invention, the second input of the amplifier is connected to a second balancing circuit, symmetrical to the first circuit, comprising a second capacitor which is charged and discharged synchronously with the first capacitor, so as to obtain compensation the noise level between the amplifier inputs.

L'invention permet ainsi d'obtenir une annulation des bruits corrélés des entrées de l'amplificateur et des décalages de commutation. Cette solution très simple permet d'atteindre une réduction du niveau de bruit en sortie de l'amplificateur d'un rapport de 3 à 4.The invention thus makes it possible to obtain a cancellation of the correlated noises of the inputs of the amplifier and of the switching offsets. This very simple solution achieves a reduction in the noise level at the amplifier output by a ratio of 3 to 4.

Ce résultat peut encore être amélioré en refroidissant l'amplificateur.This result can be further improved by cooling the amplifier.

Selon une particularité de l'invention le second circuit comprend un condensateur et un interrupteur reliant l'entrée inverseuse de l'amplificateur à la masse, et dont la capacité est équivalente à celle d'une photodiode de la barrette.According to a feature of the invention, the second circuit comprises a capacitor and a switch connecting the inverting input of the amplifier to ground, and whose capacity is equivalent to that of a photodiode of the strip.

Alternativement, ce condensateur est remplacé par une autre barrette de photodiodes, identique et masquée de manière à ne pas recevoir de rayonnement photonique.Alternatively, this capacitor is replaced by another strip of photodiodes, identical and masked so as not to receive photonic radiation.

Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels
La figure 1 représente un dispositif selon l'art antérieur;
La figure 2 représente le dispositif de la figure 1, modifié selon
l'invention;
La figure 3 montre une variante du dispositif selon l'invention.An embodiment of the device according to the invention will be described below, by way of nonlimiting example, with reference to the accompanying drawings in which
Figure 1 shows a device according to the prior art;
Figure 2 shows the device of Figure 1, modified according to
the invention;
Figure 3 shows a variant of the device according to the invention.

La figure 1 montre une barrette 1 de photodiodes Pl, P2, ... Pn montées en parallèle, la borne positive des photodiodes étant reliée à la masse, tandis que leur borne négative est connectée à un interrupteur Il, I2, ... In respectif. L'autre borne des interrupteurs Il à In est reliée à une borne de sortie de la barrette 1. Le signal en sortie de la barrette 1 est amplifié par un circuit d'amplification comprenant un amplificateur 11, par exemple de type amplificateur opérationnel à double entrée, un condensateur CF connecté entre une première entrée de l'amplificateur 11 et la sortie S de celui-ci, et un interrupteur IF monté en parallèle avec le condensateur CF. La seconde entrée de l'amplificateur 1 1 est reliée à la masse. Figure 1 shows a strip 1 of photodiodes Pl, P2, ... Pn mounted in parallel, the positive terminal of the photodiodes being connected to ground, while their negative terminal is connected to a switch Il, I2, ... In respective. The other terminal of the switches II to In is connected to an output terminal of the bar 1. The signal at the output of the bar 1 is amplified by an amplification circuit comprising an amplifier 11, for example of the double operational amplifier type. input, a capacitor CF connected between a first input of the amplifier 11 and the output S thereof, and a switch IF mounted in parallel with the capacitor CF. The second input of amplifier 1 1 is connected to ground.

Chaque photodiode Pi à Pn se comporte comme une source de courant montée en parallèle avec un condensateur ayant une capacité de l'ordre de 2 à 20 pF. Le condensateur CF présente une capacité du même ordre de grandeur.Each photodiode Pi to Pn behaves like a current source mounted in parallel with a capacitor having a capacity of the order of 2 to 20 pF. The CF capacitor has a capacity of the same order of magnitude.

Le circuit montré sur la figure l comprend par ailleurs un circuit de commande 2 conçu pour fermer et ouvrir successivement et périodiquement les interrupteurs Il à In de la barrette l, en synchronisme avec l'interrupteur IF.The circuit shown in FIG. 1 also includes a control circuit 2 designed to close and open successively and periodically the switches II to In of the bar l, in synchronism with the switch IF.

Ainsi, au cours d'une période de durée T, chaque interrupteur Ik est fermé successivement pendant une durée T/n - T, n étant le nombre de photodiodes de la barrette et T la durée de décharge du condensateur CF. Un seul interrupteur Ik est fermé à un instant donné, de manière à établir la liaison entre une seule photodiode Pk correspondante et le circuit d'amplification.Thus, during a period of duration T, each switch Ik is closed successively for a duration T / n - T, n being the number of photodiodes of the strip and T the duration of discharge of the capacitor CF. A single switch Ik is closed at a given instant, so as to establish the connection between a single corresponding photodiode Pk and the amplification circuit.

Lorsque cette liaison est établie, la charge accumulée par la photodiode Pk pendant le reste de la période T est transférée pendant le temps T/n - X dans le condensateur CF. L'amplificateur 11 produit alors une tension de sortie proportionnelle à la charge du condensateur CF. A la fin de la période T/n - x, l'interrupteur Ik correspondant à la photodiode Pk qui vient d'être lue s'ouvre, et l'interrupteur IF se ferme pendant le temps X pour décharger le condensateur CF, puis s'ouvre lorsque le condensateur est complètement déchargé. Simultanément, l'interrupteur Ik+l de la barrette l qui suit l'interrupteur Ik est fermé pour effectuer la lecture de la photodiode Pk+l suivante.When this connection is established, the charge accumulated by the photodiode Pk during the rest of the period T is transferred during the time T / n - X in the capacitor CF. The amplifier 11 then produces an output voltage proportional to the charge of the capacitor CF. At the end of the period T / n - x, the switch Ik corresponding to the photodiode Pk which has just been read opens, and the switch IF closes during time X to discharge the capacitor CF, then s opens when the capacitor is completely discharged. Simultaneously, the switch Ik + l of the strip l which follows the switch Ik is closed in order to read the next photodiode Pk + l.

Il s'avère que dans cette solution, le signal en sortie S de l'amplificateur il présente un niveau de bruit important, de l'ordre de 2 10''5 Coulombs par lecture de photodiode, relativement à la dynamique du signal produit en sortie S. Ce problème est atténué selon l'invention en connectant la seconde entrée de l'amplificateur 11 à un circuit symétrique de celui relié à la première entrée, comme cela est montré sur la figure 2.It turns out that in this solution, the signal at output S of the amplifier it presents a significant noise level, of the order of 2 10''5 Coulombs per photodiode reading, relative to the dynamics of the signal produced in output S. This problem is mitigated according to the invention by connecting the second input of the amplifier 11 to a circuit symmetrical to that connected to the first input, as shown in FIG. 2.

Ainsi, sur la figure 2, la seconde entrée de l'amplificateur 11 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur C'F monté en parallèle avec un interrupteur 1,F et également, par l'intermédiaire d'un condensateur Cp. Pour obtenir une compensation complète du niveau de bruit qui apparaît sur la première entrée de l'amplificateur 11, le condensateur CIF présente une capacité identique à celle du condensateur CF, le condensateur Cp une capacité équivalente à celle de chaque photodiode Pi à Pn de la barrette l, et l'interrupteur I(F est commandé par le dispositif de commande 2 en synchronisme avec l'interrupteur IF
Alternativement, tel que représenté sur la figure 3, le condensateur Cp montré sur la figure 2 peut être remplacé par une barrette 1' de photodiodes, identique à la barrette l, qui est commandée de manière synchrone avec celle-ci, et qui est masquée de manière à ne pas capter de photons.Thus, in FIG. 2, the second input of the amplifier 11 is connected to ground via a capacitor C'F mounted in parallel with a switch 1, F and also, via a capacitor Cp. To obtain complete compensation for the noise level which appears on the first input of the amplifier 11, the capacitor CIF has a capacity identical to that of the capacitor CF, the capacitor Cp a capacity equivalent to that of each photodiode Pi to Pn of the strip l, and the switch I (F is controlled by the control device 2 in synchronism with the switch IF
Alternatively, as shown in Figure 3, the capacitor Cp shown in Figure 2 can be replaced by a strip 1 'of photodiodes, identical to the strip l, which is controlled synchronously with it, and which is hidden so as not to capture photons.

Cette solution permet de ramener le niveau de bruit total de l'amplification à une valeur inférieure à 1,5 10.15 Coulomb par lecture, le bruit des photodiodes étant de l'ordre de 110.16 AIHzlt2. This solution makes it possible to reduce the total noise level of the amplification to a value less than 1.5 10.15 Coulomb per reading, the noise of the photodiodes being of the order of 110.16 AIHzlt2.

Claims (6)

l. Dispositif d'amplification d'un signal de faible intensité, comprenant un circuit d'amplification du type à transfert de charge, connecté à un ensemble (l) de photodiodes (Pl à Pn) identiques, ce circuit comportant un amplificateur (ll) à double entrée dont une première entrée est reliée à un premier circuit connecté à l'ensemble de photodiodes (l) et comprenant un premier condensateur (CF) dans lequel les charges accumulées par les photodiodes sont successivement transférées, le condensateur étant déchargé entre chaque transfert de charge de photodiode, caractérisé en ce que la seconde entrée de l'amplificateur (l l) est connectée à un second circuit d'équilibrage, symétrique du premier circuit relié à l'ensemble de photodiodes (l), comprenant un second condensateur (C)F) de même capacité que le premier condensateur (CF) et qui est chargé et déchargé de manière synchrone avec celui-ci, de manière à obtenir une compensation du bruit et des décalages. l. Amplification device for a low intensity signal, comprising an amplification circuit of the charge transfer type, connected to a set (l) of identical photodiodes (Pl to Pn), this circuit comprising an amplifier (ll) with double input, a first input of which is connected to a first circuit connected to the set of photodiodes (l) and comprising a first capacitor (CF) in which the charges accumulated by the photodiodes are successively transferred, the capacitor being discharged between each transfer of photodiode charge, characterized in that the second input of the amplifier (ll) is connected to a second balancing circuit, symmetrical to the first circuit connected to the photodiodes assembly (l), comprising a second capacitor (C) F) of the same capacity as the first capacitor (CF) and which is charged and discharged synchronously with the latter, so as to obtain compensation for noise and offsets . REVENDICATIONS 2. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que le second circuit comprend un condensateur (Cp) reliant la seconde entrée de l'amplificateur (il) à la masse, et dont la capacité est équivalente à celle d'une photodiode (Pl à Pn) de l'ensemble (l) également relié à la masse. 2. Device according to claim l, characterized in that the second circuit comprises a capacitor (Cp) connecting the second input of the amplifier (il) to ground, and whose capacity is equivalent to that of a photodiode (Pl to Pn) of the assembly (l) also connected to ground. 3. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que le second circuit comprend un autre ensemble (l') de photodiodes identique à l'ensemble (l), reliant la seconde entrée de l'amplificateur (ll) à la masse, et commandé de manière synchrone avec l'ensemble (l) également relié à la masse. 3. Device according to claim l, characterized in that the second circuit comprises another set (l ') of photodiodes identical to the set (l), connecting the second input of the amplifier (ll) to ground, and controlled synchronously with the assembly (l) also connected to earth. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble (l) de photodiodes (Pl à Pn) est une barrette de photodiodes montées en parallèle, chaque photodiode étant couplée en série avec un interrupteur respectif (Il à In). 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the assembly (l) of photodiodes (Pl to Pn) is a strip of photodiodes mounted in parallel, each photodiode being coupled in series with a respective switch (It to In). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier et le second condensateur (CF, CIF) sont montés en parallèle avec un interrupteur (IF, 1,F) respectif, le condensateur (CF) reliant la première entrée à la sortie (S) de l'amplificateur (li), tandis que le condensateur (C(F) relie la seconde entrée de l'amplificateur (ll) à la masse, les interrupteurs (IF, 1,F) étant commandés de manière synchrone. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second capacitor (CF, CIF) are mounted in parallel with a respective switch (IF, 1, F), the capacitor (CF) connecting the first input to the output (S) of the amplifier (li), while the capacitor (C (F) connects the second input of the amplifier (ll) to ground, the switches (IF, 1, F) being controlled synchronously. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble (l) est une barrette de photodiodes.  6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the assembly (l) is an array of photodiodes.
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