FR3005778A1

FR3005778A1 - Echantillonneur-bloqueur compact

Info

Publication number: FR3005778A1
Application number: FR1301115A
Authority: FR
Inventors: Patrick Gremillet
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-21
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: FR3005778B1; WO2014184267A1; EP2997577A1; US20160148706A1; US9496049B2

Abstract

L'échantillonneur comportant une capacité de maintien (CH) et fonctionnant selon une phase de suivi pendant laquelle la tension aux bornes de la capacité suit le signal d'entrée (Vin) et selon une phase de maintien pendant laquelle la capacité est isolée dudit signal d'entrée (Vin), il comporte en outre : - une paire différentielle composée d'un premier transistor Q1 et d'un deuxième transistor Q2 connectés en émetteurs communs, le collecteur du transistor Q2 étant connecté à la capacité de maintien (CH), le signal d'entrée (Vin) étant appliqué sur la base du transistor Q1 ; - un troisième transistor Q3 dont la base est connectée au collecteur du transistor Q2 et l'émetteur est relié à la base du transistor Q2, le signal présent sur l'émetteur du transistor Q3 formant le signal de sortie (Vout) dudit échantillonneur-bloqueur ; - une source de courant I (20) connectée au collecteur du transistor Q2 ; pendant la phase de suivi ladite paire différentielle Q1, Q2 étant alimentée par un courant 21, le transistor Q2 étant chargé par ladite source de courant (20) et par la capacité de maintien (CH), pendant la phase de maintien, le courant 21 alimentant la paire différentielle Q1, Q2 étant coupé et la capacité de maintien (CH) étant chargée par deux courants opposés et de même valeur, égale au courant I de ladite source (20).

Description

ECHANTILLONNEUR-BLOQUEUR COMPACT La présente invention concerne un échantillonneur-bloqueur compact. Elle s'applique notamment aux étages d'entrées de convertisseurs analogique-numérique rapides.

Les convertisseurs analogique-numérique rapides utilisés pour numériser les signaux des capteurs, notamment dans le domaine des radars ou des télécommunications, possèdent un étage d'entrée constitué d'un échantillonneur-bloqueur permettant de geler le signal d'entrée pendant la phase de quantification. Les performances des convertisseurs dépendent donc étroitement des performances de l'échantillonneur-bloqueur. L'échantillonnage-blocage consiste à charger une capacité, dite de maintien, pendant une première phase de suivi (« track ») ou d'échantillonnage (« sample ») du signal d'entrée, et à isoler cette capacité du signal d'entrée qui peut continuer à varier, bloquant ainsi la valeur de la tension aux bornes de la capacité. Pendant une seconde phase de maintien (« hold ») la quantification du signal peut être effectuée. Un problème qui se pose est de réaliser cette commutation de façon à ce que le signal échantillonné reproduise le plus fidèlement possible le signal d'entrée à l'instant du blocage.

La plupart des solutions connues utilisent la commutation d'une diode, ou d'une jonction base-émetteur. La diode est passante en phase de suivi et bloquée en contrôlant la tension sur son anode en phase de maintien. Une première solution est le pont de diodes, notamment décrit dans J.R. Gray and S.C. Kitsopoulos « A Precision Sample-and-Hold Circuit with 25 Subnanosecond Switching » IEEE Transactions on Circuit Theory, CT11, September 1964, pages 389-396, avec de multiples variantes. Une solution à suiveur commuté, ne nécessitant qu'une source de courant, est préférée dans les circuits intégrés. Elle est notamment décrite dans le document US3643110, de multiples variantes étant utilisées. 30 Ces solutions présentent plusieurs inconvénients. En particulier, un dispositif de commutation à diode est fortement non linéaire. Lors de la mise en inverse, il y a injection de charges dans la capacité de maintien, introduisant une tension parasite qui s'ajoute au signal, cette tension étant encore appelée « pedestral error ». 3005 778 2 Par ailleurs, l'isolation entre l'entrée et la sortie est faible car le signal passe à travers la capacité de jonction de la diode. Enfin, ce type de dispositif de commutation est nécessairement : - précédé d'un étage d'entrée afin de l'isoler de l'entrée, introduisant 5 ainsi une consommation supplémentaire et des effets non linéaires ; suivi d'un étage de sortie afin d'isoler la capacité, introduisant une consommation supplémentaire et introduisant des effets non linéaires. Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités, en 10 particulier de permettre une diminution des non linéarités et de la consommation d'énergie. A cet effet, l'invention a pour objet un échantillonneur-bloqueur comportant une capacité de maintien CH, ledit échantillonneur-bloqueur fonctionnant selon une phase de suivi pendant laquelle la tension aux bornes de ladite capacité suit le signal d'entrée Vin 15 dudit échantillonneur-bloqueur et selon une phase de maintien pendant laquelle la capacité est isolée dudit signal d'entrée Vin, l'échantillonneurbloqueur comportant au moins : - une paire différentielle composée d'un premier transistor Q1 et d'un deuxième transistor Q2 connectés en émetteurs communs, le collecteur du 20 transistor Q2 étant connecté à la capacité de maintien CH, le signal d'entrée (Vin) étant appliqué sur la base du transistor Q1 ; - un troisième transistor Q3 dont la base est connectée au collecteur du transistor Q2 et l'émetteur est relié à la base du transistor Q2, le signal présent sur l'émetteur du transistor Q3 formant le signal de sortie Vout dudit 25 échantillonneur-bloqueur ; - une source de courant I connectée au collecteur du transistor Q2 ; pendant la phase de suivi ladite paire différentielle Q1, Q2 étant alimentée par un courant 21, le transistor Q2 étant chargé par ladite source de courant (20) et par la capacité de maintien CH, 30 pendant la phase de maintien, le courant 21 alimentant la paire différentielle Q1, Q2 étant coupé et la capacité de maintien CH étant chargée par deux courants opposés et de même valeur, égale au courant de ladite source.

Le courant de charge de la capacité de maintien CH opposé au courant de ladite source est par exemple obtenu en commutant une partie du courant 21 alimentant la paire différentielle sur ladite capacité. La partie de courant I est par exemple égale à la moitié du courant 21 5 alimentant la paire différentielle. Dans un mode de réalisation particulier : - la source de courant 21 de la paire différentielle en phase de suivi est réalisée par deux transistors Q4, Q6 en série chacun avec une source de courant, les collecteurs des transistors Q4 et Q6 étant connectés aux 10 émetteurs des transistors Q1, Q2 de ladite paire différentielle, les transistors Q4 et Q6 étant commandés à l'ouverture pendant la phase de suivi et à la fermeture pendant la phase de maintien ; - la source de courant en phase de maintien étant réalisée par un autre transistor Q5 en série avec la source de courant du transistor Q4, le 15 collecteur du transistor Q5 étant connecté à la capacité de maintien CH, le transistor Q5 étant commandé à l'ouverture pendant la phase de maintien et à la fermeture pendant la phase de suivi. L'échantillonneur-bloqueur comporte par exemple un transistor Q7 connecté en série avec la source de courant du transistor Q4, le transistor Q7 étant 20 commandé à l'ouverture pendant la phase de maintien et à la fermeture pendant la phase de suivi. Dans une variante de réalisation possible, la paire différentielle Q8, Q9 est connectée en série avec le transistor Q7, la base et le collecteur du transistor Q8 étant connecté aux émetteurs des transistors Q1 et Q2, le collecteur du 25 transistor Q9 étant connecté au collecteur du transistor Q1 et sa base étant connectée à la base du transistor Q2. Dans une autre variante de réalisation possible, un transistor Q10 est intercalé entre le point d'entrée apte à recevoir le signal d'entrée Vin et la base du transistor Q1, l'émetteur du transistor Q10 étant connecté sur la 30 base du transistor Q1, le signal d'entrée (Vin) étant appliqué sur la base du transistor Q10. Dans un autre mode de réalisation possible, un transistor Q11 est connecté entre la capacité de maintien (CH) et le transistor Q5, l'émetteur du transistor Q11 étant connecté au collecteur du transistor Q5. 35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, le principe de l'échantillonnage-blocage ; la figure 2, le principe de réalisation d'un échantillonneur-bloqueur selon l'invention ; les figures 3a et 3b, des illustrations des fonctionnements respectifs en mode suiveur et en mode maintien ; la figure 4, un premier exemple de réalisation d'un échantillonneur selon l'invention ; les figures 5 à 7, des variantes de réalisations possibles de l'échantillonneur-bloqueur tel qu'illustré par la figure 4. La figure 1 illustre le principe de l'échantillonnage-blocage consistant à charger une capacité CH, dite de maintien, pendant une première phase de suivi de la tension d'entrée Vin, et à isoler cette capacité de ce même signal d'entrée pendant une deuxième phase de maintien. La figure 1 présente un exemple de réalisation de base utilisé dans la plupart des systèmes d'échantillonnage-blocage, utilisant la commutation d'une diode, ou d'une jonction base-émetteur. La diode 1 est passante en phase de suivi, ou mode « track », la tension de sortie Vout étant égale à la tension d'entrée Vin à la tension de jonction près. Pendant cette phase une capacité CH, connectée entre la cathode de la diode et un potentiel de référence, se charge à la tension de sortie Vout. La diode est bloquée en phase de maintien, mode « hold », isolant la capacité de la tension d'entrée, phase pendant laquelle la tension aux bornes de la capacité, égale à Vout, reste maintenue à la valeur de la tension d'entrée au moment de la commutation de la diode, commutant de l'état passant à l'état bloqué. Le passage à l'état bloqué est commandé par une tension inverse appliquée entre l'anode et la cathode de la diode. La commande de cette tension inverse permet le contrôle de l'échantillonnage- blocage. Comme cela a été indiqué précédemment, un dispositif de commutation à diode, ou à jonction base-émetteur, est fortement non linéaire. En particulier, lors de la mise en tension inverse, il y a injection de charges dans la capacité de maintien CH, introduisant une tension parasite qui s'ajoute au signal. De plus, l'isolation entre l'entrée et la sortie est faible en raison de la capacité de jonction de la diode 1, en particulier aux fréquences élevées. On rappelle enfin qu'un tel dispositif de commutation à diode doit être précédé d'un étage d'entrée afin de l'isoler et d'un étage de sortie afin d'isoler la capacité. Ces étages entraînent une consommation supplémentaire d'énergie et des non linéarités supplémentaires. La figure 2 illustre le principe de réalisation d'un échantillonneur-bloqueur selon l'invention. L'invention consiste notamment à charger et décharger la capacité de maintien à travers une source de courant contrôlée par le signal d'entrée, de manière à ce que la tension de sortie aux bornes de la capacité de maintien suive le signal d'entrée, et à couper la source de courant pendant la phase de blocage. La charge et la décharge de la capacité de maintien est réalisée uniquement par des sources de courant. Ainsi, un échantillonneur-bloqueur selon l'invention comporte une paire 15 différentielle Q1, Q2, composée de deux transistors bipolaires, de type NPN, connectés en émetteurs communs. L'entrée du signal Vin se fait sur la base du premier transistor Q1. Le collecteur du deuxième transistor Q2 est connecté à la capacité de maintien CH. La base du deuxième transistor de la paire, Q2, est rebouclée sur l'émetteur 20 d'un troisième transistor bipolaire Q3, de type NPN, monté en mode suiveur. Ce transistor Q3 a notamment pour fonction de suivre la tension présente sur le collecteur de Q2, sa base y étant connectée. Pendant la phase de suivi, appelée par la suite mode suiveur, la paire différentielle est alimentée par un courant 21 par une voie 21, le transistor Q2 25 étant chargé par une source 20 de courant I et par la capacité de maintien CH. Par ce montage, l'invention consiste notamment à charger la capacité de maintien CH à travers une source de courant contrôlée par le signal d'entrée Vin, de manière à ce que la tension de sortie Vout' aux bornes de la capacité de maintien CH suive le signal d'entrée Vin. 30 Le passage du mode suiveur au mode bloqué, correspondant à la phase de maintien, est effectué en coupant la voie 21 du courant 21 alimentant la paire différentielle Q1, Q2 et à détourner une moitié vers la capacité de maintien par une autre voie 22 de façon à ce que cette capacité soit chargée par deux courants de même valeur, constants, et opposés. La tension aux bornes de 35 la capacité est alors maintenue à la valeur Vout', égale à la valeur Vin au moment de la commutation des voies 21, 22, augmentée de la tension base-émetteur de Q3. La tension de sortie Vout est prise en sortie de l'émetteur du transistor Q3 qui suit la tension présente sur le collecteur de Q2 donc la tension présente sur la capacité de maintien CH, et finalement Vin.

Une troisième voie 23 est par exemple prévue pour conduire l'autre moitié du courant 21 non utilisée pour le blocage de la tension de capacité. Des sources de courant 220, 230 sont connectées en série sur les voies 21, 22, 23 selon que le dispositif est en mode suiveur ou en mode maintien. Un courant résiduel I' issu de l'émetteur du transistor Q3 est régulé dans une source de courant 300 connectée en série sur l'émetteur du transistor Q3. L'ensemble des composants est connecté aux bornes d'une source d'alimentation Vcc, les courants étant fournis par cette dernière. Plus particulièrement, les collecteurs des transistors Q1 et Q3 sont reliés à la borne positive de Vcc. La source de courant 20 est connectée entre la borne positive de Vcc et le transistor Q2. Les références de tensions sont prises par rapport à la borne négative de Vcc. Avec une capacité de maintien CH sur le collecteur du transistor Q2, on dispose ainsi d'une structure où l'entrée Vin et la sortie Vout sont isolés de la capacité de maintien, rendant inutiles un étage d'entrée et un étage de sortie, 20 sources de non linéarités et de consommation d'énergie. Plus particulièrement, l'invention permet d'obtenir une structure qui combine le dispositif de commutation, l'étage d'entrée et l'étage de sortie. L'invention permet ainsi avantageusement de réaliser un échantillonneur-bloqueur compact tout en ayant des très bonnes performances énergétiques et de 25 linéarité. Les figures 3a et 3b illustrent respectivement le schéma électrique équivalent du dispositif de la figure 2 pour le mode suiveur et pour le mode maintien, pour l'établissement de la tension aux bornes de la capacité CH. Dans le 30 mode suiveur de la figure 3a, la paire différentielle Q1, Q2 est alimentée par un courant 21 via les voies 21, 22, le transistor Q2 étant chargé par un courant I et par la capacité de maintien CH dont la tension aux bornes suit la tension d'entrée Vin. Dans le mode maintien de la figure 3b, les voies 21, 22, 23 ont été 35 commutées de façon à couper le courant 21 alimentant la paire différentielle, cette dernière n'étant plus alimentée. Une moitié du courant est détournée vers la capacité de maintien CH par la voie 22 de façon à ce que cette capacité soit chargée par deux courants constants opposés, le courant I fourni par la source 20 connectée au collecteur du transistor Q2 et le courant I circulant vers la source 220 de la voie 22. La figure 4 présente un exemple de réalisation possible d'un échantillonneurbloqueur selon l'invention fonctionnant selon le principe du schéma de la figure 2. Dans cet exemple de réalisation, la source de courant 21 qui alimente la paire différentielle Q1, Q2 est réalisée par deux transistors Q4, Q6. Ces deux transistors sont reliés à la paire différentielle par la voie 21 d'alimentation en courant 21. Plus particulièrement, le collecteur du transistor Q4 et le collecteur du transistor Q6 sont reliés aux émetteurs des transistors Q1, Q2. La source de courant 21 est formée de deux sources de courant I, réalisée l'une par le transistor Q4 en série avec une première source 220 et l'autre par le transistor Q6 en série avec une deuxième source 230. Pour représenter la formation de ces sources, ces dernières sont représentées symboliquement sur la figure 4 et reliées aux transistors Q4 et Q6. Ainsi, l'émetteur du transistor Q4 est connecté à la première source de courant 220 et l'émetteur du transistor Q6 est connecté à la deuxième source de courant 230. Ce mode de représentation sera conservé pour les figures suivantes. En mode de maintien, la source de courant I est réalisée par un transistor Q5 qui dévie une partie du courant 21 qui alimente la paire différentielle. A cet effet, le collecteur du transistor Q5 est relié à une borne de la capacité de maintien CH et son émetteur est relié en série avec la première source de courant 220 mentionnée précédemment, les transistors Q4 et Q5 étant connectés en émetteurs communs. L'autre borne de la capacité CH est reliée au potentiel de référence de la source Vcc. Un transistor Q7 permet de dévier l'autre moitié du courant 21, non affectée à 30 la capacité de maintien CH, pendant le mode de maintien. A cet effet, le collecteur du transistor Q7 est relié à la borne positive de la source d'alimentation Vcc et son émetteur est relié à la deuxième source de courant 230 mentionnée précédemment, les transistors Q6 et Q7 étant connectés en émetteurs communs.

Des signaux 31, 32, 33 commandent les bases des transistors Q4, Q5, Q6 et Q7 pour contrôler les commutations d'un mode à l'autre. En mode suiveur, un signal 31 commande les transistors Q4 et Q6 à l'ouverture alors qu'un signal 32 commande les transistors Q5 et Q7 à la fermeture. Le courant 21 alimente alors la paire différentielle. En mode de maintien ces commandes sont inversées, les transistors Q4 et Q6 étant commandés à la fermeture et les transistors Q5 et Q7 sont commandés à l'ouverture. Une moitié du courant 21 est détournée par le transistor Q5, ce courant étant opposé au courant I fourni par la source 20, la capacité de maintien est alors chargée par deux courant I, constants et opposés. La figure 5 présente une variante de réalisation du mode de réalisation de la figure 4. Dans cette variante, la tension émetteur de la paire différentielle Q1, Q2 est maintenue constante pendant la phase de maintien de façon à ce que les transistors soient bloqués efficacement. Cette tension émetteur est maintenue constante par l'ajout d'une paire différentielle composée d'un transistor Q8 et d'un transistor Q9, la base et le collecteur de Q8 étant connectés aux émetteurs de Q1 et Q2, le collecteur de Q9 étant relié à la borne positive de Vcc, la base de Q9 étant connectée à la base de Q2, les émetteurs de Q8 et Q9 étant connectés au collecteur du transistor Q7. Pendant la phase de maintien, le courant I circule dans le transistor Q7 et dans le transistor Q9. La tension émetteur des transistors Q1 et Q2 est maintenu constante, égale à la tension de sortie Vout via les tensions base-25 émetteur des transistors Q8 et Q9. La figure 6 présente une autre variante par rapport au mode de réalisation de la figure 4. Dans cette variante de réalisation, un étage suiveur est ajouté en entrée. Cet étage suiveur réplique l'étage suiveur de sortie et permet donc de 30 rendre l'ensemble du dispositif symétrique. A cet effet, un transistor Q10 monté en suiveur est intercalé entre l'entrée du signal Vin et la base du transistor Q1. Plus particulièrement, le signal d'entrée Vin arrive sur la base du transistor Q10, le collecteur de Q10 étant connecté à la borne positive de Vcc et son émetteur étant connecté à la base du transistor Q1. Pour 35 symétriser l'ensemble et contrôler le courant, l'émetteur du transistor Q10 est par ailleurs connecté à une source 600 de courant l', analogue à la source 300 connectée sur le suiveur de sortie. La figure 7 présente une autre variante par rapport au mode de réalisation de 5 la figure 4. Dans cette variante de réalisation un transistor Q11 est monté en cascode avec le transistor Q5 de façon à isoler encore mieux la capacité de maintien CH des variations de commande 31, 32. A cet effet, le collecteur du transistor Q11 est connecté à la capacité de maintien CH et son émetteur est connecté sur le collecteur du transistor Q5. Le transistor Q11 est commandé 10 à l'ouverture au moyen d'une tension Vcascode connectée entre sa base et le potentiel de référence. Il est encore possible de prévoir d'autres variantes de réalisation. En particulier, de façon à ce que les courants s'annulent parfaitement dans la 15 capacité de maintien CH, on peut ajouter un système de compensation des courants de base comme décrit notamment dans le document EP1074996, ou un système de réglage automatique des courants statiques au démarrage ou en temps réel. Toutes ces variantes, notamment celles présentées relativement aux figures 5 à 7 peuvent être combinées. 20

Claims

REVENDICATIONS1. Echantillonneur-bloqueur comportant une capacité de maintien (CH), ledit échantillonneur-bloqueur fonctionnant selon une phase de suivi pendant laquelle la tension aux bornes de ladite capacité suit le signal d'entrée (Vin) dudit échantillonneur-bloqueur et selon une phase de maintien pendant laquelle la capacité est isolée dudit signal d'entrée (Vin), caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - une paire différentielle composée d'un premier transistor Q1 et d'un deuxième transistor Q2 connectés en émetteurs communs, le collecteur du transistor Q2 étant connecté à la capacité de maintien (CH), le signal d'entrée 10 (Vin) étant appliqué sur la base du transistor Q1 ; - un troisième transistor Q3 dont la base est connectée au collecteur du transistor Q2 et l'émetteur est relié à la base du transistor Q2, le signal présent sur l'émetteur du transistor Q3 formant le signal de sortie (Vout) dudit échantillonneur-bloqueur ; 15 - une source de courant I (20) connectée au collecteur du transistor Q2 ; pendant la phase de suivi ladite paire différentielle Q1, Q2 étant alimentée par un courant 21, le transistor Q2 étant chargé par ladite source de courant (20) et par la capacité de maintien (CH), pendant la phase de maintien, le courant 21 alimentant la paire différentielle 20 Q1, Q2 étant coupé et la capacité de maintien (CH) étant chargée par deux courants opposés et de même valeur, égale au courant de ladite source (20).
2. Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de charge de la capacité de maintien (CH) opposé au courant de 25 ladite source (20) est obtenu en commutant une partie du courant 21 alimentant la paire différentielle sur ladite capacité (CH).
3. Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie de courant I est égale à la moitié du courant 21 alimentant la 30 paire différentielle.
4. Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 3, caractérisé en ce que :- la source de courant 21 de la paire différentielle en phase de suivi est réalisée par deux transistors Q4, Q6 en série chacun avec une source de courant (220, 230), les collecteurs des transistors Q4 et Q6 étant connectés aux émetteurs des transistors Q1, Q2 de ladite paire différentielle, les transistors Q4 et Q6 étant commandés à l'ouverture pendant la phase de suivi (31) et à la fermeture pendant la phase de maintien ; - la source de courant en phase de maintien étant réalisée par un autre transistor Q5 en série avec la source de courant (220) du transistor Q4, le collecteur du transistor Q5 étant connecté à la capacité de maintien (CH), le transistor Q5 étant commandé à l'ouverture pendant la phase de maintien (32) et à la fermeture pendant la phase de suivi.
5. Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor Q7 connecté en série avec la source de courant (230) 15 du transistor Q4, le transistor Q7 étant commandé à l'ouverture (32) pendant la phase de maintien et à la fermeture pendant la phase de suivi.
6. Echantillonneur-bloqueur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une paire différentielle Q8, Q9 est connectée en série avec le transistor 20 Q7, la base et le collecteur du transistor Q8 étant connecté aux émetteurs des transistors Q1 et Q2, le collecteur du transistor Q9 étant connecté au collecteur du transistor Q1 et sa base étant connectée à la base du transistor Q2. 25
7. Echantillonneur-bloqueur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'un transistor Q10 est intercalé entre le point d'entrée apte à recevoir le signal d'entrée (Vin) et la base du transistor Q1, l'émetteur du transistor Q10 étant connecté sur la base du transistor Q1, le signal d'entrée (Vin) étant appliqué sur la base du transistor Q10. 30
8. Echantillonneur-bloqueur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'un transistor Q11 est connecté entre la capacité de maintien (CH) et le transistor Q5, l'émetteur du transistor Q11 étant connecté au collecteur du transistor Q5. 35