FR3011406A1 - Circuit electronique de type analogique comprenant une source auxiliaire de tension - Google Patents

Abstract

Circuit électronique (1) de type analogique comprenant un premier étage (2) apte à recevoir un signal d'entrée et un deuxième étage (3) apte à délivrer un signal de sortie dépendant du signal d'entrée, le premier étage étant alimenté par une source auxiliaire de tension (10), le deuxième étage étant alimenté par une source principale de tension, la tension (VCB) délivrée par la source auxiliaire étant supérieure à la tension (VAB) délivrée par la source principale de tension, dans lequel la source auxiliaire de tension (10) comporte : - un dispositif d'émission de lumière (11) alimenté par la source principale de tension ; et - un dispositif photoélectrique (12) connecté entre la source principale de tension et le premier étage (2) du circuit électronique, optiquement couplé au dispositif d'émission de lumière pour convertir au moins une partie du flux lumineux (13) émis par ledit dispositif en une tension (VCA).

Description

CIRCUIT ELECTRONIQUE DE TYPE ANALOGIQUE COMPRENANT UNE SOURCE AUXILIAIRE DE TENSION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine technique des composants électroniques, plus précisément celui des composants analogiques comprenant un étage d'entrée alimenté par une source de tension auxiliaire.

Elle vise en particulier des agencements concernant l'alimentation de cet étage d'entrée. Elle trouve une application particulière mais non limitative pour la conception d'amplificateurs opérationnels. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Tel qu'illustré à la figure 1, un amplificateur opérationnel 1 dénommé par la suite AO, est un dispositif analogique comprenant un étage d'entrée 2, un étage de gain 4 et un étage de sortie 3. Un AO amplifie la différence des tensions appliquées sur deux de ses bornes d'entrée 2A et 2B. Cette différence est amplifiée par un étage de gain 4 avant d'être délivrée par l'étage de sortie 3 au niveau d'une borne de sortie 3C. Tous les étages de l'AO sont connectés à une même source principale de tension VAB (VA>VB) alimentant une source de courant 5 connectée à l'étage d'entrée 2 et une source de courant 15 connectée aux étages de gain 4 et de sortie 3. Idéalement l'AO devrait fonctionner en mode « rail-to-rail », c'est à-dire que le comportement de l'étage d'entrée devrait être linéaire lorsque la tension appliquée à chacune de ses bornes d'entrée évolue dans une plage de tension allant jusqu'à la valeur de tension VAB. En réalité, le fonctionnement de l'étage d'entrée n'est pas linéaire pour toutes les valeurs des tensions appliquées sur ses entrées lorsque celles-ci varient entre VA et VB, mais dans une plage de valeurs plus étroite. En effet, les tensions de seuil des différents transistors qui composent cet étage d'entrée font que le signal de sortie ne varie plus linéairement dès lors que le signal d'entrée est trop proche de la tension d'alimentation VAB. Il s'ensuit une limitation de la plage du signal d'entrée, ou une non linéarité. Cette limitation est d'autant plus gênante lorsque l'AO est alimenté par une faible tension, par exemple de l'ordre de quelques volts. Comme illustré à la figure 2, afin de compenser cet effet, on peut prévoir une source -2- auxiliaire de tension spécifique Vo; (Vc>VB) de valeur supérieure à la tension VAB, qui alimente l'étage d'entrée. La source auxiliaire de tension Vo; permet à l'étage d'entrée de traiter de façon linéaire des signaux dont l'amplitude atteint la valeur de la tension d'alimentation de la source principale VAB. Ainsi, l'AO fonctionne en mode «rail to rail » vis-à-vis du signal d'entrée. Actuellement, les sources auxiliaires sont réalisées en particulier à partir de pompes de charge comprenant un doubleur de tension, dont l'inconvénient principal est d'utiliser un oscillateur. En effet, l'oscillateur ajoute du bruit à la tension générée, ce bruit se retrouve au niveau du signal de sortie Vs. EXPOSE DE L'INVENTION La présente demande vise à proposer une source auxiliaire de tension alimentant un composant analogique. Un des objectifs est de permettre au composant analogique d'avoir un comportement linéaire lorsqu'on lui applique un signal d'entrée, dont la tension est proche ou égale à la tension d'une source principale alimentant ledit composant. Plus précisément, il existe un besoin de sources auxiliaires de ce type n'ajoutant aucun bruit au signal traité par le composant analogique.

A cet effet, il est ainsi proposé un circuit électronique de type analogique comprenant un premier étage apte à recevoir un signal d'entrée et un deuxième étage apte à délivrer un signal de sortie dépendant du signal d'entrée, le deuxième étage étant alimenté par une source principale de tension, le premier étage étant alimenté par une source auxiliaire de tension, la tension délivrée par la source auxiliaire de tension étant supérieure à la tension délivrée par la source principale de tension, dans lequel la source auxiliaire de tension comporte : - un dispositif d'émission de lumière alimenté par la source principale de tension ; et - un dispositif photoélectrique connecté entre la source principale de tension et le premier étage du circuit, ledit dispositif photoélectrique étant optiquement couplé au dispositif d'émission de lumière pour convertir au moins une partie du flux lumineux émis par ledit dispositif en une tension.

Selon d'autres aspects de ce circuit électronique : - le dispositif d'émission de lumière peut être une diode électroluminescente ; -3- - le dispositif photoélectrique peut comprendre une photodiode polarisée en direct ; - le dispositif photoélectrique peut comporter plusieurs photodiodes polarisées en direct et connectées en série entre la source principale de tension et le premier étage ; - un dispositif d'asservissement peut commander le dispositif d'émission de lumière en fonction de la valeur de la tension délivrée par la source auxiliaire de tension ; - le dispositif d'asservissement peut comprendre : - une première photodiode connectée entre la source auxiliaire de tension et le premier étage, polarisée en inverse et optiquement couplée avec le dispositif d'émission de lumière ; et - une seconde photodiode connectée entre la source auxiliaire de tension et le dispositif d'émission de lumière, polarisée en inverse et optiquement couplée avec le dispositif d'émission de lumière ; - la première photodiode et la seconde photodiode du circuit d'asservissement peuvent avoir la même surface et capter le même flux de lumière émis par le dispositif d'émission de lumière ; - la première photodiode et la seconde photodiode peuvent avoir une surface totale inférieure à la surface totale des photodiodes appartenant au dispositif photoélectrique ; - le dispositif d'asservissement peut comprendre un transistor qui commande le dispositif d'émission de lumière en fonction de la valeur du courant généré par la seconde photodiode éclairée par le dispositif de lumière ; - l'interrupteur statique peut commander le dispositif d'émission de lumière en fonction de la différence de valeurs entre le courant généré par la seconde photodiode éclairée par le dispositif de lumière, et un courant de référence généré par une source de courant.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES Certains aspects de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et dans lesquels : - la figure 1 est un schéma simplifié d'un amplificateur opérationnel selon l'état de la technique ; - la figure 2 est un schéma simplifié d'un amplificateur opérationnel selon l'état de la technique comprenant une source auxiliaire de tension - la figure 3 est un schéma simplifié d'un amplificateur opérationnel comprenant -4- une source auxiliaire de tension selon un premier mode de réalisation ; - la figure 4 est un schéma simplifié d'un amplificateur opérationnel comprenant une autre source auxiliaire de tension selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 5 est un schéma simplifié d'un amplificateur opérationnel similaire à celui de la figure 3, comprenant un dispositif d'asservissement de la source auxiliaire de tension ; - la figure 6 est une vue de côté d'un agencement de l'amplificateur opérationnel selon la figure 5; - la figure 7 est une vue de dessus de l'amplificateur opérationnel selon la figure 5 ; - la figure 8 est une vue de côté d'un autre agencement de l'amplificateur opérationnel selon la figure 5 ; - la figure 9 est une vue de côté d'un autre agencement de l'amplificateur opérationnel selon la figure 5.

DESCRIPTION DETAILLEE Les modes de réalisation décrits ci-après concernent des dispositifs électroniques de type analogique, comprenant un premier étage apte à recevoir un signal d'entrée et un deuxième étage apte à générer un signal de sortie dépendant du signal d'entrée. Les dispositifs électroniques sont alimentés par une source principale de tension. Plus précisément, ces modes de réalisation décrivent une source auxiliaire de tension permettant de rehausser la tension alimentant le premier étage, pour permettre le traitement d'un signal d'entrée de façon linéaire par le dispositif lorsque la valeur du signal d'entrée se rapproche voire est égale à la valeur de tension de la source principale. La source auxiliaire rehausse la tension de la source principale sans bruit ajouté sur le signal de sortie. Plusieurs exemples de réalisation non limitatifs sont décrits ci-après. Selon un premier exemple de réalisation illustré à la figure 3, une source auxiliaire de tension 10 alimente une source de courant 5 connectée à l'étage d'entrée 2 d'un amplificateur opérationnel (ou AO) 1. L'étage de gain 4 et l'étage de sortie 3 de l'AO sont alimentés par une source principale de tension VAB (VA>VB), permettant de fixer le potentiel VA du point haut A à une valeur quasi constante. Plus précisément, les étages de gain et de sortie sont alimentés en courant par une source de courant 15 connectée à la source principale de tension VAB La source auxiliaire de tension 10 comprend une diode électroluminescente (ou LED) 3 0 1 1 406 -5- 11 polarisée en direct, alimentée par une source de courant 14 connectée à la source principale de tension VAB. Elle comprend également plusieurs photodiodes 12 optiquement couplées avec la LED 11, de sorte qu'une partie au moins du flux lumineux 13 émis par la LED 11 est capté par les photodiodes 12. 5 Bien entendu, la LED 11 peut être remplacée par tout type de dispositif permettant de produire un flux lumineux permettant de produire un photocourant dans les photodiodes 12. 10 Les photodiodes sont connectées en série entre le point haut C de l'étage d'entrée et le point A auquel est relié la source de tension principale VAB, de manière à être polarisées en direct lorsque la LED 11 éclaire les photodiodes 12. Autrement dit, la source principale de tension est connectée à une cathode d'une photodiode et le point haut C de l'étage d'entrée est connecté à l'anode d'une autre photodiode. Ainsi, 15 lorsque les photodiodes 12 sont éclairées par la LED 11, la tension entre ladite anode est supérieure à celle de ladite cathode, et les photodiodes présentent à leurs bornes une tension de l'ordre de la tension de seuil de leur jonction polarisée en direct. Elles se comportent alors comme des générateurs de tension et permettent de rehausser la valeur du potentiel du point C à une valeur Vc supérieure à VA. Dans le cas présent, 20 chaque diode délivre une tension de l'ordre de 0,5 volt à température ambiante (de l'ordre de 25 °C). L'utilisation de trois photodiodes en série permet de rehausser de 1,5 volts environ le potentiel VA à un point A. Cette valeur de 1,5V est suffisante dans le cas d'un AO conçu selon les règles habituelles de conception. Bien entendu, on peut prévoir d'augmenter si nécessaire le nombre de photodiodes pour obtenir une valeur de 25 tension VcA encore plus importante pour améliorer les performances de l'étage d'entrée (réjection de mode commun, gain, ....). La source de tension auxiliaire 10 permet donc d'alimenter l'étage d'entrée avec une tension Vo; supérieure à la tension de la source principale VAB. La tension délivrée par 30 les photodiodes 12 est générée par effet photoélectrique, qui est quasi instantané et proportionnel au flux de lumière émis par la LED 11 et reçu par les photodiodes 12. De ce fait, un éclairement continu et homogène des photodiodes 12 par la LED permet à la source auxiliaire de tension 10 de rehausser la tension principale de façon continue et homogène avec peu ou pas de bruit. Autrement dit, cette source auxiliaire comporte 35 des éléments générant peu ou pas de bruit, par rapport aux sources auxiliaires de tension connues avec des oscillateurs. -6- On peut prévoir un nombre de photodiodes en série suffisant pour que la tension appliquée à l'étage d'entrée 2 ne baisse pas dans le temps de façon trop importante à cause de facteurs tels que le vieillissement ou la température des composants. Le nombre de photodiodes permet de maintenir la valeur de cette tension à un niveau suffisant pour permettre un comportement linéaire de l'étage d'entrée lorsque la valeur du signal d'entrée est proche ou égale de la tension VAB. Autrement dit, la source auxiliaire de tension 10 peut produire par défaut et de façon continue une tension supérieure au besoin de l'étage d'entrée 2, pour compenser d'éventuelles variations du rendement de la source auxiliaire.

Bien entendu, le rehaussement du potentiel d'un point haut de l'étage d'entrée peut se transposer à un rabaissement du potentiel d'un point bas de l'étage d'entrée, de façon duale. Ainsi, comme illustré à la figure 4, on peut de la même façon prévoir une source de tension auxiliaire 10' qui abaisse le potentiel VD du point bas D de l'étage d'entrée à un potentiel inférieur à celui du point B (VB>VD). La figure 5 représente un autre mode de réalisation, dans lequel la source auxiliaire de tension 10 est commandée par un dispositif d'asservissement 20 afin de permettre l'alimentation de l'étage d'entrée 2 par un courant constant ou quasi constant, en optimisant le courant consommé par la LED 11. Dans cet exemple de réalisation, le dispositif d'asservissement 20 comprend une première photodiode 21, une seconde photodiode 22, une source de courant 23 délivrant un courant de référence I'f, un transistor 24 de type P-MOS et une capacité 25 permettant de stabiliser le dispositif d' asservissement.

Les composants du dispositif d'asservissement 20 sont agencés de la façon suivante. La première photodiode 21 polarisée en inverse est connectée entre le point C de potentiel Vc et l'étage d'entrée 2. La seconde photodiode 22 polarisée en inverse est connectée entre le point C et la source de courant 23 délivrant le courant de référence Iref. La grille de transistor 24 est connectée entre la seconde photodiode 22 et la source de courant 23. Le transistor 24 a sa source connectée à la cathode de la LED 11 et son drain connecté au point de potentiel VB. Le condensateur 25 est connecté à la grille du transistor 24 et à l'anode de la LED 11 pour stabiliser la boucle formée par le dispositif d' asservissement.

Les deux photodiodes 21 et 22 du dispositif d'asservissement 20 sont identiques et ont leur cathode connectée à un point C de potentiel V. La surface totale des deux photodiodes 21 et 22 est inférieure à la surface totale des photodiodes appartenant à la -7- source de tension auxiliaire 10. Par le terme « surface de photodiode », on entend la surface de la photodiode permettant de convertir le flux lumineux supposé uniforme de la LED 11 en un courant photoélectrique-ou photocourant. Les deux photodiodes sont « appariées » c'est-à-dire qu'elles sont le plus proche possible et conçues de manière analogue de telle sorte qu'elles reçoivent chacune le même flux de lumière provenant de la LED 11. De cette manière, les deux photodiodes sont polarisées en inverse par la source auxiliaire de tension 10 et forment des sources de courant identiques. Le dispositif d'asservissement 20 contrôle le photocourant émis par les photodiodes 21 et 22 par un principe de rétro-action expliqué ci-dessous, de sorte qu'elles génèrent un courant de valeur identique à celui produit par la source de courant 23. Lorsque le photocourant de la seconde photodiode 22 est supérieur au courant de référence I'f, le transistor 24 diminue le courant alimentant la LED 11 de sorte à émettre un flux lumineux moins important afin de diminuer la valeur de ce photocourant. A l'inverse, lorsque le photocourant de la photodiode 22 est inférieur au courant de référence, le transistor augmente le courant alimentant la LED de sorte à augmenter sa valeur.

Le dispositif d'asservissement 20 permet donc d'adapter en temps réel le flux lumineux émis par la LED 11 pour permettre aux photodiodes 21 et 22 de délivrer un photocourant de valeur quasi constante et non bruité. Complémentairement, grâce au couplage optique 13 entre la LED 11 et la seconde photodiode 22, le dispositif d'asservissement 20 adapte la valeur du courant alimentant la LED 11 en fonction de la variation du rendement de la LED et des photodiodes 12, 21 et 22. Le courant consommé par la LED 11 est ainsi constamment ajusté, pour permettre aux photodiodes 21 et 22 de délivrer un photocourant quasi-constant au cours du temps et de même valeur que le courant de référence I'f.

Les performances de l'AO dépendent de la valeur du courant I'f , en particulier ses performances dynamiques (Produit-Gain-Bande, Slew-Rate, etc....). La valeur du courant de référence est donc choisie en fonction de l'utilisation de l'AO souhaitée par l'utilisateur.

Le dispositif d'asservissement 20 permet également de minimiser l'intensité du courant nécessaire pour que la LED produise un flux lumineux suffisant, afin que les photodiodes 21 et 22 génèrent un photocourant quasi constant favorisant le -8- fonctionnement de l'AO selon un mode «rail-to-rail ». Bien entendu, un dispositif d'asservissement similaire peut permettre de la même façon l'asservissement de la source de tension auxiliaire 10' décrite ci-dessus. Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, le transistor de type P-MOS peut être remplacé par un transistor de type N-MOS ou tout type de dispositif permettant de commander la LED, en fonction de la valeur du courant généré par la seconde photodiode lorsqu'elle est éclairée par ladite LED. Plusieurs exemples d'agencement géométriques de la source auxiliaire 10 et du dispositif d'asservissement 20 par rapport à l'AO 1 peuvent être envisagés. Selon un premier exemple de réalisation illustré aux figures 6 et 7, la LED 11, les 15 photodiodes 12 polarisées en direct et les photodiodes 21 et 22 sont fixées sur la même grille de boîtier 30 que l'AO 1. La LED 11 et les photodiodes sont enduites d'une résine translucide. Celle-ci peut être choisie de sorte à favoriser l'éclairement des photodiodes par la LED. 20 Idéalement, la LED et les photodiodes sont positionnées le plus loin possible de l'AO afin d'éviter que ses composants ne soient perturbés par le flux lumineux émis par ladite LED. Eventuellement, une deuxième résine non transparente peut recouvrir l'AO afin de limiter l'éclairement du circuit électronique par ladite LED. 25 Selon un autre mode de réalisation illustré par la figure 8, les photodiodes sont directement implantées dans le circuit électronique de l'AO Ce mode de réalisation offre l'avantage de permettre un appariement optimisé des photodiodes 21 et 22 qui fonctionnent en source de courant. 30 Selon un autre mode de réalisation illustré à la figure 8, les photodiodes sont directement implantées dans le circuit électronique de l'AO et la LED 11 est maintenue au-dessus des photodiodes par l'intermédiaire d'une couche transparente 31. Ce mode de réalisation permet un encombrement moins important du support par rapport aux modes de réalisation précédents. 35 10 En conclusion, les sources auxiliaires de tension décrites ci-dessus permettent un élargissement de la plage de valeurs d'un signal d'entrée pour permettre son traitement -9- de façon linéaire, en n'ajoutant pas de bruit au signal traité. Les sources auxiliaires permettent donc d'améliorer les performances du dispositif électronique, par exemple en permettant à un composant de fonctionner en mode « rail-to-rail » avec aucun bruit ajouté au signal traité.

De même, il est possible grâce à la source auxiliaire de bénéficier d'un dispositif d'asservissement permettant d'alimenter un étage d'un dispositif électronique avec un courant de référence de valeur choisie et quasi constante. Le dispositif d'asservissement optimise également la consommation de la source auxiliaire en fonction de la valeur du courant choisi.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Circuit électronique (1) de type analogique comprenant un premier étage (2) apte à recevoir un signal d'entrée et un deuxième étage (3) apte à délivrer un signal de sortie dépendant du signal d'entrée, le deuxième étage étant alimenté par une source principale de tension, le premier étage étant alimenté par une source auxiliaire de tension (10), la tension (VcB) délivrée par la source auxiliaire de tension étant supérieure à la tension (VAB) délivrée par la source principale de tension, dans lequel la source auxiliaire de tension (10) comporte : - un dispositif d'émission de lumière (11) alimenté par la source principale de tension ; et - un dispositif photoélectrique (12) connecté entre la source principale de tension et le premier étage (2) du circuit, ledit dispositif photoélectrique étant optiquement couplé au dispositif d'émission de lumière (11) pour convertir au moins une partie du flux lumineux (13) émis par ledit dispositif en une tension.
2. 2. Circuit électronique selon la revendication 1, dans lequel le dispositif d'émission de lumière (11) est une diode électroluminescente.
3. 3. Circuit électronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif photoélectrique (12) comprend une photodiode polarisée en direct.
4. 4. Circuit électronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif photoélectrique (12) comporte plusieurs photodiodes polarisées en direct et connectées en série entre la source principale de tension et le premier étage (2).
5. 5. Circuit électronique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel un dispositif d'asservissement (20) commande le dispositif d'émission de lumière (11) en fonction de la valeur de la tension (VcB) délivrée par la source auxiliaire de tension (10).
6. 6. Circuit électronique selon la revendication 5, dans lequel le dispositif d'asservissement (20) comprend : - une première photodiode (21) connectée entre la source auxiliaire de tension (10) et le premier étage (2), polarisée en inverse et optiquement couplée avec le dispositif d'émission de lumière (11) ; et - une seconde photodiode (22) connectée entre la source auxiliaire de tension (10) et ledispositif d'émission de lumière (11), polarisée en inverse et optiquement couplée avec le dispositif d'émission de lumière (11).
7. 7. Circuit électronique selon la revendication 6, dans lequel la première photodiode (21) et la seconde photodiode (22) du circuit d'asservissement ont la même surface et captent le même flux de lumière émis par le dispositif d'émission de lumière (11).
8. 8. Circuit électronique selon la revendication 6, dans lequel la première photodiode (21) et la seconde photodiode (22) ont une surface totale inférieure à la surface totale des photodiodes appartenant au dispositif photoélectrique (12).
9. 9. Circuit électronique selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le dispositif d'asservissement (20) comprend un transistor (24) qui commande le dispositif d'émission de lumière (11) en fonction de la valeur du courant généré par la seconde photodiode (22) éclairée par le dispositif de lumière (11).
10. 10. Circuit électronique selon la revendication 9, dans lequel l'interrupteur statique (24) commande le dispositif d'émission de lumière (11) en fonction de la différence de valeurs entre le courant généré par la seconde photodiode (22) éclairée par le dispositif de lumière (11), et un courant de référence généré par une source de courant (23).