FR2490042A1 - Dispositif de commutation analogique electronique - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF DE COMMUTATION ANALOGIQUE ELECTRONIQUE COMPORTANT UN AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL 1 AVEC UN CIRCUIT DE REACTION ENTRE SA SORTIE 2 ET SON ENTREE INVERSEUSE (-). LA SORTIE 2 DE L'AMPLIFICATEUR 1 EST CONNECTEE A LA SORTIE 4 DU DISPOSITIF PAR UN PREMIER INTERRUPTEUR 5. LE CIRCUIT DE REACTION A DEUX TRAJETS, L'UN A TRAVERS UNE IMPEDANCE DE REACTION 9 ET L'AUTRE A TRAVERS LE PREMIER INTERRUPTEUR 5 ET UN SECOND INTERRUPTEUR 8 ACTIONNE EN SYNCHRONISME AVEC LE PREMIER INTERRUPTEUR 5 A L'AIDE DE MOYENS DE COMMANDE 6. LE SIGNAL A LA SORTIE 4 DU DISPOSITIF PEUT ETRE EMMAGASINE DANS UN CONDENSATEUR 7. APPLICATION: CIRCUITS D'ECHANTILLONNAGE ET DE MAINTIEN.

Description

"Dispositif de commutation analogique électronique" La présente invention

concerne un dispositif

de commutation analogique électronique comprenant une bor-

ne d'entrée, une borne de sortie, un amplificateur de ten-

sion différentiel comportant une entrée inverseuse, une

entrée non inverseuse et une sortie, un premier interrup-

teur à fermeture-ouverture connecté entre la sortie de

l'amplificateur et la borne de sortie, un circuit de réac-

tion allant de la sortie de l'amplificateur à son entrée inverseuse, et un dispositif de commande pour commander

le.j états de fermeture et d'ouverture du premier interrup-

teur, la borne d'entrée étant connectée à l'entrée non

inverseuse de l'amplificateur.

Un tel dispositif est bien connu et est utili-

sé, par exemple, comme interrupteur analogique d'un circuit d'échantillonnage et de maintien dans lequel un signal de tension analogique est échantillonné à des instants réguliers et la tension échantillonnée à chaque instant

est stockée entre des instants successifs dans un conden-

sateur connecté à la borne de sortie du dispositif. L'im-

pédance présentée au signal de tension par le circuit d'é-

chantillonnage et de maintien doit évidemment être élevée par rapport à celle de la source de signaux et doit aussi être constante. Par ailleurs, l'impédance de la source qui fournit l'échantillon de tension au condensateur de stockage doit être aussi basse que possible pour assurer une charge très rapide du condensateur. Pour ces raisons, la source de tension de signal est connectée à demeure

à un amplificateur opérationnel, c'est-à-dire à un ampli-

-ficateur à courant continu stable à haut gain qui présen-

te une impédance d'entrée élevée et une impédance de sor-

tie faible, et la sortie de l'amplificateur est commutée aux instants d'échantillonnage sur le condensateur. Pour que la tension échantillonnée par l'interrupteur soit la même que celle provenant de la source de signaux à cet

instant, le gain de l'amplificateur opérationnel est ren-

du égal à l'unité à l'intervention d'un amplificateur dif-

férentiel comportant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse, ainsi qu'un trajet de réaction allant de sa sortie à son entrée inverseuse, le signal d'entrée 4tant

fourni à son entrée non inverseuse.

Dans le dispositif de commutation analogique connu du type décrit plus haut, il faut non seulement que l'amplificateur ait une basse impédance de sortie, mais

aussi que l'interrupteur ait une impédance d'état de "fer-

meture ou de conduction" très basse pour réduire au muinimum l'effet de toute charge de sortie (comme le condensateur dans le ciivfu! Jden tiilunage et de maintien précit)

sur le fonctionnement du dispositif.. Dans un circuit d'é-

chantillonnage et de maintien, le condensateur est normale-

t5 ment Suvi di'un autre amplificateur tampon à haute impédan-

ce et il est important de réduire au minimum les fuites dans le dispositif de commutation, par exemple de réduire au minimum toute décharge du condensateur entre des instants d'échantillonnage. On peut réduire l'effet de fuite en utilisant une valeur de condensateur élevée, mais, dans ce cas, pour un temps de charge donné du condensateur,

l'impédance série de l'interrupteur dans l'état de "ferme-

ture" (son impédance de "conduction") et l'impédance de

sortie de l'amplifieateur opérationnel doivent être choi-

sies proportionnellement plus basses. Dans le cas d'un

circuit intégré, ceci signifie que l'aire occupée par l'in-

terrupteur et l'amplificateur devrait être relativement grande ce qui représente un inconvénient considérable non

seulement quant aux dimensions, mais aussi quant au coût.

De plus, l'augmentation de l'aire occupée par l'interrup-

teur entraîne des fuites accrues et, par conséquent, un

rendement diminué du circuit.

Il est également possible qu'une variation de

tension transitoire soit produite au moment de la fermetu-

re de l'interrupteur. De plus, dans certaines circonstan-

ces, de la diaphonie ou un couplage parasite entre les

deux entrées (inverseuse et non inverseuse) de l'amplifi-

cateur opérationnel peut se produire en pratique.

Les circonstances qui mènent ou peuvent mener aux inconvénients mentionnés plus haut sont expliquées

ci-après avec plus de détails.

L'invention a pour but au moins d'atténuer ces inconvénients. Cela étant, l'invention procure un dispositif

de commutation analogique électronique comprenant une bor-

ne d'entrée, une borne de sortie, un amplificateur de ten-

sion différentiel comportant une entrée inverseuse, une

entrée non inverseuse et une sortie, un premier interrup-

teur à fermeture-ouverture connecté entre la sortie de

l'amplificateur et la borne de sortie, un circuit de réac-

tion allant de la sortie de l'amplificateur à son entrée inverseuse, et un dispositif de commande pour commander

les états de fermeture et d'ouverture du premier interrup-

teur, la borne d'entrée étant connectée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur, caractérisé en ce que le circuit de réaction comprend un premier trajet de réaction connecté directement entre la sortie de l'amplificateur et son entrée inverseuse et un deuxième trajet de réaction comprenant un deuxième interrupteur de fermeture-ouverture connecté directement entre l'entrée inverseuse et la borne de sortie, ce deuxième interrupteur pouvant être commandé par le dispositif de commande de telle sorte qu'il soit

fermé et ouvert en synchronisme et en phase avec le pre-

mier interrupteur, le premier trajet de réaction ayant une impédance qui, dans l'état de "fermeture" des deux interrupteurs, est élevée par rapport aux impédances de "conduction" combinées des deux interrupteurs et qui, dans l'état "d'ouverture" des deux interrupteurs, est faible

par rapport à l'impédance de "non conduction" du deuxiè-

me interrupteur et à l'impédance d'entrée de l'entrée in-

verseuse de l'amplificateur.

Le premier trajet de réaction comprend une seu-

le résistance ayant une valeur fixe. Cela signifie que la valeur choisie pour la résistance est un compromis par

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rapport aux valeurs des diverses autres impédances en ques-

tion. On peut éliminer le besoin d'un tel compromis en faisant varier l'impédance du premier trajet de réaction suivant que le premier et le deuxième interrupteur sont

tous deux dans l'état de "fermeture" ou dans l'état "d'ou-

verture". Cela étant, le premier trajet de réaction peut

comprendre, en variante, un troisième interrupteur à fer-

meture-ouverture pouvant être commandé par le dispositif de commande de telle sorte qu'il soit fermé lorsque les

deux autres interrupteurs sont ouverts et inversement.

L'impédance du premier trajet de réaction est commutée de cette façon d'une valeur à une autre au moment même

o le premier et le deuxième interrupteur changent d'état.

Les diverses particularités et les divers avan-

tagesde l'invention ressortiront de la description sui-

vante d'un circuit connu et de la description de plusieurs

formes d'exécution de l'invention donnée ci-après à titre d'exemple, avec référence au dessin annexé dans lequel:

- la figure 1 est un schéma électrique du cir-

cuit connu décrit plus haut;

- la figure 2 illustre une version perfection-

née du circuit représenté sur la figure 1;

- la figure 3 illustre une version perfection-

née du circuit représenté sur la figure 2;

- la figure 4 illustre une première formed'exé-

cution d'un dispositif conforme à l'invention, et

- la figure 5 illustre une deuxième formed'exè-

cution d'un dispositif conforme à l'invention.

Le circuit connu d'un dispositif de commutation analogique électronique représenté sur la figure 1 comprend un amplificateur opérationnel différentiel 1 comportant une entrée inverseuse (-), une entrée non inverseuse (+) et une sortie 2. Une borne d'entrée 3 du dispositif est connectée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 1

et la sortie 2 est connectée directement à l'entrée inver-

seuse par un circuit de réaction. La sortie 2 est aussi

connectée à une borne de sortie 4 du dispositif par l'in-

termédiaire d'un interrupteur à fermeture-ouverture 5 dont

l'état instantané est commandé par le dispositif de comman-

de 6. Le circuit représenté sur la figure 1 illustre, en outre, un condensateur de charge 7 connecté à la borne de sortie 4 du dispositif de telle sorte que le circuit

complet constitue un circuit d'échantillonnage et de main-

tien.

On sait que des amplificateurs de tension diffé-

rentiels du type dit amplificateurs opérationnels ont unG impédance d'entrée très élevée pour chacune de leurs

deux entrées (+) et (-) et une impédance de sortie faible.

La connexion de la sortie 2 d'un tel amplificateur à son entrée inverseuse (-) par un circuit de réaction rend le gain de l'amplificateur égal à l'unité. Cela étant, la

tension de sortie de l'amplificateur a la même valeur ins-

tantanée que la tension d'entrée, c'est-à-dire qu'il s'agit

d'un circuit suiveur à gain unitaire.

Pendant le fonctionnement du circuit représenté sur la figure 1, la tension à la sortie 2 qui est la même que celle présente à l'entrée, est commutée vers la borne de sortie 4 par l'actionnement de l'interrupteur 5 par un dispositif de commande 6 aux instants déterminés par celui-ci. La durée de l'actionnement de l'interrupteur dans son état de fermeture est suffisante pour permettre

au condensateur 7 de se charger jusqu'à une valeur repré-

sentative de la tension échantillonnée. Le temps mis pour charger le condensateur 7 dépend en substance de la valeur

de capacité multipliée par la somme de l'impédance de "con-

duction" de l'interrupteur 5 plus l'impédance de sortie de l'amplificateur 1. Cela étant, ces deux impédances doivent être très basses pour permettre un échantillonnage et un stockage rapides de la tension de signal. Lorsque l'interrupteur 5 est amené dans son état d'ouverture par

le dispositif de commande 6, le condensateur 7 doit mainte-

nir la tension échantillonnée en substance constante, d'une

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manière générale jusqu'à l'actionnement suivant de l'inter-

rupteur 5, et les fuites dans le condensateur doivent être

minimales. L'interrupteur 5 doit donc avoir une très gran-

de impédance de fuite dans son état d'ouverture. L'inter-

rupteur 5 est un transistor dans la plupart des applications

modernes et la nécessité de fuites faibles exige un transis-

tor de petite superficie. Cependant, ceci est en contradic-

tion avec l'impédance de conduction très basse du transis-

tor qui exige une superficie plus étendue.

La figure 2 représente un perfectionnement pos-

sible du circuit de la figure 1, la seule différence rési-

dant dans lu tout que la t1,cjt de réaction comprond mains tenant l'interrupteur 5, diminuant ainsi l'impédance de "conduction" du gain de réaction de l'amplificateur. On peut don_ utiliser un transistor beaucoup plus petit pour

l'interrupteur 5, pour la même constante de temps de char-

ge du condensateur 7, et le recours à un transistor plus

petit diminue les fuites.

Cependant, si un échelon de variation trop im-

portant se présente dans la tension du signal d'entrée, l'amplificateur est temporairement saturé et ceci limite

la vitesse à laquelle la tension du condensateur peut sui-

vre la tension d'entrée tandis que l'interrupteur 5 est dans son état de fermeture. Lorsque l'interrupteur 5 est dans son état d'ouverture, la tension à la sortie 2 de l'amplificateur risque également de se saturer, dans un

sens positif ou dans un sens négatif, si une faible varia-

tion de la tension du signal d'entrée se produit parce que le trajet de réaction de l'amplificateur (qui limite son gain à l'unité) est déconnecté. Ceci signifie qu'au

moment o l'interrupteur 5 est à nouveau commuté sur ferme-

ture, une importante différence de tension instantanée se produit entre la tension à la borne 3 et la tension à la sortie 2. Ceci provoque une variation transitoire

indésirable de la tension à la borne 4. Un autre incon-

vénient pratique est que de la diaphonie ou un couplage parasite peut se produire dans les étages d'entrée de - 249 O tê2 7,

l'amplificateur entre les deux signaux d'entrée qui y par-

viennent. Cette dernière difficulté peut être évitée par

le circuit représenté sur la figure 3 dans lequel un deu-

xième interrupteur 8 est incorporé au trajet de réaction de l'amplificateur. L'interrupteur 8 est actionné par

le dispositif de commande 6 en synchronisme avec l'inter-

rupteur 5 de telle sorte qu'ils se ferment et s'ouvrent ensemble, c'est-àdire qu'ils fonctionnent en phase. Ceci

évite les difficultés de diaphonie sans affecter le rende-

ment dans l'état de fermeture des deux interrupteurs.

Cependant, le circuit de réaction est à nouveau déconnec-

té et la difficulté due à la tension transitoire subsiste donc. Tous les inconvénients mentionnés plus haut sont au moins très nettement atténués par un dispositif conforme à l'invention dont une première forme d'exécution est représentée sur la figure 4. Le circuit de réaction pour l'amplificateur 1 comprend maintenant deux trajets de réaction, à savoir un premier trajet comprenant une résistance 9 et un deuxième trajet comprenant les deux

interrupteurs 5 et 8. Comme la réaction pour l'amplifica-

teur 1 est maintenue par la résistance 9 lorsque les deux

interrupteurs 5 et 8 sont ouverts, les variations de ten-

sion transitoires mentionnées plus haut ne peuvent pas

se produire.

La valeur de la résistance 9 doit être faible comparée à l'impédance d'entrée de l'entrée inverseuse de l'amplificateur 1 de telle sorte que la résistance n'ait

qu'un effet négligeable sur le niveau du signal de réac-

tion lorsque les interrupteurs 5 et 8 sont ouverts. Elle

doit aussi avoir une valeur faible par rapport à l'impédan-

ce de "non conduction" au moins du deuxième interrupteur 8.

La raison de ceci est que, si l'on suppose que l'interrup-,

teur 8 a une impédance de "conduction" finie, il se produi-

ra vers l'entrée inverseuse de l'amplificateur 1, une réac-

tion proportionnée à toute tension existant sur la charge,

par exemple la tension stockée dans le condensateur 7.

On rend cette réaction indésirable négligeable comparée

à la tension de réaction souhaitée de la sortie 2 de l'am-

plificateur 1 lorsque les interrupteurs 5 et 8 se trouvent dans l'état non conduction, en rendant la valeur de la résistance 9 peu élevée comparée à l'impédance de "non

conduction" de l'interrupteur 8.

La valeur de résistance 9 doit, en outre, être

élevée par rapport aux résistances de "conduction" combi-

nées des interrupteurs 5 et 8 afin que la réaction appli-

quée à l'amplificateur 1 dans l'état de fermeture ou de conduction des interrpteurs soit effectuée en substance complètement par l'intermédiaire des interrupteurs. Ceci est nécessaire pour assurer que l'impédance de "conduction" de l'interrupteur 5 soit effectivement réduite d'un facteur

égal au gain de réaction.

Pour réaliser des impédances d'entrée d'amplifi-

cateur très élevées, on utilise habituellement des transis-

tors à effet de champ pour le circuit d'amplificateur et dans ce cas les impédances d'entrée sont normalement de

108 à 109 ohms. De même, si de tels transistors sont uti-

lisés pour les interrupteurs 5 et 8, leurs impédances de

"non conduction" sont normalement dans le même intervalle.

Dans une forme d'exécution pratique de circuit intégré, les impédances de"conduction" dynamiques des interrupteurs et 8 sont d'environ 5000 ohms. La valeur de résistance optimum pour la résistance 9 doit donc approximativement se situer à mi-distance entre 103 et 108 ohms, par exemple

entre 105 et 106 ohms.

Une forme d'exécution préférée du dispositif conforme à l'invention est représentée sur la figure 5 dans laquelle la résistance 9 de la figure 4 est remplacée

par une impédance ayant la forme d'un troisième interrup-

teur 10. L'interrupteur 10 est actionné par le dispositif

de commande 6 de manière qu'il soit dans l'état de "conduc-

tion" chaque fois que les interrupteurs 5 et 8 se trouvent

dans l'état de "non conduction" et inversement.

Le dispositif de commande 6 des figures 1 à

4 peut, par exemple, être un générateur d'impulsions d'hor-

loge qui produit des impulsions de la période d'échantillon-

nage requise ayant une amplitude égale à la tension d'ali-

mentation complète, par exemple de 10 volts. Ces impul-

sions peuvent, par exemple, être fournies par la sortie Q d'un multivibrateur ou par une bascule entraînée par des impulsions d'horloge. Le circuit de commande 16 de

la figure 5 peut également comporter une sortie d'impul-

sions Q et, dans ce cas, les impulsions de commande pour l'interrupteur 10 proviennent de la sortie Q. En variante, les impulsions de commande appliquées aux interrupteurs et 8 peuvent être fournies à l'interrupteur 10 par l'in-

termédiaire d'un circuit-porte inverseur.

L'impédance de l'interrupteur 10 a donc une valeur lorsque les interrupteurs 5 et 8 sont fermés et

une valeur différente lorsqu'ils sont ouverts. Si l'inter-

rupteur 10 est d'une manière générale, semblable aux in-

terrupteurs 5 et 8 décrits plus haut, son impédance de fermeture ou de conduction" (5000 ohms) est très sensiblew ment inférieure à l'impédance de l'entrée inverseuse de l'amplificateur et à l'impédance de "non conduction" de

l'interrupteur 8 (108 ohms dans chaque cas) et son impé-

dance de "non conduction" (108 ohms) est très sensiblement supérieure aux impédances de fermeture ou de "conduction"

combinées (103 ohms) des interrupteurs 5 et 8.

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Claims (3)

REVENDICATIONS:

1. Dispositif de commutation analogique électroni-

que comportant une borne d'entrée (3), une borne de sortie

(4), un amplificateur de tension différentiel (1) compor-

tant une entrée inverseuse (-), une entrée non inverseuse

(+) et une sortie (2), un premier interrupteur à fermeture-

ouverture (5) connecté entre la sortie (2) de l'amplifica-

teur (1) et la borne de sortie (4), un circuit de réaction

allant de la sortie de l'amplificateur à son entrée inver-

seuse (-) et un dispositif de commande (6) pour commander

les états de fermeture et d'ouverture du premier interrup-

teur (5), la borne d'entrée (3) étant connectée à l'entrée non invergl-le (+) de l'emplificateur (1), caractérisé en ce que ie circuit de réaction comprend un premier trajet de

réaction connecté directement entre la sortie (2) de l'am-

plificateur (1) et son entrée inverseuse (-) et un deuxième trajet de réaction comprenant un deuxième interrupteur de fermeture-ouverture (8) connecté directement entre l'entrée

inverseuse (-) et la borne de sortie (4), ce deuxième in-

terrupteur (8) pouvant être commandé par le dispositif de commande (6) de telle sorte qu'il soit formé et ouvert en synchronisme et en phase avec le premier interrupteur (5), le premier trajet de réaction ayant une impédance (9) qui, dans l'état de "fermeture" des deux interrupteurs (5,8) , est élevée par rapport aux impédances de "conduction" combinées

des deux interrupteur (5, 8) et qui, dans l'état "d'ouver-

ture" des deux interrupteurs (5, 8), est faible par rapport à l'impédance de "non conduction" du deuxième interrupteur (8) et à l'impédance d'entrée de l'entrée inverseuse (-) de

l'amplificateur (1).

2. Dispositif de commutation analogique électroni-

que suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier trajet de réaction comprend une résistance (9) ayant

une valeur fixe.

3. Dispositif de commutation analogique électroni-

que suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le

premier trajet de réaction comprend un troisième interrup-

teur à fermeture-ouverture (10) pouvant être commandé par le dispositif de commande (6) de telle sorte qu'il soit fermé lorsque les deux autres interrupteurs (5, 8) sont

ouverts et inversement.