La présente invention concerne la réalisation de circuits échantϋlonneurs-bloqueurs, notamment en technologie bipolaire .

Un échantillonneur -bloqueur est un circuit qui peut recevoir un signal analogique, et fournir un signal de sortie découpé à une fréquence d'échantillonnage F; le signal de sortie est en escalier, chaque marche d'escalier représentant le niveau du signal analogique bloqué pendant une période d'échantillonnage .

Un échantillonneur bloqueur est constitué essentiellement par un interrupteur en série avec une capacité; le signal analogique est appliqué aux bornes de la capacité pendant une première phase d'un signal périodique; la capacité se charge à la valeur de la tension analogique du signal; puis l'interrupteur est ouvert pendant une deuxième phase du signal périodique; la capacité garde alors en mémoire le niveau de tension jusqu'à la fermeture suivante de l'interrupteur, c'est-à-dire jusqu'à la première phase de la période suivante; la période d'échantillonnage est la somme de la durée de fermeture (première phase) et de la durée d'ouverture (deuxième phase) de l'interrupteur.

La capacité est généralement suivie d'un amplificateur suiveur à grande impédance d'entrée qui évite que la capacité ne se décharge pendant la phase d'ouverture de l'interrupteur.

Pour améliorer la précision de l'échantilloneur bloqueur, on prévoit de préférence que le circuit est rebouclé par un amplificateur différentiel selon le schéma classique de la figure 1.

Sur la figure 1, l'echantiUonneur bloqueur comprend donc un amplificateur différentiel AD; une première entrée de l'amplificateur est connectée à l'entrée E de l'echantiUonneur et reçoit donc • un signal analogique à échantillonner; une deuxième entrée de l'amplificateur différentiel est connectée à la sortie S de l'échantϋlonneur-bloqueur . La sortie de l'amplificateur est reUée à une extrémité d'un interrupteur K

reUé par ailleurs à une capacité C et à l'entrée d'un l'amplificateur suiveur AS . La capacité est connectée entre l'interrupteur et une masse électrique (masse par rapport à laqueUe est référencée la tension analogique sur l'entrée E) . L'interrupteur est actionné par un signal logique périodique CLK à la fréquence d'échantillonnage F: U est ouvert pendant une première phase et fermé pendant une deuxième phase à chaque période d'échantillonnage .

Dans la technique antérieure, l'interrupteur est réaUsé selon plusieurs manières possibles . On peut d'abord le réaUser en technologie CMOS ; U est alors constitué de deux transistors en paraUèle, l'un à canal N ^" , l'autre à canal P, commandés respectivement par deux signaux logiques complémentaires à la fréquence F. Cette solution est limitée au domaine des fréquences faibles et moyennes à cause des capacités parasites inhérentes aux technologies MOS . Si en outre on veut que l'echantiUonneur soit précis, U sera préférable que les amplificateurs AD et AS soient réalisés en technologie bipolaire, ce qui impose une technologie hybride (association de circuits -intégrés MOS et de circuits-intègres bipolaires) ou une technologie intégrée mixte MOS/bipolaire (technologie BiCMOS) .

Une autre solution consiste à réaUser l'interrupteur à l'aide de quatre diodes commandées en courant. Le schéma d'échantiUonneur bloqueur correspondant est représenté sur la figure 2. On prévoit deux groupes de deux diodes; les groupes sont en paraUèle; dans chaque groupe U y a deux diodes en série. Les quatre diodes ont le même sens de conduction. L'ensemble des deux groupes en paraUèle est placé entre deux sources de courant SCI et SC2 commandées par le signal d'échantillonnage CLK; l'entrée de l'interrupteur est située au point milieu entre deux diodes en série; la sortie est le point milieu de l'autre groupe de diodes en série. La commande de l'interrrupteur est le signal CLK à fréquence F (fréquence d'échantiUonage) qui commande la conduction simultanée des sources de courant SCI et SC2 pendant une première phase et

l'interruption simultanée de la conduction pendant une deuxième phase .

Lorsque les sources de courant sont en service, les diodes sont conductrices et présentent toutes la même chute de tension à leurs bornes ; les potentiels de l'entrée et de la sortie de l'interrupteur s'équilibrent; U y a bien transmission de la tension de sortie de l'amplificateur différentiel AD vers la capacité . Lorsque les sources de courant sont désactivées, aucun courant ne parcourt les diodes ; l'entrée de l'interrupteur est complètement isolée de sa sortie car on trouve deux diodes tête-bêche en série entre l'entrée et la sortie de l'interrupteur; le potentiel de sortie de l'amplificateur différentiel AD est complètement isolé de la capacité; ceUe-ci ne peut se décharger.

Cette solution pourrait être très bonne pour les applications à grande vitesse car la commutation de courant dans les diodes peut être extrêmement rapide . Mais la précision est conditionnée par l'appariement des diodes; cela tend à imposer une solution en technologie hybride dans laqueUe les diodes sont des éléments discrets (non -intégré s) qui peuvent être appariés à volonté . Une autre difficulté réside dans la nécessité de commuter rigoureusement simultanément les deux sources de courant .

Un but de l'invention est de réaliser un échantiUonneur -bloqueur qui soit à la fois rapide et précis, et qui ne présente pas les inconvénients ou difficultés de réaUsation des technologies antérieures .

Selon l'invention, on propose de réaUser un échantillonneur bloqueur qui comprend un interrupteur pour transmettre à une capacité une tension analogique à échantillonner, cet interrupteur étant constitué par deux diodes en paraUèle tête-bêche, l'echantiUonneur bloqueur comprenant une source d'alimentation en courant des diodes, active lorsque l'interrupteur doit être fermé, et un ampUficateur suiveur commandé, connecté de manière à ramener à une borne du groupe

de diodes une tension sensiblement égale à la tension présente à l'autre borne, cet amplificateur étant actif lorsque l'interrupteur doit être ouvert, l'activation de la source d'alimentation en courant des diodes et de l'ampUficateur suiveur étant commandée par un signal de commande d'échantillonnage .

Le circuit est commandé par un signal à fréquence d'échantillonnage F qui possède un premier état logique servant à rendre active une source de courant débitant dans les diodes, et un deuxième état logique rendant inactive la source de courant et rendant simultanément actif l'ampUficateur suiveur pour établir une tension nulle au quasi-mille aux bornes des diodes. Lorsque la source de courant est active, les diodes alimentées en courant se comportent comme un quasi court-circuit (une des diodes conduit dans un sens, l'autre dans l'autre sens) , à l'exception du fait que les diodes introduisent une chute de tension en direct (tension de coude des diodes) ; on verra que cette chute de tension n'a pas d'importance. Lorsque l'amplificateur suiveur est actif, U est connecté de manière à ramener une différence de potentiel nulle (ou en tout cas inférieure à la tension de coude des diodes) aux bornes du groupe de diodes ; dans ces conditions, les diodes ne peuvent pas conduire de courant; eUes se comportent comme un circuit ouvert isolant la capacité de l'entrée de signal analogique.

Par source d'alimentation en courant, on entend classiquement une source fournissant un courant sous grande impédance de sortie, par opposition à une source de tension qui fournit une tension sous une faible impédance de sortie. En particulier, en technologie bipolaire, les sources de courant sont en général prises sur le coUecteur d'un transistor tandis que les sources de tension sont prises plutôt sur l'émetteur.

On remarquera que les commutateurs à quatre diodes des échantiUonneurs bloqueurs de la technique antérieure ne fonctionnent pas comme cela: Us sont rendus conducteurs par mise en service d'une source de courant et bloqués par

l'interruption du courant, sans annulation de la tension aux bornes des diodes; ici, l'interrupteur est bloqué par l'application d'une tension nuUe aux bornes des diodes .

Dans une réalisation, le circuit échantiUonneur bloqueur selon l'invention comprend un ampUficateur différentiel à sortie en courant pour alimenter les diodes et un amplificateur suiveur de tension pour ramener une tension nulle ou quasi-nuUe aux bornes des diodes . De préférence , ces deux amplificateurs sont alimentés en énergie par une source de courant unique qui peut être commutée de l'un à l'autre par le signal d'échantiUonnage, de sorte que l'un ou l'autre des amplificateurs est activé mais non les deux à la fois .

L'ampUficateur différentiel à sortie en courant pourra comprendre une première entrée constituant l'entrée du circuit échantiUonneur bloqueur (recevant un signal analogique à échantiUonner) , et une deuxième entrée connectée à la sortie de l'echantiUonneur. La sortie de l'ampUficateur différentiel (sortie en courant, c'est-à-dire à grande impédance de sortie, prise de préférence sur le coUecteur d'un transistor de sortie) sera directement connectée à une extrémité du groupe de deux diodes tête-bêche, sans interposition d'un étage de réduction d'impédance de sortie, et notamment sans interposition de ce qu'on appeUe classiquement un étage suiveur de tension. L'autre extrémité du groupe de diodes sera reUée à la capacité . L'amplificateur suiveur de tension sera relié entre la sortie de l'echantiUonneur et la première extrémité du groupe de diodes . Un ampUficateur à grande impédance d'entrée pourra être connecté entre la capacité et la sortie de l'echantiUonneur pour que la capacité ne se décharge pas lorsque la sortie de l'echantiUonneur est eUe-même connectée à une charge .

L'amplificateur suiveur servant à annuler la tension aux bornes des diodes est de préférence un amplificateur différentiel ayant deux entrées et une sortie; une première entrée est reUée à sa sortie (c'est-à-dire aux diodes) ; la deuxième entrée est reUée à la sortie de l'echantiUonneur (de préférence après

l'amplificateur à grande impédance d'entrée, mais pas obUgatoirement) .

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaiUée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 déjà décrite représente un schéma de principe classique d'un échantiUonneur bloqueur de la technique antérieure ;

- la figure 2 représente un schéma de réaUsation de la technique antérieure, utilisant un interrupteur à quatre diodes;

- la figure 3 représente un schéma de l'echantiUonneur bloqieur selon l'invention; la figure 4 représente un exemple de réaUsation détaiUée en technologie bipolaire .

On ne reviendra pas sur les figures 1 et 2 déjà décrites, représentant l'art antérieur.

Sur la figure 3, on a donné aux éléments qui ont la même fonction qu'aux figures 1 et 2 les mêmes références . C'est le cas en particulier pour l'entrée E, la sortie S de l'echantiUonneur, et pour le signal de commande d'échantiUonnage CLK; c'est le cas également pour la capacité C, et pour l'ampUficateur de sortie à grande impédance d'entrée AS qui est connecté entre la capacité et la sortie S .

Un amplificateur de rebouclage AD, à sortie en courant, comporte une première entrée connectée à l'entrée E de l'echantiUonneur et une deuxième entrée connectée à la sortie S de l'echantiUonneur. On peut noter toutefois que cette deuxième entrée pourrait être connectée à l'entrée de l'ampUficateur de sortie AS (c'est-à-dire directement à la capacité C) sans changer le principe de fonctionnement puisque la sortie de l'ampUficateur suiveur AS reproduit la tension à son entrée. La sortie de l'amplificateur AD est connectée à une première borne Bl d'un groupe de deux diodes Dl, D2, tête-bêche en paraUèle.

La deuxième borne B2 du groupe de diodes est reliée à la capacité C .

Le groupe de deux diodes constitue l'interrupteur permettant de transmettre périodiquement à la capacité C, pendant une première phase de chaque période, une tension analogique à échantiUonner, et permettant, pendant une deuxième phase, d'isoler la capacité .

On verra plus loin comment l'interrupteur ainsi constitué est commandé à la fréquence d'échantiUonnage par le signal de commande d'échantiUonnage CLK.

L'ampUficateur différentiel AD est un ampUficateur à sortie en courant, c'est-à-dire que lorsqu'U existe un déséquilibre entre ses entrées U fournit un courant de sortie non nul, ceci quel que soit l'impédance de charge à sa sortie . De cette manière, même si l'impédance présentée par les diodes Dl, D2 en série avec la capacité est élevée, un déséquUibre entre les entrées de AD provoquera un courant de charge ou décharge de la capacité C à travers le groupe de diodes . La diode Dl conduira le courant si c'est une charge, et la diode D2 le fera si c'est une décharge .

L'ampUficateur différentiel AD n'est toutefois rendu actif que pendant la première phase du signal CLK (par exemple pendant le niveau haut de CLK) . Pendant la deuxième phase (niveau bas de CLK) , U sera rendu inactif, c'est-à-dire que quel que soit le déséquUibre entre les entrées de l'ampUficateur, U ne fournira pas de courant de sortie; plus exactement U ne fournira pas de courant d'une manière active en fonction du déséquUibre, et en particuUer U ne se comportera à sa sortie ni comme une source de courant ni comme une source de tension. Dans une variante de réaUsation, on pourrait cependant imaginer une solution dans laqueUe l'ampUficateur différentiel AD est commandé par le signal CLK pour passer alternativement d'une configuration à sortie en courant à une configuration à sortie en tension, à condition toutefois que la configuration à sortie en tension s'accompagne de l'étabUssement de connexions teUes que

sa sortie (borne Bl) fournisse alors une recopie de la tension présente sur la borne B2. Dans ce dernier cas, l'ampUficateur ADl dont on va maintenant parler devient inut e : l'ensemble AD, ADl est remplacé par un ampUficateur unique à deux configurations possibles .

Pour revenir au cas général où une sortie en courant et une sortie en tension sont fournies par deux amplificateurs différentiels AD et ADl, on voit sur la figure 3 que l'ampUficateur ADl est monté en suiveur de tension. Il comporte une première entrée reUée à sa sortie et à la borne Bl, et une deuxième entrée reUée à la sortie S de l'amplificateur de sortie AS (mais eUe pourrait aussi être reUée à l'entrée de l'ampUficateur AS) . La tension de sortie fournie par cet ampUficateur suiveur ADl suit la tension de la borne B2.

L'ampUficateur ADl n'est toutefois activé que pendant la deuxième phase de chaque période d'échantiUonnage. Pendant la première phase. U est rendu inactif, c'est-à-dire que sa sortie ne se comporte ni comme une source de tension ni comme une source de courant.

On a représenté sur la figure 3 une connexion entre l'entrée de signal CLK et l'amplificateur AD, et une connexion avec un inverseur entre l'entrée de signal CLK et l'ampUficateur ADl, pour indiquer la commande d'activation complémentaire de ces amplificateurs à la fréquence F.

Dans la première phase, l'amplificateur AD à sortie en courant fournit un courant dans les diodes et dans la capacité (courant de charge ou de décharge) jusqu'à ce que les potentiels soient équilibrés sur ses deux entrées, c'est à dire jusqu'à ce que la tension de sortie Vs en S (qui est la tension aux bornes de la capacité) soit égale à la tension Ve sur l'entrée E. Pendant ce temps l'amplificateur ADl ne se comporte pas en suiveur de tension et n'impose donc pas sur la borne Bl une tension αéterminée. La capacité prend en mémoire le niveau de tension analogique d'entrée Ve.

Pendant la deuxième phase, l'amplificateur AD ne fournit plus activement de courant et U n'impose donc plus de courant dans les diodes Dl et D2. Mais l'amplificateur ADl impose sur la borne Bl la même tension que sur la borne B2, c'est à dire la tension prise en mémoire par la capcité C. La tension entre les bornes Bl et B2 est alors nuUe ou quasi-nuUe. Ces diodes présentent une impédance très élevée et ne permettent plus de charge ou décharge de la capacité . La tension en sortie S se maintient à la valeur prise en mémoire, ceci jusqu'à l'apparition d'un nouveau signal d'échantiUonnage.

La commutation peut être très rapide et précise, en technologie bipolaire tout particuUèrement . La commutation reste cependant stable, sans risque d'osciUation même à une fréquence élevée, car les diodes n'introduisent pas de pôles dans les fonctions de transfert échantiUonées du circuit.

La figure 4 représente une réaUsation détaiUée en technologie bipolaire; cette réaUsation correspond étroitement à la représentation schématique de la figure 3, mais on verra que les amplificateurs AD et ADl sont en fait imbriqués l'un dans l'autre; Us ont des parties communes.

Sur la figure 4, on a représenté dans un cadre tire té simple ADl (celui qui est activé pendant la deuxième phase ou phase de maintien de la tension aux bornes de la capacité C) . Et on a représenté dans un cadre tireté double l'amplificateur AD (celui qui est activé pendant la première phase ou phase de prise en mémoire de la tension d'entrée) . On voit clairement queUes sont les parties communes aux deux amplificateurs : c'est l'intersection des deux cadres. Ces deux amplificateurs ont des structures très classiques données simplement à titre d'exemple .

L'ampUficateur AD comprend deux branches différentieUes alimentées par une source de courant commune SC à travers un interrupteur d'activation constitué par un transistor TA. Le transistor TA est commandé par le signal d'horloge CLK; U est rendu conducteur pendant la première phase de chaque période d'échantiUonnage. La première branche différentieUe comprend un

premier transistor d'entrée TB en série avec un premier transisotr de charge TC. La deuxième branche différentieUe comprend un deuxième transistor d'entrée T'B en série avec un deuxième transistor de charge T'C. Les transistors d'entrée ont leurs émetteurs reUés à la source de courant SC leur coUecteur est reUé au transsitor de charge respectif; la base du transistor d'entrée TB est reUée à l'entrée E de l'echantiUonneur; la base du transistor d'entrée T'B est reUée à la sortie S de l'echantiUonneur bloqueur. L'ensemble des deux transsitors de charge TC et T'C forme un miroir de courant qui impose que le courant traversant T'C soit identique au courant qui traverse TC; TC est le transsitor pUote, T'C est le transistor de recopie : les bases de TC et T'C sont réunies, les émetteurs sont réunis, et les coUecteurs sont reUés aux coUecteurs des transistors d'entrée respectifs, TB pour TC et T'B pour T'C. Le coUecteur et la base de TC sont reUés (montage en diode) . La sortie de l'amplificateur différentiel AD est prélevée sur les coUecteurs réunis des transistors T'B et T'C de la deuxième branche différentieUe. Cette sortie est reUée à la borne Bl d'entrée de l'interrupteur formé par les diodes Dl et D2.

Lorsque l'ampUficateur AD est activé par la mise en conduction du transistor TA, un courant traverse les deux branches diff érentieUes . Si les tensions à l'entrée E et à la sortie S sont égales, le courant se répartit de manière équiUbrée entre les deux branches diff érentieUes . Si les tensions sont déséquilibrées, alors le courant se répartit de manière déséquiUbrée dans les transistors d'entrée TB et T'B . Mais comme les courants doivent rester identiques dans les transistors de charge TC et T'C montés en miroir de courant, U faut que la différence s'évacue quelque part: un courant de déséquUibre sort nécessairement par la borne Bl qui est la seule voie d'évacuation possible de ce déséquUibre . Ce courant alimente la capacité à travers les diodes Dl ou D2 (selon le sens du déséquUibre) jusqu'à ce que l'équUibre revienne,

c'est-à-dire jusqu'à ce que la tension sur la sortie S soit égale à la tension sur l'entrée E. On accompUt ainsi la phase de prise en mémoire dans la capacité C de la tension présente sur l'entrée de signal E. L'ampUficateur AD est bien un amplificateur à sortie en courant, en ce sens que le déséquUibre des tensions d'entrée se traduit par l'apparition d'un courant à évacuer par la borne de sortie Bl mais pas directement par une tension définie sur la borne Bl . C'est ce qui permet de charger ou décharger la capacité rigoureusement jusqu'à obtenir exactement une même tension en S et en E.

L'ampUficateur ADl est tout-à-fait simUaire à l'amplificateur AD; U a en commun avec lui les éléments SC (source de courant) et les transistors de charge montés en miroir de courant TC et T'C . Il comprend par aiUeurs un autre transistor d'activation TA1 monté entre la source de courant SC et deux branches différentieUe s . Le transistor TA1 est activé à travers un inverseur II par le signal CLK, de sorte que les brancehes différentieUes de l'amplificateur ADl sont alimentées en courant lorsque les branches différentieUes de AD ne le sont pas et réciproquement. Un seul des amplificateurs est mis en service à la fois.

L'amplificateur ADl comprend donc deux branches différentieUes; la première comprend un premier transistor d'entrée TB1 en série avec le transistor de charge TC . La deuxième comprend un deuxième transistor d'entrée TB'l en série avec le transistor de charge T'C. Les émetteurs de TB1 et TB'l sont réunis à la source de courant SC à travers le transistor d'activation TA1. La première entrée différentieUe de l'ampUficateur ADl est la base du transsitor TB1. EUe est reUée à la sortie S de l'echantiUonneur conformément au schéma de la figure 3. La deuxième entrée est la base du transistor TB'l; eUe est reUée au coUecteur de ce même transistor car ce coUecteur constitue la sortie de l'ampUficateur ADl . Comme la sortie de l'amplificateur AD, la sortie de l'amplificateur ADl est reUée à la borne Bl de l'interrrupteur à diodes .

Bien que le montage de l'amplificateur ADl soit très simUaire à celui de l'amplificateur AD, on comprendra qu'U ne fonctionne pas tout-à-fait pareU à cause du rebouclage direct de sa sortie sur sa deuxième entrée différentieUe : cela veut dire que lorsqu'un courant de déséquUibre est produit par suite du déséquUibre entre les tensions présentes en S (première entrée différentieUe) et en Bl (deuxième entrée différentieUe) , ce courant trouve une porte de sortie autre que les diodes Dl et D2 : il est réinjecté immédiatement dans la base du transistor TB'l jusqu'à rétabUssement de l'équilibre. En ce sens, l'ampUficateur ADl fonctionne bien, lorsqu'U est activé, en suiveur de tension maintenant sur sa sortie Bl la même tension que sur son entrée S . Les tensions en Bl et S sont identiques; les tensions en Bl et B2 sont donc aussi identiques; la tension aux bornes des diodes est nuUe ou quasi-nuUe; eUes présentent alors une impédance quasi-infinie empêchant la charge ou la décharge de la capacité. C'est cette impédance très élevée devant l'impédance de sortie de l'ampUficateur ADl qui fait que ADl fonctionne alors en source de tension bien qu'U ait la même constitution générale que l'ampUficateur AD.

On vérifiera aisément que lorsque ADl n'est pas activé, le courant de déséquUibre de l'amplificateur AD ne peut s'évacuer que par les diodes et pas par TB1 ou TB'l, grâce au fait que pendant ce temps le transistor TA1 est complètement bloqué. Réciproquement, lorsque l'amplificateur AD n'est pas activé, les transistors TB et T'B ne perturbent pas le fonctionnement de l'ampUficateur suiveur ADl, car Us ne consomment pas de courant. Un des points très importants de l'invention est sa possibUité de fonctionnement à fréquence très élevée, qui est due largement au fait que les diodes sont attaquées en courant et non pas en tension : dans la fonction de transfert du circuit en phase d'échantiUonnage, les pôles et zéros définissent le comportement en fréquence du circuit et permetent de vérifier la stabUité de fonctionnement; si les diodes sont commandées en tension et non en courant pendant la phase d'échantiUonnage, on

peut constater l'apparition de pôles secondaires gênants pour la stabUité, pôles dont on ne peut compenser l'effet qu'en utiUsant des capacités de compensation réduisant la fréquence de fonctionnement du système . L'attaque en courant pendant la phase d'échantiUonnage, par l'amplificateur AD à forte impédance de sortie (par rapport au système diodes/capacité Dl, D2, C) , permet d'éviter ou de repousser assez loin ces pôles secondaires .

Dans la réaUsation pratique de l'ampUficateur AD, on prévoira en principe que les diodes Dl et D2 sont directement connectées au coUecteur d'un transistor ampUficateur (TB') commandé par une tension base émetteur. Cette sortie prise sur un coUecteur permet alors, corne c'est bien connu, une forte impédance de sortie . Le montage avec deux branches en miroir de courants améliore encore ce fonctionnement en source de courant puisque tout déséquUibre de courant engendré entre les deux branches doit nécessairement s'évacuer par les diodes Dl ou D2. Mais bien entendu cela suppose qu'on n'interpose pas d'autre étage à faible impédance de sortie entre l'étage différentiel AD et les diodes Dl et D2.