Nouvelle approche de developpement et conception d'un circuit de mesure de faible courant

NOUVELLE APPROCHE DE

DEVELOPPEMENT ET CONCEPTION D'UN

CIRCUIT DE MESURE DE FAIBLE COURANT

présenté par:

PANCHA Yannick Hertz
Licencié en Physique

Sous la Direction:
WEMBE Tafo Evariste
Maitre de Conférences
UNIVERSITÉ DE DOUALA

Année: Mars 2019

Dédicace

A mes parents MBOUANDI Martin et LEMGO Emilienne

Ce n'est pas ce que nous sommes qui nous empêche de réaliser nos rêves; c'est ce que nous croyons que nous ne sommes pas

ii

Paul Emile Victor, ..

iii

Remerciements

-- Au Dieu Tout-Puissant, je rends grâce pour le souffle de vie et la force nécessaire pour réaliser ce travail.

-- Une profonde gratitude au Pr. WEMBE TAFO Evariste, mon encadreur, pour sa dis-

ponibilité, sa rigueur et surtout sa personnalité, facteur motivant à aller plus loin. -- Mes sincères remerciements au Pr. ESSIMBI ZOBO Bernard, responsable du Labora-

toire d'Energie, des Systèmes Eléctriques et Eléctroniques.

-- Aux membres du jury.

-- Mes remerciement au Pr. NDJAKA Jean Marie chef de département de physique.

-- Je tiens à remercier le corps d'enseignant du laboratoire d'électronique pour leurs enseignements de qualité dispensés au cours de l'année.

-- A mes soeurs Gaelle PEGHUE, PEKURE belgerete, Stephanie SONKENG, POUN-TOUGNIGNI Gloria, et à tous les membre de ma famille merci pour leurs encouragements.

-- A ma tante MEFIRE Rose, mon oncle NJOYA Calvin, et ceux que j'ai pas mentionne merci pour leurs encouragements et motivations à finir ce travail.

-- Remerciement à mon ainé académique Jérome FOLLA KAMDEM pour son soutien dans

mes recherches. Je tiens également a remercier DEFO Junior pour son aide apporté. -- Remerciements à tous mes camarades de promotion pour la collaboration, particulière-

ment à TOHOU NGANDA, Merlin YONTA .

-- Merci aussi et surtout à tous ceux qui de près ou de loin ont contribué à l'achèvement de ce travail.

iv

Table des matières

Dédicace i

Remerciements iii

Table des matières vi

Table des figures viii

Liste des tableaux ix

Résumé x

Abstract xi

Nomenclature xi

Introduction générale 1

1 Géneralité sur la chaine de mesure 3

1.1 Introduction 3

1.2 Structure d'une chaine de mesure 3

1.3 Le capteur 4

1.3.1 Constitution d'un capteur 5

1.3.2 Différents types des capteurs 5

1.3.3 Caractéristique des capteurs 8

1.3.4 Classification des capteurs 9

1.4 Le conditionneur 11

1.4.1 Amplification 12

1.4.2 Filtre anti repliement 12

TABLE DES MATIÈRES v

Mémoire de Master of Sciences en Physique option Electronique, UY1

@PANCHA Y. Hertz

1.4.3 Echantilloneur bloqueur 12

1.4.4 Convertisseur analogique-numérique (CAN) 13

1.5 Traitement de données, exploitation et/ou visualisation 14

1.6 Conclusion 15

2 Modélisation classique des élements de la chaine de mesure de faibles cou-

rants 16

	2.1 2.2 2.3	Introduction Adaptation du signal 2.2.1 Convertisseur charges-tension ou préamplificateur de charge 2.2.2 Convertisseur courant-tension 2.2.3 Amplificateur d'instrumentation [15, 16] Filtrage	16 16 17 18 19 22
		2.3.1 Filtre passe bas	22
		2.3.2 Filtre passe haut	23
		2.3.3 Filtre passe bande	24
	2.4	Circuit de mémorisation	25
		2.4.1 L'échantillonneur bloqueur E/B	25
		2.4.2 Intégrateur à déclenchement périodique (Gated Integrator)	26
	2.5	Grandeurs d'influences dans une chaine de mesure	27
		2.5.1 Tension d'offset	27
		2.5.2 Charges d'injections et phénomène de clock-feedthrough	28
		2.5.3 Bruits dans les systèmes en électronique	30
	2.6	Régimes de fonctionnement du MOSFET et utilisation en commutation . . . .	33
		2.6.1 Régimes de fonctionnement du MOSFET	33
		2.6.2 Fonctionnement en commutation	34
	2.7	Conclusion	36
3	Simulations, résultats et discussion		37
	3.1	Introduction	37
	3.2	Étude du préamplificateur de courant	37
		3.2.1 Nouveau préamplificateur de courant	38
		3.2.2 Mise en évidence du bruit en sortie du préamplificateur	41
		3.2.3 Préamplificateur de courant implémenté en transistor MOS	41
	3.3	Utilisation de l'amplificateur d'instrumentation	42
		3.3.1 Calcul de la tension d'offset en sortie	43
		3.3.2 Correction : utilisation du symétriseur	45
	3.4	Filtre anti-repliement : le Pulse Shaper	46

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option Electronique, UY1

vi

3.5 Simulations et résultats 49

3.5.1 Courbe en sortie du circuit 49

3.5.2 Linéarité du circuit 49

3.6 Design et structure finale de la chaine 52

3.7 Discussions 53

3.8 Conclusion 54

Conclusion générale et perspectives 55

Bibliographie 60

vii

Table des figures

1.1 Chaine de mesure compléte [4] 4

1.2 Principe d'un capteur [7] 5

1.3 schéma du détecteur a scintillation [8] 6

1.4 Principe d'un détecteur à ionisation [8] 8

1.5 Différents phénomènes physique entrant en jeux [10] 11

1.6 Symbole d'un E/B 13

1.7 Codage des signaux [11] 14

2.1 Schéma de principe du préamplificateur de charges 17

2.2 Préamplificateur de courant 18

2.3 Schéma de principe d'un amplificateur d'instrumentation [15] 19

2.4 Modèle à 01 amplificateur opérationnel 20

2.5 Modèle à 02 AOP 21

2.6 Amplificateur d'instrumentation : structure a trois AOP 21

2.7 Filtre passe bas actif du premier ordre (a)-actif 23

2.8 Filtre passe haut actif du premier ordre 23

2.9 Filtre passe bande actif 24

2.10 (a)-Principe d'un E/B élémentaire; (b)- Allure du signal de sorti durant les

phase d'échantillonnage et Blocage [17] 26

2.11 Principe de l'intégrateur a déclanchement périodique 27

2.12 Principe de mesure de la tension d'offset 28

2.13 Effet des charges d'injections [19] 29

2.14 Mise en évidence des capacité de recouvrement [19] 30

2.15 Bruit de grenaille d'une diode a jonction no polarisé [21] 30

2.16 Bruit 1/f en fonction de la longueur du canal [22] 32

2.17 Réseau de caractéristique du transistor MOS [23] 33

TABLE DES FIGURES viii

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2.18 (a)-E/B simple; (b)-implémentation avec transistor 35

2.19 Signal en sortie de l'E/B simple pour un signal sinusoïdale 36

3.1 Préamplificateur de courant 38

3.2 Sortie du préamplificateur pour un courant inferieure au nano Ampère . . . 38

3.3 Préamplificateur utilisant un MOSFET en rétroaction 39

3.4 Modèle équivalent du capteur avec générateur de Thevenin 39

3.5 Tension en sortie du nouveau preamplificteur de courant pour un courant de 1nA 40

3.6 Implémentation du circuit en MOSFET 42

3.7 Chaine d'amplification avec différentiateur 43

3.8 Courbe en sortie étage amplificateur 43

3.9 Configuration des tension 44

3.10 Principe du symetriseur 45

3.11 Symétriseur générant une tension opposé à 2Voff 45

3.12 Sortie corrigé de l'étage préamplificateur + différentiateur 46

3.13 Design du filtre Pulse Shaper (PS) d'ordre 3 47

3.14 Forme gaussienne en sortie pour une impulsion 48

3.15 Diagramme de bode: (a)-Gain; (b)-Phase 49

3.16 Courbe obtenue en sortie pour un pulse de courant de 100pA d'amplitude . 49

3.17 Caractéristique intensité tension du circuit 50

3.18 Zones de fonctionnements du circuit de mesure proposé 51

3.19 Schéma bloc du circuit de mesure 52

3.20 (a)-Sortie pour un pulse de courant; (b)-Sortie pour un courant exponentiel;

(c)-Sortie pour un coourant lineaire par morceau; (d)- Sortie pour un courant

sinusoidale 53

ix

Liste des tableaux

1.1 principes physiques des capteurs passifs 10

1.2 Principes physiques des capteurs actifs 10

3.1 tableau des valeurs 50

3.2 Tableau des composants mis en jeu 52

x

Résumé

Ce travail de mémoire porte sur le développement d'un circuit de mesure pour faibles courants. Le circuit est constitué de trois étages dont le premier est le préamplificateur de courant, le second sous circuit un amplificateur d'instrumentation suivie d'un pulse shaper. L'approche utilisée consiste à faire une rétroaction négative sur le préamplificateur de courant avec un transistor MOS commandé en tension sur sa grille. Un AI de gain 20dB est applique pour la réduction du bruit blanc. Le PS d'ordre trois (03) est associé pour limiter le spectre de fréquence admis. Ceci permet de linéariser le circuit avec une pente de -22.22% sur sa zone de fonctionnement. On parvient donc à lire les courant de l'ordre du picoampère avec une mesure minimale de 1pA. les simulations sont éffectuées sur les logiciels Proteus et MATLAB.

Mots clés : Faible courant, Mesure, Linéaire, Proteus.

xi

Abstract

This work focuses on the development and design of a measurement circuit for low currents. Installation consists of three stages where the first is the current preamplifier, the second is an instrument amplifier followed by a pulse shaper. The approach used is to give negative feedback on the current preamplifier with a voltage-controlled MOS transistor on its gate. This evenly allows for better resolution than conventionnal structure with feedback resistance. A 20 decibels amplifier is applied to reduce white noise from the previous stage. A three ordre pulse shaper is used to limit the frequence spectrum allowed by the measurement system. This allows the linearization of the circuit whith a -22.22% slope over its linear operating zone. So, we can read currents of the picoampère order with a minimum of 1pA. Simulations are performed on Proteus and MATLAB software.

Keywords : Low current, Measure, Linear, Proteus

xii

Nomenclature

CAN : Convertisseur Analogique Numérique

CNA : Convertisseur Numérique Analogique

AOP : Amplificateur Opérationnel

AI : Amplificateur d'Instrumentation

CI : Circuit Intégré

TOR: Tout Ou Rien

CPM : Channel Photo Multiplier

E/B : Échantillonneur Bloqueur

PS : Pulse Shaper

TRMC : Taux de Réjection en Mode Commun

BP : :Bande Passante

SNR : Signal Noise Report

VGS : tension Grille-Source

VTH : tension de seuil

VDS : tension Drain-Source

1

Introduction générale

Depuis la nuit des temps, l'Homme ne peut se dispenser de quantifier des phénomènes qui l'intrigue, que ce soit dans le domaine des sciences naturelles ou des sciences empiriques. C'est dans ce même sens que Paul Valery affirme « Ce monde est pénétré des applications de la mesure; toute connaissance non mesurable est frappée d'un jugement de dépréciation. Le nom de science se refuse de plus en plus à tout savoir intraduisible en chiffre ». Dans les sciences techniques, les systèmes de mesure des grandeurs diverses tels que les distances, les volumes, les forces, les tensions électriques, les courants électriques, les puissances électrique ou mécanique, pour ne citer que celles-ci, quel que soit leur ordre de grandeurs ont vus le jour au fil des années. Par ailleurs, pour tous ces systèmes il faut s'assurer de la justesse des résultats. Les domaines tels que la médecine, l'astronomie, la spectroscopie ont des exigences formelles en ce qui concerne les systèmes de mesure intégrés, plus précisément la mesure des flux de courants électriques.

Dans les domaines médicaux, les membranes biologiques ayant des propriétés électriques mal connu jusqu'à aujourd'hui, en raison de leurs sensibilités élevées pour la détection des agents pathogènes [1], la mesure des courants biologiques avec très grande précision, bien que très faible peuvent permettre de mieux appréhender le comportement des cellules et par conséquent mieux diagnostiquer les maladies.

Dans le domaine de l'astronomie, la course à la conquête spatiale qui connait une évolution soutenue tant sur le plan électronique que informatique ont poussées les scientifiques à développer des instruments de mesure permettant de lire des énergies aussi faibles que possible [2]. Avec le développement de la physique des faisceaux de particules radioactives, les particules lourdement chargées sont utilisées en médecine thérapeutique pour le traitement des tumeurs inopérables [3]. Pour ce faire les circuits avec hautes résolution ont été développés afin de contrôler et mesurer les faisceaux de particules créant des faibles courants.

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option Electronique, UY1

2

C'est dans cette optique que s'inscrit ce mémoire dont l'objet est de concevoir le début d'une chaine de lecture constitué du capteur, du conditionneur et la partie visualisation. Le circuit de front d'une chaine de mesure est entachée d'erreurs et des grandeurs parasites qu'il faudrait éliminer, car elle est la principale garante d'une bonne lecture. Une particularité des circuits de traitement des courant d'amplitudes faibles est que ce courant est facilement influençable par les imperfections préexistantes des circuits électroniques (bruits, offset, charges d'injections etc...) faussant ainsi la mesure. Par conséquent leur élimination est le défi majeur á relever.

Notre travail qui porte sur le thème « Nouvelle approche de développement et conception d'un circuit de mesure de faibles courant » sera structuré en trois chapitre comme suit :

-- Le chapitre un « Généralité sur la chaine de mesure » sera consacrer à la chaine de mesure dans sa globalité. Nous développerons la structure générale d'une chaine de mesure

-- Le deuxième chapitre intitule « Modélisation classique des éléments de la chaine de mesure de courants » traitera les différents modèles de chaque étages d'une chaine de mesure fréquemment utilisé pour la mesure, ensuite les différents types d'éléments parasites qui peuvent perturber notre lecture et sera clôturé par le comportement des transistors de type MOS et leurs régimes de fonctionnement.

-- Le chapitre trois, « Simulations, résultats et discussions » où nous détaillerons le fonctionnement des différents éléments conçus de notre circuit de mesure de faibles courants, le résultat des simulations, le design de la carte imprimé pour clôturer avec une conclusion générale et une discussion sur les résultats obtenus.

CHAPITRE I

GÉNERALITÉ SUR LA CHAINE DE MESURE

3

1.1 Introduction

Dans le processus de mesure, la grandeur á évaluer, soit la mesurande, doit passer par un ensemble de processus et traitement analogique ; on obtient ce que l'on appelle la mesure. C'est une grandeur caractéristique du phénomène physique que l'on veut quantifier. Pour cela, on a le capteur qui constitue le premier étage d'une chaine d'instrumentation et qui assure la conversion du phénomène physique en un signal, le plus souvent électrique ; vient ensuite le conditionneur pour le traitement analogique et/ou numérique (pour les instruments à affichage numérique) et la mise en forme du signal électrique issu du capteur permettant l'exploitation adéquate de la grandeur à mesurer. L'étage suivant est la partie visualisation ou exploitation (déviation d'aiguille pour les instruments à cadrant et affichage numérique pour les instruments numérique).

Dans ce chapitre, il sera question de présenter une vue générale sur la chaine de mesure, c'est-à-dire son principe et ses principaux éléments constitutifs.

1.2 Structure d'une chaine de mesure

La chaine de mesure est formée d'un ensemble d'éléments que parcourt un signal, caractérisant un phénomène physique depuis le capteur jusqu'à l'exploitation et la prise de décision. Elle est subdivisée en deux grandes parties :

La chaine d'aquisition La chaine de restitution

1.3. LE CAPTEUR 4

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FIGURE 1.1 - Chaine de mesure compléte [4]

La chaine d'acquisition intègre le capteur et un conditionneur électrique permettant à la mesure d'être exploitable électriquement et la chaine de restitution reconvertie le signal numérique issu du convertisseur analogique numérique en signal analogique [4].

L'association capteur-conditionneur détermine les caractéristiques du signal de sortie. La chaîne d'acquisition doit être considérée dans son ensemble, ses caractéristiques étant déterminées de manière à répondre à l'application visée. Les divers dispositifs constituants la chaîne d'acquisi-tion et sa structure doivent permettre le mesurage, le traitement et la restitution de la mesure avec les caractéristiques nécessaires à l'application : résolution, précision, rapidité et immunité aux parasites [5].

Dans la suite de notre rédaction, nous nous focaliserons principalement sur la chaine d'acquisi-tion numérique ou chaine de mesure simple constitue du capteur, du conditionneur et la partie visualisation.

1.3 Le capteur

Le capteur est l'interface entre le monde physique et électrique. Il va délivrer un signal électrique reflétant le phénomène physique que l'on veut quantifier.

1.3. LE CAPTEUR 5

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1.3.1 Constitution d'un capteur

Un capteur est un dispositif qui, lorsqu'il est soumis à l'action de la mesurande, présente une caractéristique de nature le plus souvent électrique qui peut être une tension, un courant, une charge ou même une impédance qui est fonction de la mesurande [6]. son schéma de principe est le suivant :

FIGURE 1.2 - Principe d'un capteur [7] Chaque partie joue un rôle bien défini;

Le corps d'épreuve : C'est un élément qui réagit sélectivement au variations de la grandeur à mesurer ayant pour rôle de transformer cette grandeur en une autre grandeur physique dite mesurable.

L'élément de transduction ou transducteur : Il est un élément sensible, lié au corps d'épreuve et permet de traduire les réactions du corps d'épreuve en une grandeur physique exploitable. A titre d'exemple, on a :

· Le microphone qui transforme les ondes acoustiques en un signal électrique.

· Le haut-parleur qui transforme un signal électrique en ondes acoustiques.

· Le phonocapteur transforme les ondes mécaniques en signaux électriques.

1.3.2 Différents types des capteurs

Les capteurs sont souvent typographiés en fonction de la nature du signal délivré. Ainsi, on distingue généralement les capteur logique ou TOR aussi désigné par « détecteurs », les capteurs analogiques et les capteurs numériques ou codeurs.

1.3. LE CAPTEUR 6

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Capteurs logique

Également appelé détecteur ou capteur TOR, il détecte un évènement. Le signal de sorti est de type logique c'est-à-dire qu'il ne prend que deux niveau ou états qui s'affiche par rapport au franchissement de deux valeurs. Ce signal est une information binaire qui n'a que deux niveaux logique à savoir 0 ou 1.

~ Les détecteurs à scintillation

Un détecteur à scintillation également appelé compteur à scintillation est un instrument composé d'un matériau qui émet de la lumière à la suite d'un dépôt d'énergie par interaction d'un rayonnement.

Il se compose d'un cristal ou d'un liquide de scintillation, d'un photomultiplicateur ou d'un CPM (Channel Photo Multiplier) et d'une électronique de comptage. Ils sont utilisés en général de deux manières. Premièrement sous la forme d'un écran fluorescent, permettant la visualisation à l'oeil nu; cet écran est souvent couplé à une caméra numérique qui permet une acquisition informatique. Deuxièmement sous la forme d'un détecteur à scintillation : la lumière (photons) émise par le matériau scintillant est amplifiée par un photomultiplicateur (PM), puis les photons sont comptés. On estime ainsi le flux de photons dans le scintillateur.

Le mécanisme de détection se fait en trois étapes [8] : d'abord, on a la scintillation; les rayonnements ionisant excitent les atomes du matériau qui se désexcitent en émettant des photons (indicatif numéro 1 sur le schéma). Ensuite l'effet photoélectrique ou un photon arrache un électron à la cathode (indicatif numéro 2). Et enfin la multiplication des électrons puis recueil du signal électrique (indicatif 3).

FIGURE 1.3 - schéma du détecteur a scintillation [8] ~ Les détecteurs à semi-conducteur

1.3. LE CAPTEUR 7

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Ces types de détecteurs exploitent les propriétés des matériaux semi-conducteurs, par certains phénomènes physiques. Une particule avec une énergie suffisante, rencontrant un semi-conducteur, va arracher un électron à un atome du cristal en lui cédant une partie ou la totalité de son énergie sous forme d'énergie potentielle et cinétique. Par exemple un photon créera des électrons libres dans le milieu par effet photoélectrique, effet Compton ou création de paires. Le semi-conducteur a la particularité de se comporter comme un conducteur lorsqu'il y a interaction du rayonnement et comme un isolant lorsqu'il n'y a pas interaction. Le gap est l'énergie minimum qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la bande valence (participant aux liaisons entre les atomes) soit libéré dans la bande de conduction. Le semi-conducteur est particulièrement bien adapté à la mesure de rayonnements gamma car il permet de discriminer le courant provoqué par les particules du courant de bruit thermique.

L'électron éjecté lors de l'interaction peut déclencher à son tour d'autres ionisations en cascade si le régime de tension auquel fonctionne le détecteur lui permet d'acquérir une énergie cinétique suffisante. Après thermalisation avec le cristal, on obtient au sein du semi-conducteur un nuage de porteurs libres. Le semi-conducteur étant polarisé par une haute tension, les porteurs libres vont être attirés vers les électrodes et engendrer ainsi un courant mesurable dans un circuit connecté au détecteur. Il existe différents modes d'utilisation impliquant une électronique différente à la sortie du semi-conducteur :

· La spectrométrie, le détecteur analyse chaque particules incidente isolement,

· Le comptage, le détecteur compte les particules.

· L'intégration, le détecteur mesure une intensité de rayonnement en continu. Cela ne permet pas de faire de la spectrométrie. Comme exemple de détecteurs à semiconducteurs, on a le détecteur au germanium, très utilisé dans le domaine de la radioactivité.

-- Les détecteurs à ionisation

Ces types de détecteurs sont régulièrement utilisés dans la détection des gaz. Il repère le passage d'une particules en mesurant la charge totale des électrons et des ions produits lors de l'ionisation du milieu gazeux par la particule.

Ce type de détecteur mesure la charge déposée par une particule chargée traversant un milieu ionisable, qui peut être un gaz, un liquide, voire un solide.

Capteurs analogiques

Pour ces types de capteurs, le signal transmis est le plus souvent et électrique continu en relation avec le phénomène physique traduit. La sortie peut prendre une infinité de valeurs continues. Les capteurs analogiques ont le signal de sortie du type : tension, courant, etc... On peut citer comme exemple le capteur a jauge de contrainte, le thermocouple, le LVDT

1.3. LE CAPTEUR 8

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FIGURE 1.4 - Principe d'un détecteur à ionisation [8] (capteur électrique passifs de déplacements linéaire).

Capteurs numériques

Ce type produit à des intervalles réguliers (correspondant à la fréquence) un nombre binaire qui dépend de la grandeur physique à capter. Le signal est codé au sein du capteur par une électronique associée. Ces capteurs sont généralement appelé codeurs ou compteurs.

Le choix d'un capteur dépendra donc de la nature de l'information que l'on veut exploiter à sa sortie.

1.3.3 Caractéristique des capteurs

Aujourd'hui, les capteurs sont pratiquement incontournable dans le processus de mesure et ont pour la plupart des caractéristiques en commun. Les principales sont les suivantes [9]

Fonction de transfert : La fonction de transfert montre le rapport fonctionnel entre le signal physique et le signal de sortie électrique. Habituellement, il est représenté sur un graphique et les détails de ce rapport peuvent constituer une description complète du capteur.

Sensibilité : Elle est définie par le rapport entre le signal physique en entrée et le signal électrique de sortie. Elle caractérise ainsi l'aptitude du capteur à détecter la plus petite variation de la grandeur à mesurer.

Bande passante : Pour un capteur, elle représente la différence entre sa fréquence maximale et minimale de fonctionnement.

Résolution : C'est la plus petite fluctuation de signal discernable. Les fluctuations étant des phénomènes temporels, il y a un rapport entre la fluctuation et l'amplitude minimale discernable. De ce fait, la résolution d'un capteur pour une mesure particulière peut être obtenu en multipliant cette quantité par la racine carré de la largeur de bande de mesure.

1.3. LE CAPTEUR 9

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Bruit : Tous les capteurs produisent un certain bruit en plus du signal de sortie. Dans certains cas, ce bruit du capteur est inférieur au bruit du prochain élément constituant la chaine de mesure, ou moins que les fluctuations du signal physique; dans ce cas, il n'est pas important. Par contre beaucoup de cas existent ou le bruit du capteur limite la performance de la chaine. Dans ce cas, on pourrait donc appliquer un système pour éliminer ce bruit (un filtre par exemple).

La fidélité : Pour une série de mesure de la même grandeur en entrée, le signal en sorti du capteur ne change pas.

1.3.4 Classification des capteurs

On les classe généralement en deux familles notamment capteurs actifs et capteurs passifs. Vue de la sortie, le capteur se présente soit :

-- Comme un générateur, la réponse du capteur étant une charge, une tension ou un courant : c'est donc un capteur actif.

-- Comme une impédance, la réponse étant une résistance, une capacité ou une inductance: il s'agit donc des capteurs passifs.

Capteurs passif

Les propriétés électriques des matériaux, selon la nature de ces derniers, peuvent être sensibles à des grandeurs physiques variées : température, éclairement, pression, humidité... Si l'une seule de ces grandeurs est susceptible d'évolution, toutes les autres étant maintenues constantes il s'établit une correspondance univoque entre la valeur de cette grandeur et celle de l'impédance du capteur. Dans ce cas, le capteur se comporte en sortie comme un dipôle passif et peut être résistif, inductif ou alors capacitif. Ce sont des capteurs modélisables par une impédance. Dans le tableau ci-dessus figure en fonction de la mesurande les effets utilisés pour réaliser la mesure [6, 10].

1.3. LE CAPTEUR 10

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TABLE 1.1 - principes physiques des capteurs passifs

Mesurande	Grandeur électrique sensible	Type de matériaux utilié
Température Très basse température	Résistivité Constante diélectrique	Platine, cuivre, semi-conducteur. Verres
Flux de rayonnement optique	Résistivité	Semi-conducteurs
Déformation	Résistivité perméabilité magnétique	Alliage de nickel, silicium dopé Alliages ferromagnétiques
Position (aimant)	résistivité	Matériaux magnéto-résistant : bismuth, antimoniure d'indium
Humidité	Résistivité Constante diélectrique	Chlorure de lithium Alumines, polymères
Niveau	Constantes diélectrique	Liquides isolants

Capteurs actifs

C'est un dipôle dont la sortie est équivalente à un générateur. Un capteur actif est généralement fonde sur un phénomène physique qui assure la conversion de la forme propre de la mésurande en énergie électrique. Les plus importants de ces effets sont regroupe dans le tableau suivant [6]

TABLE 1.2 - Principes physiques des capteurs actifs

Mesurande	Effets utilisés	Grandeur de sortie
Flux de rayonnement optique	Pyroélectricité Photoémission Effet photovoltaïque éffet photoélectromagnétique	Charge Courant Tension Tension
Vitesse	Induction électromagnétique	Tension
Position(aimant)	Effet Hall	Tension

-- Principes physiques mis en jeu

1.4. LE CONDITIONNEUR 11

(a) (b)

(c) (d)

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(e) (f)

FIGURE 1.5 - Différents phénomènes physique entrant en jeux [10]

1.4 Le conditionneur

Un conditionneur est un circuit électronique qui assure le traitement du signal issu du capteur. Dans une chaine de mesure, le conditionneur intervient entre le capteur et l'interface utilisateur. Il met en forme le signal de mesure et le traduit en une grandeur permettant son exploitation. L'objectif du conditionnement est essentiellement l'amplification et le pré-filtrage des signaux électriques issus du capteur. Il va devoir convertir la grandeur électrique issu du capteur en une tension dont l'amplitude ou la fréquence reflète l'évolution temporelle de la grandeur physique. Cependant il faudra compenser l'effet des grandeur influentes (comme le champ magnétique terrestre pour un magnétomètre, ou la température ambiante) et également mettre à niveau et filtrer le signal pour pouvoir l'exploiter (filtre anti-repliement avant un CAN). La mise en oeuvre de la technologie de conditionnement dépend de la nature du

1.4. LE CONDITIONNEUR 12

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capteur.

Pour un capteur passif, s'il est résistif (la grandeur physique fait évoluer une valeur de résistance), on pourra utiliser un pont de résistance. Si le capteur est réactif (la grandeur physique fait évoluer une valeur d'impédance), on pourra avoir recours à un montage potentiométrique ou un oscillateur.

Pour un capteur actif, il faudra généralement amplifier le signal avec un amplificateur simple ou un amplificateur d'instrumentation selon le cas.

1.4.1 Amplification

Premier élément du conditionneur électrique, il permet d'adapter le niveau du signal issu du capteur à la chaine globale d'acquisition.

Lorsque les signaux électriques sont de faible amplitude, il peut être nécessaire de les amplifier pour les adapter à la chaîne de transmission. Il faut savoir que l'amplification du signal électrique issu du capteur est un phénomène bruyant [11] elle s'accompagne d'une dégradation du rapport signal sur bruit. Cela signifie que si l'amplitude du signal utile issue du capteur se trouve augmentée, les parasites (bruits) le sont également mais dans des proportions plus grandes encore.

1.4.2 Filtre anti repliement

Placé avant l'échantillonneur, ce filtre est communément un filtre anti-repliement. Son rôle est de limiter le contenu spectral du signal aux fréquences qui nous intéressent. Ainsi, il élimine les parasites et permet à éviter le repliement de spectre caractérisé par le théorème de Shannon. C'est généralement un filtre passe bas que l'on caractérise par sa fréquence de coupure et son ordre.

1.4.3 Echantilloneur bloqueur

Le principe d'échantillonnage concerne la transformation d'un signal analogique continu en un signal à temps discrets. Dans cette opération, une partie de l'information est habituellement perdu et il convient de bien comprendre le phénomène d'échantillonnage pour connaitre et si possible minimiser l'information perdu. L'échantillonnage est une opération qui doit satisfaire un juste équilibre entre rapidité et précision [11]. Cet élément prélève à chaque période d'échan-tillonnage Te la valeur du signal, la maintient constante pendant le temps de prélèvement. Le bloqueur ou élément de maintien, qui est un condensateur de charge, sert d'élément mémoire. Ainsi, durant la phase de numérisation, la valeur de la tension de l'échantillon reste constante assurant une conversion aussi juste que possible. On parle d'échantillonneur bloqueur (en an-

1.4. LE CONDITIONNEUR 13

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glais « SAMPLE AND HOLD »).

FIGURE 1.6 - Symbole d'un E/B

On considère que le signal est bloqué durant un temps nettement supérieure au temps de conversion analogique-numérique.

L'échantillonnage est réalisé dans la plupart des cas à travers un signal d'horloge. La fréquence F_e de ce signal doit respecter le théorème de Shannon à savoir elle doit être supérieure ou égale à au moins deux fois celle de la fréquence maximale du signal à digitaliser. C'est-à-dire

F_e = 2Fmax (1.1)

Généralement en pratique, le système utilisé est très complexe et fait souvent appel à un amplificateur ayant une très faible impédance en sortie. Dans le cas où le système d'acquisition est à plusieurs mesure, on utilise un multiplexeur. Son rôle est de sélectionner le signal à convertir lorsqu'on a affaire à un système multi-mesure

1.4.4 Convertisseur analogique-numérique (CAN)

Le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) transforme le signal analogique, signal continûment variable pouvant prendre une infinité de valeurs, en un signal numérique, signal discontinu pouvant être représenté aux moyens de données binaires (0 et 1). La conversion analogique-numérique comporte deux étapes, l'échantillonnage et la conversion proprement dite.

La précision du codage du signal numérique dépend du nombre de bits sur lequel s'effectue ce codage [11]. Étant donné, un codage sur n bits peut prendre 2ⁿ valeurs.

(a)

1.5. TRAITEMENT DE DONNÉES, EXPLOITATION ET/OU VISUALISATION 14

(a)

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option Electronique, UY1

FIGURE 1.7 - Codage des signaux [11]

1.5 Traitement de données, exploitation et/ou visualisation

Toutes ces opérations citées ci-dessus ont un but précis, celui de rendre la mesurande exploitable sur une interface utilisable par une personne ou alors exploitable par une machine. Le CAN ayant permis la transformation du signal analogique en une suite de nombre binaire codée sur un nombre de bits, on va la traiter avec un programme ou un script qui va comparer les nombres acquis (nombre binaire) avec une fréquence dite de référence. Ce processus est le traitement numérique de l'information (on part d'une information manipulable issu du conditionneur qu'on transforme en une information directement exploitable ou utilisable). Après cette étape, vient celle où l'on visualise l'information par un écran à affichage numérique.

Le traitement des données numériques fourni par le CAN n'a pas toujours pour objectif l'affi-chage du résultat. Elle peut être utilisée pour :

Une implémentation : l'on donne accès des données a un autre système pour son utilisation.

L'enregistrement : le système d'acquisition n'est pas accessible par l'utilisateur; on va donc l'enregistrer pour une utilisation à postériori. C'est souvent utiliser pour mesurer

1.6. CONCLUSION 15

les réservoirs pétroliers dans au fond des océans.

La transmission : C'est un mode d'accès à distance. L'utilisateur ne se trouve pas à l'endroit où l'on effectue la mesure mais se trouve distant. Ça peut être le cas par exemple des mesures effectuer sur une autre planète par un robot spatial qui les transmet sur terre via une liaison radar avec une certaine latence.

1.6 Conclusion

Il a été question pour nous dans ce chapitre de faire état de l'art sur la chaine de mesure. Nous notons d'abord que dans la littérature scientifique, on trouve plusieurs modèles représentant la chaine de mesure, mais elles ont toutes la même structure de base.

En effet, la chaine de mesure est constituée du capteur, du conditionneur et de la partie visualisation. Le capteur converti la mesurande en un signal électrique exploitable par le conditionneur. Le signal issu du capteur passe premièrement par l'amplificateur qui l'adapte au niveau globale de la chaine, ensuite viens le filtre anti-repliement qui limite le contenu spectral du signal. Suit l'échantillonneur qui discrétise le signal et ensuite le CAN opère une conversion de l'analogique au numérique permettant l'exploitation ou l'affichage numérique du résul-tat.Néanmoins, lorsqu'il s'agit des signaux de faibles amplitude, des paramètres supplémentaires sont à prendre en compte.

Dans le chapitre qui suivra, il sera question de faire une modélisation classique des éléments du circuit de mesure de faibles courants, allant du capteur jusqu'à l'élément mémoire et de présenter leurs fonctionnements respectifs.

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CHAPITRE II

MODÉLISATION CLASSIQUE DES ÉLEMENTS

DE LA CHAINE DE MESURE DE FAIBLES

COURANTS

16

2.1 Introduction

Dans le domaine d'instrumentation, les caractéristiques de l'instrument sont définies par l'électronique de conditionnement des signaux issus du capteur. Chaque élément doit remplir les caractéristiques voulues par le concepteur avec une bonne précision, encore plus lorsqu'il s'agit de la mesure des faibles courant. Caractérisé par une impulsion faible, il transporte comme son nom l'indique des courants de faible intensité, c'est-à-dire de l'ordre du pico-ampère (pA), nano-ampère (nA), microampère (uA) ou du milliampère (mA). Étant données les imperfections des composants électroniques utilisés, un système de conditionnement du signal est nécessaire pour une lecture très précise.

Ce chapitre vise tout d'abord à présenter la structure classique de chaque étage de l'électronique de conditionnement utilisé dans les circuits de mesure de faibles courant, c'est-à-dire leurs différents paramètres allant du capteur jusqu'au circuit de mémorisation, de présenter les paramètres limitant dans un circuit de mesure, et enfin de faire un bref-in sur le fonctionnement des commutateurs analogiques utilisés.

2.2 Adaptation du signal

Le signal issu du capteur est parfois de très faible amplitude. Dans ce cas, il est recommandé, voir nécessaire de faire une pré-amplification du signal pour l'adapter à la chaine de mesure. Pour cela plusieurs types de préamplificateurs peuvent êtres utilise en fonction de l'application souhaité.

2.2. ADAPTATION DU SIGNAL 17

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2.2.1 Convertisseur charges-tension ou préamplificateur de charge

Ces types de convertisseurs interviennent lorsque l'on a affaire à un capteur source de charges, c'est-à-dire équivalent à un générateur de charge ayant une impédance interne capacitive C_c. Souvent appelé «front end electronic », le préamplificateur de charge permet de convertir la grandeur à mesurer (charge créée par ionisation dans le détecteur) en un signal électrique. Les performances du premier étage d'une chaîne (constituée de plusieurs étages en cascade), conditionne en grande partie les performances de cette dernière [12].

Il est donc nécessaire d'utiliser un dispositif qui délivrera une tension proportionnelle à la charge et qui ne sera pas influence par la capacité du capteur. Le principe du préamplificateur est alors donné à figure suivante.

FIGURE 2.1 - Schéma de principe du préamplificateur de charges

Étant donné que la grandeur d'entre est un flux de charge (courant) et la sortie une tension, on a à faire ici à un montage transimpédance. La relation donnant la tension de sortie _Vout en fonction de la charge en entrée _Qin est donnée par :

Qin

Vout = (2.1)
Cf

La tension de sortie du préamplificateur est directement déterminer par la valeur de Cf. Afin de polariser correctement le circuit, l'amplificateur a besoin d'une contre-réaction continue qui peut être réalisée par une grande résistance [13]. En incluant une résistance Rf de rétroaction, ceci permet le retour à l'équilibre du signal de sortie du préamplificateur et il est à noter que la capacité de contre-réaction doit être déchargée après chaque mesure afin de pouvoir effectuer plusieurs mesures et éviter l'empilement [12, 13]. L'impédance résultant de ce montage est alors

2.2. ADAPTATION DU SIGNAL 18

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Zf = Rf

1+jRf Cf _ù, ce qui permet de déduire la sortie temporelle

~ Rf }

V_s(t) = -Qi_nL^-1 = _-Qin e- t

Rf Cf (2.2)

1 + jRfCfù Cf

L'influence de Rf peut ainsi être déduit aisément.

2.2.2 Convertisseur courant-tension

Dans ce cas, le capteur est équivalent à une source de courant et on doit donc faire appel à un convertisseur courant-tension de manière à obtenir une tension proportionnelle au courant issu du capteur en sortie du préamplificateur. L'emploi d'un convertisseur courant-tension permet à la fois de réduire l'influence de l'impédance du capteur et également obtenir une tension importante en sortie.

FIGURE 2.2 - Préamplificateur de courant

En supposant l'AOP idéale, la tension de sortie en fonction du courant de capteur est fonction de la résistance de rétroaction R est :

Vout = -R.i_c (2.3)

où i_c est le courant issu du capteur . On a affaire ici à un montage transimpédance qui se comporte comme un générateur de tension commandé en courant.

Le préamplificateur étant le premier élément frontal entre le capteur et l'électronique de conditionnement, le signal qu'il délivre doit être amplifié par un amplificateur d'instrumen-tation [14]. Une étude plus approfondi sera faite au chapitre 3 et une nouvelle structure sera proposé pour notre circuit de mesure.

2.2. ADAPTATION DU SIGNAL 19

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2.2.3 Amplificateur d'instrumentation [15, 16]

L'amplificateur d'instrumentation ou amplificateur de mesure est un dispositif électronique pour l'amplification des faibles signaux. Généralement, on peut le réaliser à base de plusieurs AOP et de quelques résistors notamment le model a deux AOP et celui a trois AOP. Nous pouvons également le trouver sur le marché sous forme de CI offrant de très bonnes caractéristiques.

FIGURE 2.3 - Schéma de principe d'un amplificateur d'instrumentation [15]

Le schéma ci-dessous résume les caractéristiques principales importantes : l'impédance d'entrée différentielle comme toute impédance d'entrée est idéalement infinie et dépend naturellement du type de montage utilisé; l'impédance de sortie référencée par rapport à la masse et idéalement nulle; l'amplification de mode différentiel A qui permet d'amplifier le signal utile. Pour beaucoup d'amplificateurs d'instrumentation existant, cette amplification est assez élevée, de l'ordre de plusieurs centaines à quelques milliers, car les signaux exploités sont souvent très faibles.

Donc les entrées ont comme référence _VMC (tension en mode commun) et non la masse contrairement à la tension de sortie V_s. L'amplificateur présente toutefois des désavantages, elle ne peut amplifier que la différence des entrées.

Ad est le gain différentiel et _AMC le gain en mode commun. On définit donc le taux de réjection en mode commun (TRMC) qui est une caractéristique très importante exprimant la capacité de l'amplificateur à rejeter la tension de mode commun. Il est à noter que le gain en mode commun doit être très petit. La tension en sortie est donnée par l'équation 2.4.

V_s(t) = AdVd(t) + AMCVMC (2.4)

2.2. ADAPTATION DU SIGNAL 20

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Structure à 01 amplificateur opérationnel

FIGURE 2.4 - Modèle à 01 amplificateur opérationnel la tension de sortie est donnée par l'équation 2.4

Vs =

R1 + R4( R3 V2 - R4 R1 R2 + R3 R1 + R4

)V1 (2.5)

En supposant R3

R2#177;R3 = R4

R1#177;R4, on obtient la fonction de transfert à l'équation 2.5. les impédances d'entrée sont faibles et inégales. En outre, toute les résistances doivent être soigneusement prise pour garantir un bon TRMC.

Vs		R4 (2.6) R1
= V2 - V1

le TRMC est obtenu en calculant le gain en mode commun où V1 = V2 c'est-à-dire AMC Il est à noter que pour ce montage si l'impédance d'entrée n'est pas négligeable, le gain différentiel et le TRMC sont fortement dégradés [16]. Vu ces défauts, il n'est pas étonant de voir que cette configuration n'est pas employée en conception d'amplificateurs d'instrumentation

2.2. ADAPTATION DU SIGNAL 21

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Structure à 02 amplificateurs opérationnel

FIGURE 2.5 - Modèle à 02 AOP

Le calcul de la fonction de transfert du circuit nous permet d'obtenir en supposantR2 R1 = R4

R3

V_s

R2 + 2R2

= 1 + (2.7)

V2 - V1 R1 R

le véritable désavantage de cette configuration est que la tension d'entrée en mode commun est une fonction du gain.

Structure à 03 amplificateurs opérationnels

FIGURE 2.6 - Amplificateur d'instrumentation : structure a trois AOP

· Expression du gain différentiel

En utilisant le Théorème de Millmann en des points du circuit, et en supposant R1 = R3,

2.3. FILTRAGE 22

R2 = R4 et R5 = R7, on trouve:

(2R5 )

R1

= + 1 (2.8)

R2 R_g

Ad = V2 - V1

VS

·

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TRMC

Ad

T RMC = 20.(log ) (2.9)

AMC

Un amplificateur d'instrumentation permet d'apparier correctement les paires différentielles et d'éviter ainsi les courants et tensions parasites, ce qui permet d'atteindre des taux de réjection en ode commun assez élevé.

2.3 Filtrage

Le filtrage est une étape nécessaire et importante dans le circuit de mesure de faibles courants et se fait au moyen d'un filtre électronique dont le comportement dépend de la fréquence que l'on cherche à éliminer ou non. Il a pour objectif principal d'atténuer certaines composantes spectrales du signal (bruit de la chaine d'amplification, bruit de fond, etc..) au détriment d'autres. Le filtre a pour rôle également d'empêcher le recouvrement de spectre du signal provenant de la chaine d'amplification; c'est pourquoi on le désigne donc par filtre anti-repliement. Pour cette application, les filtres peuvent être synthétisés avec des composant actifs (AOP, CI, transistor etc..), ce sont des filtres actifs. Ou alors grâce à des composants passifs (résistors, inductance, capacitance etc...), ce sont des filtres passifs. Suivant la gamme de fréquence admise par le filtre, on distingue les filtres passe bas, passe haut, passe bande et coupe bande. Tous sont caractérisé par, leurs fréquences de coupure et leurs ordres.

2.3.1 Filtre passe bas

Comme son nom l'indique, ce filtre ne laisse passer que les basses fréquences.

2.3. FILTRAGE 23

FIGURE 2.7 - Filtre passe bas actif du premier ordre (a)-actif La fonction de transfert caractéristique du filtre peut être obtenue aisément.

Vs (jù) = Ve	-1		A0 = (2.10) 1 + j ù0 ù

On en déduit les valeurs de A0 et ù0.

A0 = -R2

R1 et ù0 = 1

R2C où ù0 est la pulsation de coupure et A0 le gain statique.

La fréquence de coupure est fonction de R2 et C ce qui signifie que pour une fréquence de

coupure désire, il faut jouer sur les valeurs des ces dernières.

2.3.2 Filtre passe haut

Tout comme le filtre actif passe-bas, on peut réaliser un filtre passe-haut à partir de composants actifs. On retrouve la fonction de transfert pour le filtre actif qui est donnée par :

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FIGURE 2.8 - Filtre passe haut actif du premier ordre

V_s -jR2

(jù) =

V_e

Cù j ù ù0

= A0. (2.11)

1 + jR1Cù 1 + j ù0 ù

2.3. FILTRAGE 24

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Le gain statique et la pulsation de coupure sont donnés par:

A0 = -R2

R1 et w0 = 1

R1C Dans le cas de ce filtre passe haut actif du premier ordre, la fréquence de coupure est entièrement définie par R1 et C. La bande passante est donnée par BP = [fC; +8[. Elle ne laisse donc passer que les fréquences supérieures à la fréquence de coupure.

2.3.3 Filtre passe bande

Ce type de filtre permet d'éliminer les fréquences qui sont hors de la bande passante. Comparativement aux filtres passe bas et passe haut, elle a des caractéristiques supplémentaires dont:

I La fréquence centrale w0 : C'est la fréquence à laquelle la fonction de transfert du filtre est purement réelle. Elle est encore appelé fréquence de résonnance et a pour expression

w0 = vwc1.wc2

I La largeur de bande â : c'est la différence en valeur absolu des deux fréquences de coupure (elle est encore appelée bande passante).

I Le facteur de qualité Q : C'est le rapport entre la fréquence centrale et la largeur de bande.

w0

Q = â

On peut le concevoir en faisant un montage en cascade d'un filtre passe bas et d'un filtre passe haut.

FIGURE 2.9 - Filtre passe bande actif

2.4. CIRCUIT DE MÉMORISATION 25

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La fonction de transfert H(jù) est donnée par :

Vs H(jù) = Ve

R2 jR3Cù (jù) = . (2.12) R1 (1 + jR2C1ù).(1 + jR3C2ù)

Les pulsations de coupure sont données par _ùc1 ^et _ùc2 ^{d'expressions} ùc1 = 1

R2C1 et ùc2 = 1

R3C2

La fréquence centrale : ù0 = (vR2R3C1C2)^-1

L'expression de la bande 9 est donnée par : 9 = ùc1-ùc2

2ð

Le facteur de qualité: Q = ù0 â

Suivant les paramètres que l'on veut obtenir on ajustera donc les valeurs des résistances et des condensateurs en conséquence.

Le filtre coupe bande ne fera point l'objet de notre étude car elle est très peu utilisée en instrumentation [2].

2.4 Circuit de mémorisation

2.4.1 L'échantillonneur bloqueur E/B

L'échantillonnage est la première étape de la conversion d'un signal analogique en un signal numérique. Il consiste à prélever l'amplitude du signal à intervalle de temps constant correspondant à la fréquence d'échantillonnage. Le prélèvement se fait pendant un temps nettement supérieur à zéro, ce qui implique l'utilisation d'un dispositif qui maintient la valeur de l'échan-tillon pendant un temps T_e, permettant le stockage de l'échantillon. Le système utilisé est un circuit échantillonneur-bloqueur (E/B).

Un E/B prélève la valeur du signal à un instant T qu'il stocke dans l'élément mémoire qui est un condensateur, jusqu'au prochain échantillon, où il reprend la même procédure. Généralement l'E/B s'applique sur une tension que sur un courant; ceci peut s'explique par le fait que le stockage du courant dans une bobine est plus pénible que le stockage d'une tension dans un condensateur (il faut préciser que la bobine et le condensateur sont des composant mémoire analogique).

2.4. CIRCUIT DE MÉMORISATION 26

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(a) (b)

FIGURE 2.10 - (a)-Principe d'un E/B élémentaire; (b)- Allure du signal de sorti durant les phase d'échantillonnage et Blocage [17]

L'interrupteur analogique a pour rôle de remettre à zéro la valeur de la tension mémorisée par la mémoire analogique ou bien à l'isoler l'entrée, selon que ce soit la phase échantillonnage ou blocage). Dans un cas idéal, lorsque l'interrupteur est fermé, la tension aux bornes de la capacité (la sortie de l'E/B dans le cas élémentaire de la figure 8) suit les variations de l'entrée. Cette phase est dite d'échantillonnage (Sample S). Et lorsque l'interrupteur est ouvert, la sortie, étant isolée de l'entrée, reste constante et égale à la dernière valeur transmise du signal d'entrée. Cette phase correspond à celle de blocage (Hold, H) [17]. Dans le cas réel, les composant sont loin d'être parfait, a l'instar du commutateur qui prend un temps pour passer de l'état ON a l'état OFF, ce qui influence fortement sur la performance (précision, rapidité) du circuit.

2.4.2 Intégrateur à déclenchement périodique (Gated Integrator)

Généralement utilisé dans les systèmes de lecture des détecteurs de faisceau d'ions, il a pour rôle d'intégrer les pic d'énergies des particules reçu par le détecteur en tête de lecture. Son schéma de principe [18] est donné à la figure 2.11.

Il est constitué de composant à faibles consommation, notamment :

I Un amplificateur à faible bruit

I Un condensateur de rétroaction servant d'élément mémoire pour les pic d'énergies détecté. I De 03 interrupteur intégrable en technologie CMOS grâce au transistor MOS.

Le concept de base de l'intégrateur à déclenchement périodique est d'intégrer le signal lorsque l'image apparait pour le bloquer lorsqu'il n'y a aucun signal image, ce qui est répéter sur de nombreuses périodes pour faire ensuite la moyenne [19].

Il fonctionne suivant deux cycles qui se répète de manière périodique. Dans un premier temps,

2.5. GRANDEURS D'INFLUENCES DANS UNE CHAINE DE MESURE 27

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FIGURE 2.11 - Principe de l'intégrateur a déclanchement périodique

les interrupteurs 3 et 2 sont ouvert et l'interrupteur 1 est fermé.

Lors de cette période, le condensateur C se charge de la valeur de la tension en entrée. Dans un second temps, les interrupteurs 3 et 2 sont fermés tandis que l'interrupteur 1 est ouvert. Suivant cette phase, le condensateur se décharge complètement.

Ces deux processus permettent de prélever les valeur de pic de la tension dont on veut numériser.

2.5 Grandeurs d'influences dans une chaine de mesure

2.5.1 Tension d'offset

La tension d'offset est un gène dans la chaine de mesure de faibles courants en ceci qu'elle crée un décalage sur l'amplitude du signal, ajoutant ainsi une composante de tension continue sur le spectre du signal, par conséquent sur la valeur du signal mesuré. Cette tension est due à la caractéristique de non idéalité des amplificateurs opérationnels :

· La tension de sortie n'est pas nulle quand les deux entrées sont au même potentiels. On peut corriger en introduisant un déséquilibre de l'amplificateur ajustable de l'extérieur, afin d'obtenir une tension nulle en sortie lorsque les deux entrées sont placées au même potentiel.

· Les courants d'entrée de l'AOP ne sont pas réellement nuls et ne sont pas identique pour tous les deux entrées.

Mesure de la tension d'offset

L'amplificateur opérationnel réel présente une tension d'offset non nulle. On se rend compte que pour des valeurs du signal d'entrée très faible, la mesure est erronée. Un montage inverseur

2.5. GRANDEURS D'INFLUENCES DANS UNE CHAINE DE MESURE 28

est donc utilisé afin de mesurer cette tension d'offset [2]

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FIGURE 2.12 - Principe de mesure de la tension d'offset Utilisant le théorème de Millman, on peut écrire les équations

Voff - V- =

R1 + Vou Vi R2 (2.13) R1 + 1 1 R2

ce qui nous conduit à l'expression de la tension d'offset

R2 R1

Voff = Vi + Vou (2.14)

R1 + R2 R1 + R2

On constate que pour mesurer la tension d'offset de l'amplificateur, il nous suffit de court-circuiter la tension d'entrée et de mesurer la sortie. On obtient finalement

R1

Voff = Vou (2.15)
R1 + R2

2.5.2 Charges d'injections et phénomène de clock-feedthrough

Charges d'injections

Les commutateurs analogiques utilisés dans le circuit de mémorisation sont de nature imparfaites car le passage d'un état à un autre ne se fait point de manière instantanée mais prend un certain temps pour le faire. Ceci constitue une très grande limitation de ces circuits.

A l'état ON, le transistor opère en zone de conduction, et possède une différence de potentiel non nul entre la source et le drain. Une quantité de charge est emmagasinée dans le canal. Lors de la commutation avec un temps fini (passage de ON a OFF), Les charges accumulées dans le canal sont injectées dans le circuit via les plots de diffusions source et drain du transistor [20]. Pour un transistor MOS ayant une différence de potentiel nul entre drain et source, la charge

2.5. GRANDEURS D'INFLUENCES DANS UNE CHAINE DE MESURE 29

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accumulée dans le canal est donnée par :

Qcanal = -Ccanal(VGS - VTH) = -WeffLeffCox (VGS - VTH) (2.16)

où _Leff ^et _Weff représentent respectivement la longueur et la largeur du canal. En d'autres termes, la précision du circuit risque d'être largement altérée par l'injection de ces charges. Le déplacement des porteurs mobiles stockés dans le canal via source-drain et substrat superpose une erreur à la tension en sortie, illustré sur le schéma suivant : L'expression de la tension

FIGURE 2.13 - Effet des charges d'injections [19] d'erreur due au charges d'injections est donnée par :

ÄV = Qcanal 2CH

WeffLeffCox(VDD - Vin - VT H) = (2.17) 2CH

Erreur due au capacités de recouvrement (Clock feedthrough)

Les capacités de recouvrement _Cov entre la grille et les diffusions source et drain du transistor forment avec la capacité de stockage CH un pont diviseur capacitif parasite. L'échelon de tension de commande du transistor se retrouve donc proportionnellement sur l'armature haute de la capacité. C'est le phénomène de clock feedthrough. L'effet de la capacité de recouvrement introduit une erreur sur le signal de sortie et est exprimé par :

WeffCov

ÄV = VCK (2.18)

WeffCov + CH

Cette erreur est due principalement à l'horloge de commande du transistor utilisé comme commutateur.

2.5. GRANDEURS D'INFLUENCES DANS UNE CHAINE DE MESURE 30

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FIGURE 2.14 - Mise en évidence des capacité de recouvrement [19]

2.5.3 Bruits dans les systèmes en électronique

Les circuits électriques sont de nature imparfaite en ceci qu'en sortie d'un système électrique ou électronique, le spectre du signal réponse est parfois entaché des composantes indésirables qui peuvent être plus ou moins négligeables suivant le système. Ceci est parfois due au composants dissipatifs comme les résistances (bruit Johnson), ou même au circuits intégré présents qui peuvent créer des distorsions harmoniques dans le signal créer par la non-linéarité du circuit. Les principaux sont présentés dans les sous sections qui suivent.

Bruit de grenaille

Généralement présent dans les dispositifs à semi-conducteur comme la diode, le bruit de grenaille est dû à la fluctuation dans le temps de la densité de flux de porteur de charge migrant d'un côté à l'autre de la jonction.

FIGURE 2.15 - Bruit de grenaille d'une diode a jonction no polarisé [21]

2.5. GRANDEURS D'INFLUENCES DANS UNE CHAINE DE MESURE 31

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Cette fluctuation peut s'exprime mathématiquement par la relation

i2 = 2eImoydf (2.19)

· e est la charge électrique e = 1.6 * 10^-19C

· df est la largeur de la bande passante

· Imoy représente le courant moyen circulant dans la diode.

Bruit 1/f

Présent en majorité sur les composant à semi-conducteur, dans le transistor de type MOS, le bruit 1/f est lié aux phénomènes de génération et recombinaisons de charges dû aux défauts et impuretés principalement à l'interface oxyde semi-conducteur. Il est difficile de calculer précisément la valeur de la densité spectrale de ce bruit car il dépend beaucoup des procédés technologiques mis en oeuvre. La figure 16 montre qu'elle augmente quand la longueur de canal diminue. De même, elle diminue à courant constant quand la largeur du transistor augmente. En conclusion, il faut réaliser des transistors de grande taille pour minimiser le bruit ce qui est contraire à l'évolution naturelle de la technologie microélectronique. On peut donc souligner deux points de ce bruit [22] :

I sa densité spectrale de puissance est d'autant plus importante que la fréquence est faible (d'où son appellation en 1/f); ce bruit n'est donc pas blanc

I La distribution des amplitudes n'est pas gaussienne

Son expression peut être donne par

df

V 2 = Af.(2.20)
f

ou Af représente la constante de bruit et df la bande passante considéré.

Bruit thermique ou bruit Johnson [12]

Son origine est liée à l'agitation thermique des électrons libres dans un milieu dissipatif. Ceci conduit à des agglomérations de porteurs aux bornes de celui-ci. La valeur moyenne de la différence de potentiel aux bornes du milieu dissipatif est nulle. Par contre, le carré de cette

2.5. GRANDEURS D'INFLUENCES DANS UNE CHAINE DE MESURE 32

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FIGURE 2.16 - Bruit 1/f en fonction de la longueur du canal [22]

différence de potentiel ne l'est pas. On l'exprime sous la forme :

v2 = 4.kB.T.R.df (2.21)

kB est la constante de Boltzmann ( kB = 1.38076 * 10^-23J.K^-1), T est la température en Kelvins, R représente l'impédance et df est la bande passante considéré.

Cette formule permet de prévoir le bruit minimum présent sur un système électronique et donc sa limite de détection. Le même phénomène de bruit thermique est observé aux bornes d'une capacité. Pour remédier au différentes erreurs rencontrées, plusieurs moyens ont été pensés et implémentés comme l'utilisation du transistor fantôme pour la suppression à la fois des charges d'injections et l'effet de la capacité de recouvrement (clock feedthrough), l'utilisation des transistor complémentaire (complementary switch) pour la réduction des charges d'injec-tion, l'utilisation du symétriseur, les circuits à capacités commutées, pour éliminer la tension d'offset, l'utilisation du différentiateur pour le bruit blanc du signal initiale, etc...

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2.6. RÉGIMES DE FONCTIONNEMENT DU MOSFET ET UTILISATION EN

COMMUTATION 33

2.6 Régimes de fonctionnement du MOSFET et utilisation en commutation

2.6.1 Régimes de fonctionnement du MOSFET

MOSFET est l'acronyme de Metal Oxyde Semi-conductor Field Effect Transistor, c'est-à-dire transistor à effet de champ à gille isole. Tout comme le transistor bipolaire, il possède trois électrodes nommées : la grille ou Gate (noté G), le drain (noté D) et la source (noté S). Le MOSFET module le courant qui le traverse à l'aide d'un signal appliqué sur la grille. Il trouve ses applications dans les circuits intégrés numériques, en particulier avec la technologie CMOS, ainsi que dans l'électronique de puissance. Le MOSFET a deux zone de fonctionnements, la zone bloquée et la zone passante.

I pour VGS < VTH, le transistor est en zone bloqué

I pour VGS > VTH,le transistor est passant et l'expression donnant le courant de drain est quadratique.

VTH représente la tension seuil, c'est-à-dire la tension de grille pour laquelle la zone d'inversion apparait, en d'autres termes la création du canal de conduction entre le drain et la source. Le comportement du transistor au niveau de la sortie est illustré par le réseau de caractéristique donnant l'évolution du courant de drain en fonction de la tension Source-Drain a la figure suivante.

FIGURE 2.17 - Réseau de caractéristique du transistor MOS [23]

Le courant de drain varie selon que l'on soit dans un régime de fonctionnement ou dans un autre.

· Régime de forte inversion (Saturation) :En régime de forte inversion, le courant dans

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2.6. RÉGIMES DE FONCTIONNEMENT DU MOSFET ET UTILISATION EN

COMMUTATION 34

le drain est une fonction quadratique de _VGS. Son expression est donnée par :

_(W )

1

ID = ₂unCox (VGS - VTH)² (2.22)
L

· Régime Forte inversion linéaire : Dans ce régime, le transistor se comporte comme une résistance et est une fonction linéaire de _VGS et l'expression du courant de drain se réduit à ID = Ron 1 VDS . Il peut encore s'écrire :

ID = unCox

(W ) [ ~ (VGS - VT H) .VDS - V 2 DS (2.23) L 2

Elle caractérise la zone de transition entre la zone ohmique et la zone de saturation.

· Régime faible inversion (régime ohmique) : La tension de grille-source est voisine de la tension seuil et inférieure à celle-ci (VGS < VTH). Le courant de drain traversant le transistor est donnée par:

_(W )

ID = unCox (VGS - VTH) .VDS (2.24)

L

La tension de grille permet de contrôler la conductibilité entre la source et le drain. Cette commande peut être employée pour utiliser le transistor comme un amplificateur dans les circuits analogiques et switcher dans les circuits digitaux [24]. Le fonctionnement du transistor comme interrupteur sera explicité dans la section qui suit.

2.6.2 Fonctionnement en commutation

Pour mettre en évidence le comportement du transistor MOS, nous allons étudier le comportement d'un simple circuit échantillonneur-bloqueur. Les circuits mémoires ont des exigences à respecter en ce qui concerne les commutateurs, entre autre une très grande résistance à l'état bloqué, une faible résistance lorsqu'il est à l'état bloque et également, ne doit pas introduite une tension d'offset a l'état OFF. De ce fait, l'utilisation des MOSFETs comme commutateur satisfait à ces conditions [25] (résistance _Ron de l'ordre des Giga-ohms, pas de tension d'offset, et une résistance _Roff de l'ordre de quelques kilo-ohms).

Dans la section précédente, nous avons vu que le courant traversant le transistor MOSFET pouvait varier en fonction de la tension de sa grille. Pour illustrer son fonctionnement en commutateur, prenons l'exemple de l'E/B simple de la figure 2.18.

2.6. RÉGIMES DE FONCTIONNEMENT DU MOSFET ET UTILISATION EN

COMMUTATION 35

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(a) (b)

FIGURE 2.18 - (a)-E/B simple; (b)-implémentation avec transistor

Le principe de fonctionnement du circuit précédent est le suivant [19, 26] : Pour une tension d'entrée V_e = 0 , le condensateur a une tension initiale à ses bornes égale à la tension . Le transistor opère en régime de saturation entrainant la circulation d'un courant de drain

_(W )

1

ID = ₂unCox (VDD - VTH)² (2.25)

L

jusqu'au condensateur.

Puisque la tension de sortie chute a un point égale a VDD - VTH ceci entraine le NMOSFET en régime linéaire et la capacité va se décharger au fur et à mesure que V_s approche la valeur nulle. Le transistor agit donc comme une résistance à l'état fermé

Ron = (unCox ^(W/L) (VDD - VTH))^-1 (2.26)

Pour une tension d'entrée différente de zéro, la tension de grille VGS = 0V permet d'avoir une tension Drain-Source VDS = V_e et le transistor opère en régime linéaire et charge la capacité C jusqu'à ce que la tension a ses bornes tende vers V_e. La résistance équivalente est alors donnée par:

Roff = (unCox ^(W/L) (VDD - V_e - VTH))^-1 (2.27)

Pour un signal d'entrée sinusoïdale, on obtient un signal de la forme référencé a la figure 15. (En bleu le signal d'entrée et en rouge le signal obtenu en sortie).

2.7. CONCLUSION 36

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FIGURE 2.19 - Signal en sortie de l'E/B simple pour un signal sinusoïdale.

On peut donc résumer le fonctionnement en deux phases.

I Phase de conduction : le commutateur MOS conduit le courant dans chaque direction. I Lorsque le commutateur est fermé (OFF), la tension de sortie suit la tension d'entrée (TRACK) et dans le cas contraire la sortie est une constante, c'est la phase de maintien (HOLD).

2.7 Conclusion

Le long de ce chapitre, nous avons ressorti les éléments constitutifs de notre chaine de mesure, allant du préamplificateur jusqu'à l'élément mémoire. D'abord nous avons présenté le système de conversion de courant en tension appelé préamplificateur qui est le premier élément de la chaine de mesure, ensuite le filtre pour éliminer les fréquences indésirables, et enfin la mémoire analogique permettant de prélever les valeurs du pic de tension en sortie (intégrateur à déclenchement périodiques) ou plusieurs échantillons du signal (échantillonneur-bloqueur). Nous avons également présenté les transistors de type MOS qui sera au centre de l'approche pour le développement du circuit.

Le chapitre qui suivra sera basé essentiellement sur le développement et la simulation des éléments de notre circuit de mesure.

CHAPITRE III

SIMULATIONS, RÉSULTATS ET DISCUSSION

37

3.1 Introduction

Le chapitre précédent nous a permis d'avoir une vue globale sur les éléments du circuit nous permettant de mesurer les faibles courants et nous avons produit un module pouvant servir de modèle aux différents étages de la chaine.

Le chapitre qui sera déroulé dans cette section aura pour objectifs de faire une simulation de chaque étage et ressortir les courbes paramétriques en leur sortie. De plus, des courbes obtenues, nous ferons des interprétations et correction des erreurs de chaque module. Et enfin, grâce à un assemblage des tous ces modules, nous allons proposer notre circuit de mesure de faibles courants et la carte imprimée, allant du capteur jusqu'au filtre shaper.

3.2 Étude du préamplificateur de courant

La chaine d'amplification constitue l'électronique frontale (front-end electronics) du circuit de conditionnement et de traitement analogique et se forme de la chaine de pré-amplification et l'amplificateur d'instrumentation. Le préamplificateur reçoit le signal et l'adapte avant de le transmettre à l'amplificateur principale qui est l'amplificateur d'instrumentation. Un bon préamplificateur doit avoir de bonnes caractéristiques tels que :

Un bon rapport signal sur bruit (SNR)

Une bonne linéarité

Une bonne résolution

Le préamplificateur utilise ici est un préamplificateur de courant donné à la figure ci-dessous. R est la résistance de rétroaction et V0 est la tension à la sortie du préamplificateur et qui est proportionnelle au courant i_c du capteur. l'impédance Z du capteur est donnée par R1 11 C , c'est-à-dire

_ R1 (3.1)

Z 1+ jR1Cù 3.1

3.2. ÉTUDE DU PRÉAMPLIFICATEUR DE COURANT 38

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FIGURE 3.1 - Préamplificateur de courant

L'expression de la tension en sortie du préamplificateur est alors donnée par:

0-V_o=Ri_c ? V_o=-Ri_c (3.2)

Pour une impulsion de courant en entrée d'amplitude en dessous du nano Ampère, de fréquence 1kHz, le signal obtenu en sortie du préamplificateur n'est pas visualisable. .

FIGURE 3.2 - Sortie du préamplificateur pour un courant inferieure au nano Ampère

3.2.1 Nouveau préamplificateur de courant

Pour apporter une solution à ce problème, la nouvelle approche consiste à utiliser les propriétés des transistors à effet de champ qui changent de comportements en fonction de la tension de grille. Le préamplificateur est le premier élément de notre circuits, il est le garant d'une bonne performance du circuit, celui-ci sera intégré grâce a un AOP et un transistor MOS à canal N, commandé par la tension de grille. Le schéma du nouveau préamplificateur

3.2. ÉTUDE DU PRÉAMPLIFICATEUR DE COURANT 39

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de courant est alors donné à la figure 3.3.

FIGURE 3.3 - Préamplificateur utilisant un MOSFET en rétroaction

L'horloge et le courant d'entrée sont synchrone, c'est-à-dire qu'ils ont la même fréquence, même temps de monté et même temps de descente. Deux phases sont à considérer lors de son fonctionnement.

I Phase 1 :le courant est différent de zéro et l'horloge est à l'état haut (VDD = 5V

)

Dans ce cas, le transistor est équivalent á un interrupteur fermé. Le modèle équivalent du capteur peur être assimile à un générateur de Thévenin en série avec une impédance.

FIGURE 3.4 - Modèle équivalent du capteur avec générateur de Thevenin

L'impédance équivalente reste inchangée. L'expression du générateur est alors donnée par Vthevenin = i_c.Z ou Z est l'impédance parasite du capteur. On peut calculer l'expression de la

3.2. ÉTUDE DU PRÉAMPLIFICATEUR DE COURANT 40

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tension en sortie.

Vtheuenin

Z + Vo

Roff = 0 4 VGS = -Roff

Z .Vthevenin (3.3)

Z + 1

1

Roff

En remplaçant l'expression de _Vthevenin , on trouve V_o = -Roff.ic. En supposant l'AOP

idéale, on retrouve V_o = -Roff.ic.

La résistance _Roff d'un transistor à canal N est donné par

Roff = (unCox ^(W/L) (VDD - VM - VTH))^-1 (3.4)
I Phase 2 : le courant est nul et l'horloge est à l'état bas

En effectuant les mêmes calculs que précédemment, on aboutit à l'expression de la tension de sortie

V0 = -Ron.ic (3.5)

Où

Ron = (unCox ^(W/L) (VDD - VTH))^-1 (3.6)

représente la résistance équivalente du transistor MOS lorsque la tension d'horloge est à l'état bas, en d'autres termes, le transistor s'assimile à une résistance dont la valeur varie en fonction des paramètres géométriques, la mobilité des porteurs de charges, s'opposant au passage du courant. La résistance équivalente dans ce deuxième cas doit être très grande, ce qui conduit à une chute drastique et rapide de V0. La courbe donnant l'allure de la tension V0 est représenté ci-dessous.

FIGURE 3.5 - Tension en sortie du nouveau preamplificteur de courant pour un courant de 1nA

3.2. ÉTUDE DU PRÉAMPLIFICATEUR DE COURANT 41

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3.2.2 Mise en évidence du bruit en sortie du préamplificateur

Le transistor commandé nous permet de résoudre le problème de limitation du courant lu, mais il crée également un bruit indésirable au signal d{ a sa structure. La densité spectrale du bruit en courant dans le transistor peut être donnée par :

Ni = áKTg_m (3.7)

á est un coefficient dépendant de la zone de d'opération du transistor et g_m la transconductance correspondante. La densité spectrale de bruit en tension en sortie du transistor est donnée par [13] :

áKT

N_v = (3.8)
g_m

[ _]-1

N_v = áKT.Roff = áKT unCox W L (VDD - VM - VT H) (3.9)

Ainsi, lorsque le transistor est passant, il fonctionne en forte inversion et l'expression du bruit résultant est

Lorsque le transistor est bloqué, l'expression du bruit est alors

[ _]-1

N_v = áKT.R_on = áKT unCox W L (VDD - VT H) (3.10)

Le bruit du transistor est d'autant grand que la transconductance équivalente est petit. Ceci peut s'observer sur la courbe en sortie par des distorsions sur le signal V_o.

Le bruit total en sortie du préamplificateur est la somme des bruit en jeux (bruit du transistor, bruit thermique, bruit de grenaille, bruit d'avalanche, bruit 1/f). Soit BT la densité de bruit total. on peut écrire

BT = N_v + i² + V ² + v² (3.11)

3.2.3 Préamplificateur de courant implémenté en transistor MOS

Cette section consiste à l'intégration du prámplificateur avec des transistor MOS. ce montage exploite l'amplificateur à un étage. Le design du circuit de front est donné a la figure suivante. Si nous utilisons un amplificateur un étage, nous pouvons faire son implémentation avec les transistors de type MOS le diagramme du préamplificateur basé sur la paire différentielle de type N est donne à la figure 3.6. Ce montage est composé de :

-- Deux miroir de courants formé par les couples de transistors (N4,N5) et (P1,P2). Le

miroir de courant (N4,N5) permet de polariser la paire différentielle du système

-- La paire différentielle forme par (N2,N3)

-- Un amplificateur faible bruit pour limiter l'influence des étages en amont sur le signal

3.3. UTILISATION DE L'AMPLIFICATEUR D'INSTRUMENTATION 42

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a sa sortie.

L'avantage procuré par cette structure est qu'elle permet de se passer de l'amplificateur d'instrumentation. Par contre, elle prend en compte les paramètres géométriques de tous les transistors en présence, ce qui rend la conception plus difficile; raison pour laquelle nous n'utiliserons pas cette structure du préamplificateur implémenté en transistors MOS.

FIGURE 3.6 - Implémentation du circuit en MOSFET

3.3 Utilisation de l'amplificateur d'instrumentation

Le différentiateur d'instrumentation est très important dans une chaine de mesure car il permet d'éliminer certains bruits du système, notamment le bruit blanc. Ce bruit blanc ainsi que les charges d'injections dues à l'horloge sont à l'origine des irrégularités sur la courbe en sortie. Pour pallier à cela, nous proposons d'implémenter à la sortie du préamplificateur un différentiateur d'instrumentation a trois amplificateurs opérationnels. Le gain du différentiateur utilisé est Gd = 20db .

3.3. UTILISATION DE L'AMPLIFICATEUR D'INSTRUMENTATION 43

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FIGURE 3.7 - Chaine d'amplification avec différentiateur La courbe obtenu en sortie est la suivante

FIGURE 3.8 - Courbe en sortie étage amplificateur

3.3.1 Calcul de la tension d'offset en sortie

Le courant circulant dans la branche AB est donnée par j = V1-V2

RG . On prendra pour notre

circuit R2 = R4,R1 = R3 et R5 = R7 . De ce fait, on obtiendra l'expression du courant en

3.3. UTILISATION DE L'AMPLIFICATEUR D'INSTRUMENTATION 44

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FIGURE 3.9 - Configuration des tension

fonction de R5 et RG par

VA - VB

i = (3.12)
(2R5 + RG)

Soit _Voff la tension d'offset générée par chaque AOP, ceux-ci étant identique. Sur l'AOP , on peut écrire les équations

{

Voff + V- = R2

R1+R2 V_s + R1

R1+R2 VA (3.13)

V+ = R1

R1+R2VB

Ce qui nous permet d'avoir l'expression de la tension de sortie

)

R1 (2R5

R1 + R2

V_s = Voff + + 1 (V1 - V2) (3.14)

R1 R2 RG

Pour le cas particulier ou R1 = R2 , l'expression de la tension en sortie prend la forme

(2R5 )

V_s = 2Voff + + 1 (V2 - V1) (3.15)

RG

On retrouve finalement VoffT = 2Voff = 700uV ou _VoffT est l'offset en sortie de l'étage avec Voff = 350uV [voir datasheet].

3.3. UTILISATION DE L'AMPLIFICATEUR D'INSTRUMENTATION 45

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3.3.2 Correction: utilisation du symétriseur

C'est un montage qui permet de fournir l'opposé de cette tension en variant un potentiomètre. Son schéma est donné à la figure 3.10. On peut facilement calculer les tension _Voff- et

FIGURE 3.10 - Principe du symetriseur

Voff+ en utilisant Millman. On trouve

R3 R4

Voff+ - Voff- = Voff = Vsy+ - Vsy- (3.16)

R1 + R3 R2 + R4

Si nous supposons R3

R1+R3 = R4

R2+R4 , la tension d'offset s'écrit sous la forme

R3

Voff = Vsy (3.17)
R1 + R3

Dans le but d'adapter la structure a notre application, le symétriseur sera implémenté avec une résistance variable et un transistor MOS. Son schéma est le suivant :

FIGURE 3.11 - Symétriseur générant une tension opposé à 2Voff

Ceci nous permet d'obtenir le graphe dépourvu d'offset en sortie.

3.4. FILTRE ANTI-REPLIEMENT : LE PULSE SHAPER 46

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Pour les paramètres R1 = R2 = 1MÙ,R3 = R4 = 500Ù , la réponse du est dépourvu du décalage de tension. Le rôle de la résistance variable (potentiomètre) est de faire varier la tension dans l'intervalle _Voff- ^a _Voff+ [2]. la figure montre la sortie corrige de cette étage

FIGURE 3.12 - Sortie corrigé de l'étage préamplificateur + différentiateur

3.4 Filtre anti-repliement : le Pulse Shaper

Le filtre anti-repliement est intercalé entre la chaine d'amplification du signal issu du capteur et l'échantillonneur bloqueur qui gère la conversion analogique numérique. Le filtre utilise ici sera un filtre passe-bande pour éliminer les composantes fréquentielles très basses et celles très hautes; il s'agit du filtre pulse Shaper (PS) ou filtre Formeur de type(CR)^m(RC)^Th. Il est formé de in étages de dérivations qui se chargent de filtrer les bruits basses fréquences et de n étapes d'intégrations qui filtre les bruits hautes fréquences [27]. Un des intérêts du PS (Pulse Shaper), filtre CR -(RC)^Th se situe dans sa capacité à changer la forme du signal d'entrée tout en gardant l'information afin de faciliter son acquisition par les systèmes suivants [28]. Un PS d'ordre 3 est implémenté à la figure 3.13 On peut calculer facilement la fonction de transfert en écrivant :

Ve₊ Z1

( )

1 -R. Vs = 0 ? Vs = Z2.Z3 (3.18)

Z2 Z3 V_e R.Z1

ou Z1, Z2 et Z3 représentent respectivement les impédances de R1 serie C1, R2 C2 et R3 C3. En remplaçant leurs expressions respectives, on obtient

V_s R2R3 jR1C1ù

H(jù) = = R1R . (3.19)

V_e (1 + jR1C1ù)(1 + jR2C2ù)(1 + jR3C3ù)

l'équation 3.9 peut se réduire à

ôp

H(p) = A0 (3.20)
(1 + ôp)³

3.4. FILTRE ANTI-REPLIEMENT : LE PULSE SHAPER 47

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FIGURE 3.13 - Design du filtre Pulse Shaper (PS) d'ordre 3

où R1C1 = R2C2 = R3C3 = ô, p = jù et A0 = R2R3

R1R . Ce choix est fait pour optimiser le SNR

du filtre.

La tension de sortie est donnée par

ôp

V_s(p) = A0 (1 + ôp)3 V_e(p) (3.21)

où V_s(p) et V_e(p) désignent respectivement les transformé de Laplace des fonctions de sortie et d'entrée. L'objectif est de trouver la réponse v_s(t) du PS a une impulsion en entrée, Pour cela il suffit de calculer la transforme inverse de V_s(p) .

Soit l'impulsion en entrée définie par

{

0 ? t ? 0

v_e (t) = (3.22)
a ? t ? [0; T/2]

où a est une constante réelle définissant l'amplitude de l'impulsion. Sa transformée de

Laplace est définie par V_e (p) = a _p, ce qui conduit à V_s(p) = aA0 ô

(1+ôp)3 .

Finalement,

ô

v_s(t) = T L^-1 {V_s(p)} = aA0ô ¹ 2!t2e- ^t (3.23)

Le tracé sur une demi période permet d'obtenir un signal de forme Gaussienne comme a la figure 3.14 avec R1 = R2 = R3 = 10kÙ et C1 = C2 = C3 = 3nF

3.4. FILTRE ANTI-REPLIEMENT : LE PULSE SHAPER 48

sortie ve(t)

10^-15

8

7

6

5

4

3

2

0

1

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1 2 3 4 5 6

axe temporel en seconde 10^-4

FIGURE 3.14 - Forme gaussienne en sortie pour une impulsion

Le signal obtenu en sortie est de type gaussien avec un temps de shaping t_s = 30us

Les courbes d'analyse fréquentielles sont obtenus pour les mêmes paramètre que précédemment. Le diagramme de Bode exprime le gain du filtre en fonction de la fréquence du signal est donné par l'expression mathématique la relation 3.24.

GdB = 20 log H(jù) (3.24)

Celui-ci donnant la phase correspondante à chaque fréquence du signal a pour expression mathematique la relation 3.25

? = arctan

(Tm (H(jù) ~ (3.25) Re (H(jù)

3.5. SIMULATIONS ET RÉSULTATS 49

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(a) (b)

FIGURE 3.15 - Diagramme de bode : (a)-Gain; (b)-Phase

3.5 Simulations et résultats

Dans cette section, nous allons proposer les résultats de simulation du circuit de mesure conçus.

3.5.1 Courbe en sortie du circuit

Le circuit simulé est obtenu en montant les différents étages en cascade.

FIGURE 3.16 - Courbe obtenue en sortie pour un pulse de courant de 100pA d'amplitude

3.5.2 Linéarité du circuit

Dans le but de déterminer la plage de fonctionnement de notre circuit, nous allons tracer sa caractéristique intensité-tension. Pour cela, pour chaque amplitude du courant d'entrée,

3.5. SIMULATIONS ET RÉSULTATS 50

on relève l'amplitude de la tension de sortie. Le tableau suivant est regroupe les valeurs des courant en entrée et de la tension en sortie permettant de tracer cette caractéristique.

TABLE 3.1 - tableau des valeurs

Amplitude du courant en entrée(en picoampère)	Tension recueillie en sortie (en microvolts)
0.01	10.83
0.1	10.83
1	10.83
10	10.81
1000	10.61
10000	9.53
100000	-2.12

tension en sorie du circuit (en Volt "V")

10^-5

1.085

1.075

1.065

1.08

1.07

1.06

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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

courant en entree du circuit (en Ampere "A") 10^-10

FIGURE 3.17 - Caractéristique intensité tension du circuit

La courbe de linéarité obtenu pour le circuit nous montre deux zone de fonctionnement du circuit.

I Zone de saturation

Dans cette zone, la tension le signal de sortie du reste constant pour toutes les amplitudes de courants compris dans cette intervalle précis. Elle est donc proscrite pour l'utilisation du circuit.

3.5. SIMULATIONS ET RÉSULTATS 51

I Zone de fonctionnement linéaire

Elle représente la plage de fonctionnement de notre circuit, ayant une caractéristique linéaire de la forme de l'équation 3.26.

V₈ = k.i + v_o (3.26)

où k est la pente de la droite caractéristique et v_o la valeur de la tension en sorti pour le plus petit courant détectable. Pour déterminer ces paramètres, on suppose deux courants i1 et i2, correspondant respectivement les tensions _V81 ^et _V82 en sortie. Ce qui nous permet d'obtenir les équation 3.27

{

V81 = k.i1 + vo (3.27)

V82 = k.i2 + v_o

On en déduit les valeurs de k et v_o données par les relations 3.28 et 3.29.

V82 - V81

k = (3.28)

i2 - i1

V82 - V81

v_o = V81 - i1 (3.29)
i2 - i1

Pour i1 = 10pA et i2 = 100pA, on obtient respectivement les tension V81 = 10.81uV et V82 = 10.61uV , on obtient la valeur de la pente k = -2.22kÙ

le figure 3.18 représente les zones de fonctionnement du circuit proposé.

10^-5

tension en sorie du circuit (en Volt "V")

1.084

1.083

1.082

1.081zone de saturation

1.079

1.078

1.08

Courant limite =1pA

Zone de fonctionnement lineaire

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0 1 2 3 4 5 6

courant en entree du circuit (en Ampere "A") 10^-12

FIGURE 3.18 - Zones de fonctionnements du circuit de mesure proposé

3.6. DESIGN ET STRUCTURE FINALE DE LA CHAINE 52

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3.6 Design et structure finale de la chaine

La conception du circuit de mesure de faibles courant se présente alors selon le schéma bloc de la figure 3.19.

FIGURE 3.19 - Schéma bloc du circuit de mesure

Les valeurs des composants pour la conception en une technologie CMOS donnée est regroupée dans le tableau 3.2.

TABLE 3.2 - Tableau des composants mis en jeu

Paramètres	Description	Valeurs
R11	Résistance	12kÙ
C2	Condensateur	1pF
U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7	AOP	LMC6001
Q1, Q2, Q3, Q4	NMOSFET, Longueur et largeur du canal	. L = 1um W = 1um
R5, R4	Résistances	9kÙ
RG	Résistance	2kÙ
R6, R7, R8, R9	Résistances	100kÙ
R2, R15, R22, R21	Résistances	10kÙ
R1, R2, R16, R17	Résistances	1MÙ
R13, R14, R18, R19	résistances	500Ù
RV1, RV2	Potentiomètre	1kÙ
C3, C4, C5	Condensateur	3nF

3.7. DISCUSSIONS 53

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3.7 Discussions

(a) (b)

(c) (d)

FIGURE 3.20 - (a)-Sortie pour un pulse de courant; (b)-Sortie pour un courant exponentiel; (c)-Sortie pour un coourant lineaire par morceau; (d)- Sortie pour un courant sinusoidale

La conception de notre circuit passe par plusieurs phases, qui concourent à la stabilité et à la linéarité du circuit. Chaque étape pose des problèmes à résoudre pour la bonne mesure du courant, tel que la tension d'offset et les bruits du préamplificateur de courant. Ceux-ci sont résolus utilisant des méthodes adaptées .

Ceci nous permet d'obtenir un circuit à deux zones de fonctionnements, la zone de saturation et la zone linéaire. Ce qui signifie que le circuit n'est valable précisément que dans cette zone de linéarité illustré à la figure 3.18. La zone de saturation est provoquée par une très petite variation (quasiment indétectable), pour une variation du courant en entrée ce qui permet d'obtenir des tensions quasiment identiques pour les courant inférieurs au picoampère. La simulation du circuit pour plusieurs types de signaux nous permet de visualiser la courbe de sortie pour chaque type (figure 3.20, notamment un signal carré (pulse), exponentiel, linéaire par morceau et sinusoïdale, tous ayant la même amplitude de 100pA et la même fréquence de 1kHz. On obtient des courbes quasiment identiques, le circuit ne nous renseigne pas sur

3.8. CONCLUSION 54

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la nature du courant en entrée mais nous renseigne par contre sur son amplitude (grandeur recherchée) et sa fréquence. de plus la forme du signal peut offrir un avantage, celui d'une facilitation des prélèvements de pic grâce à un intégrateur à déclenchement périodique ou en utilisant un E/B réglé en fonction du temps de shaping (30us pour notre circuit).

3.8 Conclusion

Ce chapitre a été centré sur la simulation des éléments de notre circuit de mesure ou nous avons obtenus des résultats pour chaque étage. En effet, les différentes courbes obtenus nous montre une progression de la qualité du signal, permettant d'atteindre une linéarité du circuit proposé sur sa zone de fonctionnement. Ce qui nous a permis de proposer la carte 3D du circuit imprimé pour un test si nécessaire. Nous montrons également que le circuit a une zone de saturation, ou il ne peut pas être utilisé. Les courbes obtenus pour différents types de signaux nous font apprécier encore la linéarité de notre circuit. Nous parvenons à convertir un courant de l'ordre du picoampère.

55

Conclusion Générale et perspectives

Les travaux réalisés dans ce mémoire portent sur le thème : Nouvelle Approche de Développement et Conception d'un Circuit de Mesure de Faibles courants. Cela visait principalement deux concepts, celui de l'élimination des grandeurs parasites présentes dans notre circuit et la conception du circuit de mesure allant du capteur jusqu'au PS. Dans la mesure où nous n'avions pas de pré-requis en instrumentation de mesures, la première des choses a été de faire une étude générale sur la chaine de mesure où nous avons vu les différents étages constitutifs de la chaine de mesure. La deuxième partie consistait à présenter une modélisation classique des éléments de la chaine de mesure classique. Dans cette partie, nous avons présenté pour le préamplificateur, deux modèles utilisés en instrumentation, le préamplificateur de courant et le préamplificateur de charge. Les AI utilisés ont également été détaillés avec chacun ses inconvénients. Pour la limitation spectrale du signal, les types de filtres ont été présentés. A la suite, deux structures de bloc de mémoire analogiques ont été présentées, l'E/B et l'intégra-teur à déclenchement périodique. Vu qu'un circuit électronique n'est pas toujours parfait nous avons présenté les différentes sources d'influences dans la chaine. Le chapitre 3 a porté sur la simulation du circuit proposé en se limitant au PS.

Ce travail nous a permis de développer une structure du préamplificateur de courant grâce à un AOP faible bruit et un transistor de type MOS à canal N car la structure classique présente une limitation, celle de ne pas lire les courants inferieure au nanoampère. Le modèle développé consiste donc à commander le transistor avec un signal carré de temps de monté identique au temps de descente (1us). Ceci permet donc de lire les courants encore plus faibles. Cette structure du préamplificateur présente toutefois des distorsions en sortie. En utilisant les travaux de mémoire de DEFO Djeuho R [2], cela nous a permis d'intégrer à notre circuit un amplificateur d'instrumentation. Le problème étant résolus, un autre se pose, celui de la tension d'offset qui est de 02 fois celle du LMC6001. Pour le résoudre, nous avons utilisé un symétriseur délivrant une tension de 700uV opposé au décalage en sortie, ce qui permet de

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compenser l'offset. Le filtre formeur d'ordre trois a été utilisé pour éliminer les basses et les hautes fréquences. Le montage en cascade des différents étages nous à permit d'obtenir un circuit linéaire de pente -22, 22% sur sa zone de fonctionnement linéaire. On peut donc passer à la réalisation du circuit. Cela n'a pas été fait dans ce mémoire car certains composants ont été modifie (MOSFET en présence) et doit être conçus dans une technologie MOS appropriée. De plus la contrainte de temps se posait également.

Par ailleurs, le circuit présenté est assez gourmand en énergie. Pour améliorer le système, on se propose pour les investigations futures à le développer en technologie CMOS, ce qui permettrais de l'intégrer sur une petite surface et d'optimiser la consommation d'énergie. Également nous pourrons dans le même cadre pour développer la chaine de mesure complète puis, intégrer à notre système l'interface de visualisation numérique du signal et faire une réalisation pratique de toute la chaine.

57

Annexe

Définition des principes physique mis en jeu pour les capteurs actifs [10]

~ Thermoélectricité : c'est le principe de tout thermocouple. Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente dont les fonctions sont à de températures T1 et T2 est le siège d'une force électromotrice e(T1, T2).

Application : détermination à partir de la mesure de e, d'une température inconnu T1 lorsque T2 est connu(figure 1.5.a).

~ Pyroélectricité : Certains cristaux dits pyroélectriques, le sulfate de triglycine par exemple, ont une polarisation électrique spontanée qui dépend de leur température; ils portent en surface des charges électriques proportionnelles à cette polarisation et de signes contraires sur les faces opposées.

Application : un flux de rayonnement lumineux absorbé par un cristal pyroélectrique élève sa température, ce qui entraine une modification de sa polarisation qui est mesurable par la variation de tension au borne d'un condensateur associé (figure 1.5.b)

~ Photoémission : Les électrons libérés sont émis hors de la cible éclairée et forment un courant collecté par application d'un champ électrique.

~ Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction de semi-conducteurs de types P et N illuminée; leur déplacement dans le champ électrique de la jonction modifie la tension à ses bornes.

~ Effet photo-électromagnétique : L'application d'un champ magnétique perpendiculaire au rayonnement provoque dans le matériau éclairé l'apparition d'une tension électrique dans la direction normale au champ et au rayonnement.

Applications: Les effets photoélectriques qui permettent d'obtenir courant ou tension fonction de l'éclairement d'une cible sont à la base de méthodes de mesure des grandeurs photométriques d'une part, et ils assurent d'autre part, la transposition en signal

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électrique des informations dont la lumière peut être le véhicule(figure 1.5.e).

~ Piézoélectricité : L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectriques, le quartz par exemple, entraîne une déformation qui suscite l'apparition de charges électriques égales et de signes contraires sur les faces opposées.

Application : mesure de forces ou de grandeurs s'y ramenant (pression, accélération) à partir de la tension que provoquent aux bornes d'un condensateur associé à l'élément piézoélectrique les variations de sa charge (figure 1.5.c).

~ Induction électromagnétique : Lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ d'induction fixe, il est le siège d'une f.é.m. proportionnelle au flux coupé par unité de temps, donc à sa vitesse de déplacement. De même, lorsqu'un circuit fermé est soumis à un flux d'induction variable du fait de son déplacement ou de celui de la source de l'induction (aimant par exemple), la f.é.m. dont il est le siège est égale (et de signe contraire) à la vitesse de variation du flux d'induction.

Application : la mesure de la f.é.m. d'induction permet de connaitre la vitesse du déplacement qui est à son origine. (figure 1.5.d )

~ Effet Hall : Un matériau, généralement semi-conducteur et sous forme de plaquette, est parcouru par un courant I et soumis à une induction B faisant un angle è avec le courant. Il apparaît, dans une direction perpendiculaire à l'induction et au courant une tension vH qui a pour expression

vH = KH.I.B.sinè

Où KH dépend du matériau et des dimensions de la plaquette.

Application : un aimant lié à l'objet dont on veut connaître la position détermine les valeurs de B et au niveau de la plaquette : la tension vH , qui par ce biais est fonction de la position de l'objet en assure donc une traduction électrique (voir figure1.5.f).

Design du circuit de mesure

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Vp

2

R22

RV2

6

U6

Q4

R15

C4

3

2

2

3

U7

C3

R18

R19

R21

C5

6

R2

SORTIE

R16

R17

6

-Vsy2

U5

Vsy2

R8

3

2

R9

Vp

2

R6

R7

RV1

Q3

R4

6

R5

R3

6

U2

U3

R14

R13

2

2

3

3

6

1

R12

U1

SIGNAL D'HORLOGE

3

Q2

3

2

6

Vsy1

1

U4

R1

Vp

3

2

-Vsy1

R11

3

Q1

ENTREE

60

Bibliographie

[1] Saloua Helali Conception et Réalisation de matériaux biofonctionnels Pour des dispositifs capteurs Impédimétriques Thèse de doctorat en co-tutelle, École centrale de Lyon et faculté des science de Tunis, Décembre 2005.

[2] Defo Djeuho J. R Étude et developpement des grandeurs parasites à faibles influence dans un circuit de mesure physique, Université de Douala, mémoire 2017

[3] Djamet Y. A., Wembe T. E. and Essimbi Z. B. Design and Simulation of Novel Gated Integrator for the Heavy ion Beam Monitors System AJEAS American Journal of Engineering and Applied Sciences 2017, 10 (1) : 134.141

[4] Microsoft encyclopédie encarta Chaine d'acquisition 2009

[5] G. Asch et collaborateurs Acquisition de données, du capteur à l'ordinateur Dunod

[6] Georges Asch Les capteurs en instrumentation industrielle Dunod - 8e édition 2017

[7] C. Boudaoud les capteurs et instruments de mesure chapitre 2

[8] Dr. Tristant Richard Organisation des appareils et des systèmes : Aspect fonctionnels et méthodes d'étude, université Victor Segalen Bordeaux 2, 2010

[9] Jon S. Wilson Sensor Technology Handbook Elsevier , 2005.

[10] Georges Asch Les capteurs en instrumentation industrielle Dunod - 7e édition 2017

[11] Helene HORSIN Molinaro, Éric VOURC'H, Jean-Pierre BARBOT Capteur et chaine d'ac-quisition ENS CACHAN 2015

[12] T LEGOU étude et réalisation d'une chaine d'instrumentation numérique pour l'identifi-cation des ions Autre. Université de Caen, 2002. Français. <tel-00002517>

[13] Jean-Baptiste Cizel. Développement d'un circuit de lecture pour un calorimètre électromagnétique ultra-granulaire. Electronique. Université Paris-Saclay, 2016. Français. <NNT : 2016SACLX088>. <tel-01531862>

[14]

BIBLIOGRAPHIE 61

Mémoire de Master of Sciences en Physique option Electronique, UY1

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Gervais Edou Mboue Conception d'un préamplificateur de charge intègre destine à l'utili-sation avec détecteur a photodiodes à avalanche pour des applications en imagerie médicale mémoire université de Sherbrooke, décembre 1997.

[15] Luc Chassagne Cour d'instrumentation » université de Versailles Saint-Quentin, MASTER CSER 2005-2006

[16] Jeffrey R. Riskin A user's guide to IC instrumentation Amplifier, Analog devices, Norwood, Massachusetts

[17] Mokrane Dahoumane. Conception, Réalisation et Caractérisation de l'Electronique Intégrée de Lecture et de Codage des Signaux des Détecteurs de Particules Chargées à Pixels Actifs en Technologie CMOS Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université de Strasbourg, 2009. Français. <Tel-00475421>

[18] Folla K., J. Wembe T. E., Djamet Y. A., Essimbi Z. B., An Optimal Gated Integrator Circuitry based On Dummy Switch For High-Resolution Energy Spectroscopy. IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering, Volume 13, Issue 2 Ver. II (Mar. - Apr. 2018), PP 63-69

[19] Introduction to switched capacitor circuit

[20] Denis STANDAROVSKI Contribution à la conception de circuits intégrés analogiques en technologie CMOS basse tension pour application aux instruments d'observation de la Terre, thèse INTP 2005

[21] Gerard Couturier Le bruit en electronique dep GEII 15 rue Naudet CS 1020733175 Gradignan Cedex

[22] Gerard Couturier Physique des semi conducteurs Dunod

[23] Salah HANFOUG, Conception et layout d'un échantillonneur bloqueur à technologie CMOS 0.35um Université de BATNA, Faculté des sciences de l'ingenieur,

[24] Waltari M. Circuit Techniques for low-voltage and high-speed A/D Converter, thèse de doctorat, Finlande, université des technologies d'Helsinki, juin 2002

[25] Tong Chan Carusone, David A. John, Kennet W. Martin,Analog Integrated Circuit Design 2nd idition.

[26] Behzad Razavi. Design of Analog CMOS Integrated Circuit, university of california, los Angeles-second Edition.

[27] Florent BOUYJOU, nouvelles chaines d'instrumentation intégré multivoies pour l'astro-physique thèse de doctorat université de Toulouse, décembre 2011

[28] E. T. Wembe, H. SU, Y. Qian, et al. Design and simulation of Gaussian shaping amplifier made only with CMOS FET for FEE of particle detector Nuclear Sciences and Techniques, Vol.21 (5) (2010) 312-315