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

Mémoire de Master of Sciences en Physique @PANCHA Y. Hertz

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

Mémoire de Master of Sciences en Physique option Electronique, UY1

@PANCHA Y. Hertz

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