Brevet FR2001046A1 — publié le 19690919

Dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 3.317-.850 on a décrit un amplificateur différentiel intégré monolithique qui est de forme symétrique et dont les éléments semi-eonducteurs d'amplification comprennent des transistors à effet de champ. La stabilisation thermique du mode de fonctionnement symétrique est obtenue grâce à un type spécial de circuit et à un choix particulier du point de fcnction- nement. Dans la revue 'Electronics du 6 Juillet 19'o2 pages 57 r% 39, on a décrit un amplificateur différentiel intégré monolithique de forme symétrique à deux étages et qui comprend des transistors planar comme élénents amplificateurs. On peut utiliser comme mesure de l'asymétrie du mode de fonctionnement d'un amplificateur différentiel la tension dite décalée. On distingue entre une tension décalée l'entrée et une tension décalée de sortiez Si lton considéré un amplifica- teur différentiel à étage unique utilisant des transistors, comme il est montré à la figure 1, la tension décalée d'entrée est alors la tension partieulière qui doit titre appliquée supplémentairement aux bornes l'entree E1 et E2 de manière que les courants dans les circuits de collecteur ses deux transistors T1 et T2 et par conséquent, la chute de tension sur les deux résistances de collecteur R1 et R2, soient égaux dans le cas où le circuit est de forme symétrique.L'expression 'tension décalée de sortie" désigne la symétrie des chutes de tension sur les deux résistances de collecteur R1 et R2 dans les conditions de fonctionnement en phase. La tension décalée de sortie est égale à la tension décalée d'entrée multipliée par l'amplification de tension de l'amplificateur différentiel.Les tensions décalées d'un amplificateur différentiel intégré, particulièrement lorsqu' on utilise des éléments semi-conducteurs, sont commandées principalement par la symétrie des propriétés électriques des éléments semi-conducteurs d'amplification en conséquence, lorsqu'on utilise des transistors bipolaires, elles sont commandées principalement par les résistances de collecteur, les résistances de base et les amplifications du courant. Pour diverses raisons, cependant, la tension décalée d'un amplificateur différentiel intégré utilisant des éléments semi-conducteurs d'amplification est fonction de la température, ce qui constitue un effet extrêmement inopportun. Ain Si, par exemple, dans le cas d'un amplificateur différentiel utilisant des transistors bipolaires comme à la figure 1, et dans le cas d'une asymétrie supérieure à une valeur prédétermin-e, le point de fonctionnement de l'amplificateur différentiel peut être continuellement déplacé ou dévalé jusqu'à provoquer le blocage pratiquement total d'un transistor. La présente invention concerne un amplificateur différentiel intégré présentant une symétrie de tension compensée thermiquement de la chute de tension sur les deux résistances de sortie qui sont chacune disposées dans un circuit de sortie de deux éléments semi-conducteurs d'amplification formant une paire, dont les courants passent dans une résistance commune. Suivant l'une des caractéristiques de l'invention, le problème mentionné ci- dessus de la stabilisation thermiquedeltasymétrie de tension, provoquée par la tension décalée, est résolu dans une large mesure grâce au fait que la résistance de sortie ou de charge (, R2) de chaque élément semi-conducteur d'amplificato1 ou transistor (T1, T2) est couplée thermiquement à l'autre élément serr teur d'ainplifieation plus fortement qutà ltélément semi-conducteur associe. Dans la pratique, il convient d'utiliser un couplage plusieurs fois plus fort des résistances de sortie ou de charge, suivant tn mode en croix, avec les déments semi-conducteurs non associés, pour obtenir des résultats optimum, Suivant la présente invention on utilise une rétroaction thermique qui assu-= une mise en symétrie électrique dans la totalité d'une gamme de températures plus importante dans les conditions de fonctionnement. De cette manière, l'amplifiea- teur différentiel peut être maintenu automatiquement au point de fonctionnement optimum. Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisations, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans les quel La figure 1 représente un amplificateur différentiel à étage unique utilisant des transistors bipolaires, qui doit être intégré selon la présente invention. La figure 2 représente une vue en coupe d'un amplificateur différentiel tel que celui de la figure I et qui est intégré suivant les principes de l'invention, et qui est pris dans un circuit à état solide monolithique comprenant d'autres éléments semi-conducteurs actifs et passifs. L'amplificateur différentiel intégré montré à la figure 1 utilisant deux transistors bipolaires, comme représentés à la figure 2, peut être constitué grâce au procédé de diffusion planar bien connu. Dans la région représentée à la fi gure 2 qui montre une vue en plan d'une portion une pastille semi-conductrice 5 sont diffusés les deux transistors planar T1 et T2. Les régions de collecteur des deux transistors sont comprises dans les lignes 3 et 10 correspondant aux jonctions pn qui constituent une séparation électrique entre les éléments constituant les transistors et ceux constituant les résistances. On peut remplacer les jon- tions pn 9 et 10 par des couches d'oxyde de silicium qui sont intégrér élément semi-conducteur. A l'intérieur des zones 11 et 12 limitées par des traits mixtes, on diffuse les deux régions de base dans lesquelles sont insérées ensu:;te à l'intérieur des limites 1 et 2, les régions d'émetteur. Les pistes formant r = sistance 4 et 5, qui correspondent aux deux résistances R1 et R2 de la figure 17 sont diffusées autour des deux transistors planar suivant le procédé classique, en les isolant du matériau semi-conducteur adjacent par une jonction pn.Ces deux résistances stinterpénètrent en un point auquel est fixée la borne 8. A leurs autres extrémités, les pistes formant résistance comportent, comme le montre la fi- gure 2, des extrémités le contactage agrandies. Les contacts de collecteur 13 et 15 des deux transistors planar sont relies en croix selon la figure 2 aux contacts rltextrémité des deux pistes formant résistance et comportent les bornes de sortie o et 7.Les deux contacts d'émetteur sont reliés entre eux par des lignes, ainsi qu'avec une piste formant résistance constituant la résistance d'émetteur commune RL qui est constituée de la même manière que les pistes 4 et 5 représentant les deux résistances El et R2. L'autre extrémité de ette piste formant résistance 5 est pourvue du conducteur d'arrivée 14. Selon la figure 2 les deux contacts de base sont munis des deux conducteurs de connexion E1 et E2. Ainsi qu'on le constatera, dans exemple de réalisation d'un amplificateur différentiel intégré conçu selon l'invention tel que le montre la figure 2, les deux résistances de sortie ou de charge des transistors sont couplées thermique ment suivant un mode en croix ou transposé, de fagson substantiellement plus forte avec le transistor de l'autre circuit collecteur qu'avec le transistor du eol- lecteur duquel elles sont reliées. Les couplages thermiques entre les éléments inlividuels nexvent Entre aisément adaptés à des valeurs optimum en modifiant la géométrie de l'ensemble.Dans ce but, on doit veiller à ce que la compensation thermique soit réalisée par un couplage thermique obtenu par rétroaction ot qui, en conséquence, exerce un effet de stabilisation sur la portion partieulière de l'arrangement total dont les propriétés électriques sont influencées d'une manière pareillement stabilisatrice en cas de variations de température. Dans le présent exemple d'un amplificateur différentiel utilisant deux transistors planar, ceci est ia jonction pn d'émetteur. L'effet de stabilisation thermique résulte lu fait que dans le cas d'une tension qui est maintenue à une valeur constante entre la région d'émetteur et la région -e base, le courant d'émetteur augmente en fonction de l'élévation de la temperature. De -ette marière à mesure que le courant augmente, le transistor planar exerce un effet (opportunément re ta- le manière que le courant de collecteur de celui-ci tend à augmenter. Concurremment, ceci est éalc-- ment valable pour un échauffement accidentel de l'autre transistor. En conséquence l'amplificateur différentiel est maintenu au point de fonctionnement d'un mode s.-- métrique de fonctionnement. La présente invention est également applicable à un amplificateur différentiel intégré à étages multiples du type décrit par exemple dans le passage mentionné ci-dessus de l'article publié dans la revue Electronies'. La présente invention peut aussi être utilisée pour réaliser la compensation ou stabilisation thermique d'un amplificateur différentiel intégré utilisant des transistors à effet de champ (Pet's) ; dans ce cas, en utilisant un couplage thermique en croi, ou transposé des résistances de sortie ou de charge, on obtient un effet de stabilisation au regard de la variation des résistances internes des transistors à effet de champ. Naturellement, la présente invention peut ,. également autre apnlr éa circuits à état solide non monolithiques et en particulier aux amplificateurs dif férentiels intégrés conçus selon la technique dite hybride, du fait que leurs faibles dimensions géométriques permettent pratiquement des types de mise en oeuvre réalisables, ce qui entraine dans ceux-ci une rétroaction thermique effective. Ainsi, par exemple, les deux transistors T1 et T2 d'un amplificateur différentiel tel que celui de la figure 2 peuvent être fixés par soudure sur une plaque ou plaquette de matériau isolant faite d'un matériau bon isolant, mais bon conducteur de la chaleur, tel que 1' oxyde de beryllium, et, au voisinage direct des deux transistors, on peut appliquer sur le matériau isolant et suivant le procédé connu des résistances globales qui doivent être reliées ou câblées suivant les principes de la présente invention. De plus, il est possible de loger les résistances globales dans ou sur les pastilles des transistors individuels, de sorte que pour la construction de l'amplificateur différentiel intégré du type montré à la figure 2, on utilise deux pastilles semi-conductrices contenant chacune un transistor planar et une résistance diffusée. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement .1 titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 10) Amplificateur différentiel intégré présentant une symétrie de tension compensée thermiquement de la chute de tension sur les deux résistances de sor tie ou de charge qui sont disposées chacune rians un circuit de sortie d de 'deux élé- ments semi-conducteurs d'amplification formant en unc paire. dont le courant circule dans une résistance commune 9 cet amplificateur caractérisé en ce que la ré- sistance de sortie ou décharge de chaque élément semi-eonilucteur d'amplification est couplée thermiquement à l'autre élément semi-conducteur d'amplificatIon plus fortement qu's 11 élément semi-conducteur associé. 2 ) Amplificateur différentiel intégré, comme il est dit au paragraphe 1, caractérisé en ce que les éléments semi -conducteurs d'amplification sont des transistors dont les résistances de collecteur sont mutuellement en couplage thezmi- que avec les jonctions pn d'émetteur. 30) Amplificateur différentiel intégré comme il est dit aux paragraphes 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est conçu symétriquement suivant une forme à étages multiples. 4 ) Amplificateur différentiel intégré comme il est dit aux paragraphes 1 à 3 caractérisé en ce outil est conçu sous la forme dtun circuit à état solide monolithique à l'intérieur dtun élément semi-conducteur monocristallin, en ce que les résistances de sortie sont déposées autour des éléments semi-conducteurs d1 amplification sous la forme de régions en forme te piste comprenant une jonction pn avec le matériau semi-conducteur adjacent.