Brevet FR2001583A1 — publié le 19690926

-1- Une intensité sensiblement constante est fréquemment désirée dans un montage électronique et nécessite l'interposition d'un stabilisateur de courant entre une source d'énergie classique et la charge d'un circuit. Un stabilisateur de courant de 5 ce type comprend simplement une assistance ayant une assez grande valeur, en sorte que le courant qui la traverse est pratiquement constant aalgré des variations de la- charge. Une autre source de courant constant couramment utilisée comprend un transistor destiné à délivrer un courant de sortie sur son collecteur et 10 dont la base est reliée à un potentiel de référence. L'impédance de la source est alors égale à la résistance de sortie assez grande du transistor, de sorte qu'un courant essentiellement constant est délivré, malgré des variations de la charge. Toutefois, les sources de courant des types définis ci-dessus ne 15 fournissent qu'un courant constant relatif et, naturellement, elles ont une impédance de charge de plus faible valeur que la source. Conformément à la présente invention, un circuit régulateur de courant ou source de courant comprend un premier tran-20-sistor destiné à délivrer un courant de sortie à une charge, et un dispositif de jonction à semi-conducteur essentiellement traversé par ce courant. Un second transistor est relié par sa borne de commande au dispositif de jonction à semi-conducteur, de sorte que le courant passant dans le second transistor est 25 modifié en fonction de la tension aux bornes du dispositif de jonction % semi-conducteur et, par conséquent, en fonction du courant de sortie. Des moyens couplent la sortie du second transistor à la borne de commande du premier transistor, dans un sens tel qu'il existe une opposition à une variation da courant de 30 sortie au niveau du premier transistor. On remarque que la résistance de* sortie effective du circuit est approximativement R (1 + 8), S. étant la résistance de sortie du premier transis-os r ' ' o tor et P étant le facteur de gain de courant pour les transistors. 35 le dispositif de jonction à semi-conducteur est essentiel lement couplé aux bornes de l'entrée du second transistor et montre avantageusement une caractéristique '\e tension/courant en accord avec celle de la jonction base-émetteur du second 69 02977 200,583 -2- transistor. la commande du courant de sortie est alors linéaire, malgré les variations de température et d'intensité. Le dispositif de jonction à semi-conductèurs comprend, de préférence, la jonction base-émetteur d'un, troisième transistor, et les trois 5 transistors sont avantageusement montés dans un circuit intégré à seci-conducteurs commun . L'invention a donc pour buts d'offrir : - un circuit régulateur de courant, ou source de courant, transistorisé, perfectionné, de construction simple,"et adapté 10 à la réalisation d'un circuit intégré - une source de courant perfectionnée dont la sortie de courant est facile à régler ; - une source de courant essentiellement constant, perfectionnée, utilisant un minimum de connexions■d'alimentation et 15 apte à fonctionner avec les courants d'alimentation disponibles ; - une source perfectionnée de courant essentiellement constant à semi-conducteurs qui fonctionne avec précision et dont la sortie est essentiellement constante, malgré des variations de température. 20 D'autres caractéristiques et avantages'de la'présente in vention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard, des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, des formes de réalisation conformes à l'invention. 25 Sur ces dessins : la figure 1 est une représentation schématique d'un circuit à courant constant de type antérieur y la figure 2 est une'représentation schématique d'un circuit à courant constant conforme à la présente invention 30 la figure 3 est une représentation schématique d'une forme de réalisation préférée du circuit de la figure 2 ; la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une forme de réalisation d'un circuit intégré conforme à l'invention ; la figure 5 est un schéma de montage équivalent d'un cir- 35 cuit conforme à la présente invention ; la figure 6 est une représentation schématique d'un, circuit de comparaison à courant constant illustrant -la manière dont le courant s'y subdivise % BADÔRIGINAlLr 2001583 69 02977 -3- la figure 7 est une représentation schématique d'un circuit à courant constant conforme à la présente invention, illustrant la subdivision du courant dans ce circuit ; la figure S est une représentation schématique d'une va-5 riante de réalisation du circuit à courant constant conforme à la présente invention. La figura 1 illustre un circuit régulateur de courant, ou source de courant constant, classique, comprenant simplement un transistor. Le transistor 10 a un collecteur 12, une base 14 10 et un émetteur 16 dans lequel le principal trajet de transport du courant ou trajet collecteur-émetteur assure la régulation du courant de sortie I entrant par la borne 18 et sortant car o - la borne de retour 20. La base 14 est reliée à une tension de référence V sur la borne 22. Si, par exemple, le courant de 15 sortie I tend à croître, la tension aux bornes de la résistance O de l'émetteur du transistor 10 croît en fonction de la tension V de sorte que I tend à être ramené à une valeur constante. Bien o que ce circuit présente une impédance raisonnablement forte au niveau de la borne 18, l'impédance est égale à la résistance de 20- sortie du transistor 10. La figure 2 illustre un circuit conforme à la présente invention qui est conçu pour présenter une plus forte impédance de sortie. Dans ce circuit, un premier transistor 30 a son principal trajet de transport de courant interposé entre une borne 25 de sortie 32 et une borne de retour commune 34. Le principal trajet de transport de courant du transistor 30 est défini par les bornes de transport de courant principales, comprenant ici le collecteur 36 relié à la borne de sortie 32, et l'émetteur 38 couplé à la borne de retour commune 34 par l'intermédiaire 30 du dispositif de jonction semi-conducteur, ou la diode, 40. La borne anodique 42 de la diode 40 est connecté" à l'émetteur 38, et la borne cathodique 44 de le diode 40 est connectée à la borne de retour commune 34. Un deuxième transistor 46 a son trajet principal de 35 transport de courant disposé en circuit entre une seconde bor- -ne ou borne de courant de réglage 48 et la borne de retour, commune 34. Le trajet de transport de courant du transistor 46 est défini par les bornes de transport de courant pronei- 69 02977 2001583 -4- pales comprenant ici le collecteur 50 relié à la borne 48 et l'émetteur 52 relié à la borne 34. La base 54 du transistor 46 est reliée au point de jonction entre l'émetteur 38 du transistor 30 et l'anode 42 de la diode 40, tandis que le collecteur 5 50 du transistor 46 est relié à la base du transistor 30. Il va de soi que le courant I est avantageusement fourni par une source d'énergie classique, indiquée par la borne 58, par l'intermédiaire d'une résistance 60. Oette dernière, représentée en traits interrompus, constitue la charge que le courant I traverse. De 10 même, un courant de régulation ou de réglage I„ est fourni sur la borne 48, par exemple par une borne d'alimentation 62, par l'intermédiaire d'une résistance 64 de forte valeur représentée en traits interrompus. Pendant le fonctionnement, le circuit conforme à la figure 15 2 produit une réaction, de sorte que le courant I est maintenu constant. Si le courant I tend à croître, le courant traversant 0 ' la diode 40, qui est formé en grande partie par IQ, croît également et la chute de tension aux bornes de la diode 40 augmente. Par conséquent, la tension appliquée à la base du transistor 46 20 croit, de sorte que la tension du collecteur 50 du transistor 46 décroît, la tension de la base 56 du transistor 30 tend donc à décroître. Une baisse de tension à la base 56 a lieu dans un sens qui provoque la diminution du courant Iq, ce qui entraîne le rétablissement de la valeur désirée de I . De la même façon, 25 si le courant I tend à décroître, le circuit.tend à faire augmenter la tension de la base 56 pour faire croître la valeur de I vers sa valeur désirée. o la diode 40 du dispositif de fonction à semi-conducteur est reliée essentiellement aux bornes de la jonction base-émet-30 teur du transistor 46 où elle est polarisée dans le même sens que la jonction base-émetteur. La diode 40 compense le fonctionnement non-linéaire du transistor 46. Il est désirable que le courant I soit maintenu aussi constant que possible, et des variations de la résistance base-émetteur du transistor 46, résul-35 tant de variations de température, tendent à produire un courant de sortie I qui varie avec la température. Toutefois, le dispositif de jonction r semi-conducteur comprenant la diode 40 fonctionne avantageusement à la même température que le transistor ÇAD ORIGINAL 69 02977 2001583 -5- 46 et la résistance de jonction de la diode 40 varie de la même manière que la résistance "base-émetteur du transistor 46. les dispositifs peuvent être maintenus à la même température d'une manière décrite' avec plus de détailefèi-après. le circuit compen-5 se donc des erreurs qui pourraient autrement survenir comme'conséquence de variations de la température. Comme le concevront également des spécialistes en ce domaine, la. jonction à semiconducteur comprenant la jonction "base-émetteur du transistor 46 et la jonction comprenant la diode 40 montrent chacune une 10 caractéristique tension/intensité exponentielle. Toutefois, étant donné que la diode 40 est reliée essentiellement aux bornes de la jonction base-émetteur du transistor 46, un courant donné passant dans la diode 40 a pour conséquence la pro- • duction d'un courant à variation linéaire à la sortie du tran-15 sistor 46. le courant circulant dans le collecteur 50 devient ■ ainsi une fonction pratiquement linéaire du courant circulant dans la diode 40. Une forme de réalisation préférée du circuit de la figure 2 est représentée sur la figure 3 oti les éléments corres-20 pondants sont désignés par les mêmes chiffres de référencé. Sur cette figure, lé dispositif de jonction à semi-conducteur ou diode comprend un transistor 40' possédant essentiellement les mêmes caractéristiques que le transistor 46. le transistor 40' comprend un émetteur 66 relié à la borne de retour commune 34. 25 Le transistor 40' comprend également une borne de collecteur 68 et une borne de base 70 qui sont reliées. Le collecteur 68 du transistor 40' est relié à la base 70 du transistor 40' en vue de produire une réaction destinée à favoriser la caractéristique exponentielle du transistor 40'. La connexion commune des 30 bornes de la base et du collecteur du transistor 40' est reliée à 1-'émetteur 38 du transistor 30 et à la base 54 du transistor 46. Si les transistors 46 et 40' sont identiques et se trouvent à la même tempérr/cure, le passage du courant à travers le 35 transistor 40' établit une tension aux bornes de ce transistor ' qui est exactement la tension désirée, lorsqu'elle est. appliquée à la base 54 du transistor 46, pour faire passer un courant identique dans l'émetteur 52 du transistor 46» Les deux courants, 69 02977 2001583 -6- c1est-à-dire ceux qui passent dans les émetteurs 56 et 52, sont alors essentiellement égaux, qielle que soit la température, indépendamment des manques de linéarité des transistors. Le fonctionnement du circuit de la figure 3 est essentiellement 5 le même que celui du circuit de la figure. 2, mais il peut être expliqué d'une autre façon en supposant que les courants qui circulent en suivant les trajets de transport de courant principaux des tranaistors 46 et 40' soient toujours les mêmes. Si le courant de sortie I tend à croître, le courant dans le col- o 3 10 lecteur 50 du transistor 46 croît d'une quantité sensible égale. Le courant I est essentiellement constant et, étant donné que n. le courant qui traverse le transistor 46 dérive de Ip, une moins grande quantité de courant est donc d.élivrée à la base 56 du transistor 30. Il en résulte que la valeur de I décroît. Dans 1' 5 les deux circuits des figures 2 et 3, il y ^Àieu de remarquer que Iq est une fonction-de 1^ et qu'en outre, si les transistors 46 et 40'-sont les mêmes et-se trouvent à la même température, les courants I et I,, sont sensiblement identiques. o • il - La figure 4 illustre une réalisation pratique avantageuse 20 du circuit de la figure 3 basée sur la technique des circuits intégrés. Sur la figure 4, les chiffres de référence correspondent aux éléments affectés des mêmes chiffres dans le schéma d.e montage de la figure 3. En ce qui concerne le transistor 30, par exemple, le collecteur 36 comprend avantageusement une couche 25 épitaxiale du type n appliquée sur un substrat 72 du type jd. L'émetteur 38 comprend une diffusion émetteur du tjrpe n et la base 56 est une diffusion du type £ produite entre la diffusion émetteur et la couche épitaxiale. Des zones de diffusion et séparation du type £ 74 séparent les transistors 30, 40' et 46. 30 Le circuit entier ne comporte essentiellement que des dispositifs semi-conducteurs qui sont contenus de façon économique dans un faible espace. Les transistors se trouvent à la même température et sont par ailleurs, avantageusement, de constitution sensiblement identique. 35 • Si> au contraire, il est désirable que le courant de sor tie IQ soit un multiple du courant de réglage 1^, les surfaces des émetteurs 38 , 66 et 52 sont calculées de manière que, par exemple, leg^metteurs 38 et 66 aient la même surface, tandis BAD ORIGINAL 69 02977 2001583 -7- que la surface de l'émetteur 52 est plus petite. Le courant de réglage de référence 1^ est donc plus faible proportionnellement au rapport des surfaces de l'émetteur 52 et de l'émetteur 38 ou 66. 5 La résistance de sortie du circuit de la présente inven tion peut être calculée avec l'aide du circuit de la figure 5. Le circuit de la figure 5 équivaut au circuit de la figure 2 et les éléments correspondants sont affectés des mêmes chiffres de référence. Un circuit équivalent correspondant à peu près au 10 transistor est illustré à la place du transistor 30 et comprend une résistance d'entrée f3r et une résistance de sortie R . La e o résistance de sortie R est shuntée par une source de courant o délivrant un courant V^/rg. Le transistor 46 et la diode 40 sont supposés être des dispositifs identiques, c'est-à-dire que la 15 diode 40 peut en réalité comprendre le transistor 40' de la figure 3 et, par conséquent, le courant qui passe dans la jonction émetteur-base du transistor 46 est identique au courant qui passe dans la diode 40. R est la valeur de la résistance 64 de la sour- s ce par laquelle un courant de référence est délivré. 20 Les calcula donnés ci-après supposent que tous les tran sistors sont conçus comme il est représenté sur la figure 4 et qu'ils ont, par conséquent, le même facteur P, les mêmes surfaces d'émetteur et la même résistance rQ. L'impédance de sortie, pour le circuit de la figure 5, peut être exprimée par la tension aux 25 bornes d'une source de courant d'essai 76 de 1 ampère, reliée à la borne de sortie 32. Le courant résultant qui traverse la diode 40 est égal à 1A(1 + 1/(3), soit pratiquement 1 ampère. (1 A). Le même courant circule dans le transistor 46. L'impédance au niveau du noeud 78 est la combinaison parallèle de P(2r ) et R , © S 30 soit le rapport : 2^eSs 2(3r +-R r e s 35 dans lequel 2Prg représente les résistances d'entrée des éléments 30 et 40 en série. La tension est alors : 69 02977 -8- 2001583 , 2|3r R i (1 A) _LJLJL_ 2pr + R e s .5 le courant gui traverse Rq est égal à Y PR 1 A - r£ = 1 A (1 + 2pr + R e s 10 Si l'on néglige la faible résistance dynamique de l'élément 40, la tension de sortie est égale à : (1 A) R (1 + o pR s 15 et la résistance de sortie R ' est égale à : P*. 2Pr + R e s s p (1 + ) 20 0 2{3r + R es Si R est grand, la résistance de sortie du circuit au niveau de la borne 52 est plus grande que l'impédance de sortie Rq du transistor d'un facteur P + 1, qui représente une augmentation considérable de l'impédance de sortie de la source. 25 La figure 6 illustre la distribution de courant pour un circuit analogue à celui de la figure 1, pourvu d'une diode 86 reliée entre la base 14 du transistor 10 et la borne de retour commune 20, à des fins de comparaison. La diode 86 est utilisée pour régler la tension à la base 14 du transistor 10. L'anode 58 30 de la diode 86 est reliée à la base 14 du transistor 10, de même qu'à une borne de réglage de courant 84 à laquelle un courant de référence ou de réglage est délivré. La cathode 90 de la diode 86 est reliée à la borne 20. La diode 86 est de préférence adaptée aux caractéristiques du transistor 10. Si l'on suppose 35 Q.ue le courant I entre par la borne 18 on obtient la division de courants représentée. Si la diode 86 et le transistor 10 sont des dispositifs sensiblement identiques, les courants qui passent d?ns l'émetteur. 15 du transistor 10 et dans la diode doivent être 69 02977 2001583 , -9- égaux, c'est-à-dire : p + 1 I„ ~ I /P = I " R o' p o 5 En tirant I de cette équation, on a : ^ o ' I = i [ ! _ -JL- ] p + 2 la figure 7 illustre un circuit conforme à la présente 10 invention essentiellement identique à celui de la figure 2 et montrant la subdivision des courants, là encore, si les divers dispositifs à semi-conducteur sont sensiblement identiques, le courant passant dans la diode 40 doit être égal au courant dans l'émetteur 52 du transistor 46, soit : 15 P + 1 ^ - v+ Vf - v^2 = ~r zo - y+ v2 En tirant IQ de cette équation, on a : 20 ï0 = IK [ 1 - -2~ ] 0 1L P + + 2 Par conséquent, le courant de sortie IQ apparaît comme une fonction du courant de référence ou de réglage I„. En outre, -l'adap- XL tation entre les courants de référence et de sortie est supérieu-25 3?e avec le circuit conforme à la présente invention, dans sa forme représentée sur la figure 7. Il y a lieu de remarquer que la différence entre les courants de référence et de sortie est plus forte, dans le cas du circuit conforme à la figure 6, d'un facteur légèrement supérieure à p. 30 Bien que le circuit conforme à la présente invention offre un intérêt particulier lorsqu'il est incorporé dans des structures de circuits intégrés, en raison de l'utilisation presque exclusive de dispositifs de jonction semi-conducteurs, il peut aussi être réalisé en utilisant des transistors normaux. 35 la figure S illustre un circuit sensiblement identique à celui de la figure 2, mais conçu pour des transistors de type normal. Une résistance 80 est ajoutée entre l'émetteur 52 du transistor 46 et la borne de retour commune 34 et une résistance 69 02977 2001583 -10- 82 est ajoutée entre la cathode 44 de la diode 40 et la borne de retour commune 34. Au ra03ren de ces résistances .additionnelles, on peut utiliser le circuit sans adaptation sensible entre la jonction base-émetteur du transistor 46. et la jonction.de la 5 diode 40. Par ailleurs, le circuit fonctionne pratiquement de la même manière que ceux décrits ..ci-dessus et il va de soi que la diode 40 est, là encore, avantageusement, remplacée par -la jonction base-émetteur d'un transistor possédant- des caractéristiques analogues à celles du-transistor 46. 10 le circuit de régulation de courant, ou source de cou rant, conforme à l'invention non seulement délivre un courant de sortie sensiblement constant, du fait qu'il a une impédance de sortie qui est plus forte d'un facteur |3. que celle d'une source de courant transistorisée classique, mais encore est 15 d'une réalisation simple et pratique, notamment dans le cas de dispositifs à circuits intégrés. En .outre, le circuit régulateur de courant ne nécessite pas de tension extérieure étalon et ne comporte qu'une autre borne d'entrée de courant en plus des bornes-de sortie et.de retour.de courant, l'entrée 20 supplémentaire•est avantageusement couplée - avec la source de courant qui est le plus fréquemment disponible dans les montages à semi-conducteurs et qui peut être utilisée pour régler la valeur du courant de sortie du circuit conforme à la présente 'invention. 25 II va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais.nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes ne sortant pas de son cadre. 69 02977 -11- 2001583 - HBVEHDICATIOES - 1 - Circuit régulateur1 de courant à senii-conducteurs, comportant un premier transistor ayant une borne de sortie que traverse le courant stabilisé, et une borne de réglage, caractérisé 5 par le fait qu'il comprend un dispositif de jonction à semi—conducteur couplé en série avec le premier transistor et que traverse également le courant stabilise, un second transistor ayant une borne de réglage couplée avec le dispositif de jonction à semi-conducteur de manière que le courant passant dans le second 10 transistor soit modifié en fonction de la tension aux "bornes du dispositif de jonction à semi-conducteur, et des moyens couplant une borne de sortie du second transistor à la borne de réglage du premier transistor dans un sens s'opposant à la variation de courant à travers le premier transistor. 15 2 - Circuit suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les bornes de réglage du transistor sont constituées respectivement par les bornes de la base de ce transistor et les bornes de sortie du transistor sont constituées respectivement par les bornes de son collecteur, chaque transistor ayant égale-20 ment une borne d'émetteur, le dispositif de jonction à semiconducteur étant couplé à la borne de l'émetteur du premier transistor, de même qu'à la borne de la base du second transistor. 3 - Circuit suivant la revendication 2S caractérisé par 25 le fait que le dispositif de jonction à semi-conducteur comprend un troisième transistor dont les bornes de la base et du collecteur sont couplées à la borne de l'émetteur du premier transistor, de même qu'à la borne de la base du second transistor. 30 4 - Circuit suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que'les transistors respectifs sont incorporé* dans une structur^feoramune de circuit intégré à semi-conducteurs. 5 - Circuit suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les bornes de l'émetteur des second et troisième 35 transistors sont couplées ensemble et avec une borne de retour commune. 6 - Circuit suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de couplage d'une source de 69 02977 2001583 -12- courant de réglage à la borne du collecteur du second transistor. 7 - Circuit suivant la revendication 5> caractérisé par le fait qu'il comprend une première résistance interposée entre 5 la borne de l'émetteur du second transistor et la borne de retour commune, et un second transistor interposé entre la borne de l'émetteur du troisième transistor et la borne de retour commune»