Brevet FR2007793A1 — publié le 19700109

L'emploi d'étage amplificateur différentiel à transistor de charge ou à résistance commune d'émetteur est bien connu des spécialistes. La charge à courant constant fournit la haute impédance nécessaire à une bonne réjection du mode commun et se comporte en outre comme un générateur 5 à courant sensiblement constant,virtuellement indépendant des variations de l'alimentation. Ce circuit.est cependant extrêmement sensible aux variations de température qui agissent sur la jonction base-émetteur polarisée dans le sens direct. En outre, la forte impédance d'émetteur qui dans certains cas est particulièrement souhaitable, pose un problème aux 10 hautes fréquences car elle rend le circuit instable, engendrant des oscillations de 1'amplificateur. L'inconvénient de la solution de la résistance comme d'éaetteur est que l'intensité qui la traverse ait une fonction directe de la tension d'alimentation. De plus, pour obtenir une impédance élevée d'entrée, la résistance d'émetteur doit être grande et oblige, pour 15 maintenir une intensité minimale dans l'étage amplificateur,à utiliser une tension d'alimentation plus élevée. Le circuit à résistance commune d'émetteur est donc sensible à la tension et d'un rendement médiocre car il consomme plus de puissance que les autres systèmes. La présente invention a donc pour objet un circuit réduisant les 20 inconvénients mentionnés ci-dessus et supprimant l'action de la température sur les paramètres. Dans une forme particulière de l'invention un amplificateur différentiel à couplage par émetteur comporte un circuit d'émetteur constitué par une combinaison en parallèle d'une charge à courant sensi-25 blement constant et d'une résistance commune d'émetteur. La combinaison assure la compensation en température en maintenant constant le courant de 1'amplificateur différentiel quelles que soient les variations de température. En outre, 1'amplificateur différentiel selon la présente invention réunit les avantages de la charge à courant constant et de la 30 résistance commune d'émetteur, ce qui permet de réduire la sensibilité aux variations de tension et d'accroître la stabilité sur une large bande de fréquences. Dans les circuits logiques réalisés selon l'invention, la marge de bruit est maintenue constante ce qui rend le circuit utilisable sur 35 une large plage de température et de tension d'alimentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre et du dessin annexé sur lequel : 14095 2 2007793 - la figure 1 est un schéma électrique d'un étage amplificateur différentiel à couplage par émetteur réalisé selon l'invention, - la figure 2 est un schéma du réseau de polarisation du transistor de charge de la figure précédente, - la figure 3 est le schéma électrique d'une porte logique de pilotage de courant à couplage par émetteur selon l'invention. Les étages amplificateurs différentiels à couplage par émetteur sont largement utilisés dans les circuits amplificateurs, particulièrement dans les amplificateurs opérationnels et dans les portes logiques,rapides de pilotage de courant dans lesquels un couplage direct est souhaitable et même nécessaire entre les étages. Ce mode de fonctionnement impose cependant des limitations sévères à la dérive admissible des niveaux de tension en sortie des étages amplificateurs. Le niveau de tension de sortie est fonction de la chute de potentiel dans la résistance de charge. Cette chute de potentiel est directement proportionnelle à la valeur du courant de collecteur (l„) circulant o dans la résistance de charge. Il va de soi que toutes variations du courant de collecteur entraînent une variation de la tension de sortie. Ainsi, toute dérive ou variation du courant de collecteur due à une cause quelconque entraîne un effet analogue à celui d'un signal d'entrée erroné. Dans un circuit porte logique les variations du courant de collecteur provoquant une dérive des niveaux logiques peuvent réduire l'immunité du circuit au bruit à un point tel qu'il puisse être déclenché accidentellement par des impulsions parasites à faible niveau. Si la variation est suffisamment importante ,il peut se produire une inversion des niveaux logiques "1" et "0" (ou vice versa) provoquant évidemment ses déclenchements erronés. Selon l'invention le courant de collecteur est régulé par un circuit parallèle comprenant un générateur de courant et une résistance coasaune d'émetteur connectés au circuit d'émetteur de l'étage amplifica-fcewr différentiel. Lorsque la température croît, l'augmentation de 1'intensité circulant dans la résistance commune d'émetteur sert à compenser la diminution de l'intensité traversant le générateur de courant.L'invention sera mieux comprise en se référant à la figure 1. L'étage amplificateur différentiel à couplage par émetteur de la figure 1 comprend un premier transistor 10 d'un certain type de conductivité, dans ce cas du type NPN, connecté dans une première branche de circuit, et un second transistor 12 du même type de conductivité connecté en parallèle dans une 69 14095 3 2007793 seconde branche de circuit. Les émetteurs des transistors 10 et 12 sont connectés à un point de jonction commun 14. Le collecteur du transistor 10 est connecté à une résistance 16 et le collecteur du transistor 12 est connecté à une résistance 18, les autres extrémités des deux résis-5 tances 16 et 18 étant reliées à un point de potentiel sensiblement fixe, représentées symboliquement sur les dessins comme la masse du circuit. Les bornes de sortie 20 et 22 permettent de connecter d'autres circuits à l'amplificateur différentiel. Les bases des transistors 10 et 12 sont respectivement reliées à des sources de signal 24 et 26. Les sources de 10 signal peuvent Stre indépendantes l'une de l'autre ou l'une d'elle peut servir de référence et l'autre de variable. La jonction commune 14 est reliée au collecteur d'un transistor 28 et a la première extrémité dhne résistance 30. L'autre extrémité de la résistance 30-est reliée à une borne négative 32 d'une source de potentiel appropriée 34. Une résistance 15 36 est connectée entre la borne 32 et l'émetteur du transistor 28. La base 38 du transistor 28 est reliée à un point de potentiel relativement fixe fournit par une source de potentiel de polarisation 40. Le potentiel de polarisation peut être obtenu, particulièrement dans le cas de circuits intégrés, par le circuit de la figure 2 dans lequel une polarisation fixe 20 est assurée par les diodes 52 et 54 qui sont reliées en série à une résistance d'alimentation 56 elle-même reliée à la masse. tiellement fonction du circuit d'émetteur qui comprend le transistor de charge 28 et la résistance commune d'émetteur 30. En supposant que les transistors 10 et 12 aient des gains en courant relativement élevé (B 50) on peut simplifier des calculs en supposant également que le 30 courant de collecteur est égal au courant d'émetteur. Le courant d'émetteur net (ig) est délivré par l'un ou l'autre des transistors 10 et 12, circule dans le circuit commun d'émetteur ou il se divise en deux courants. Un premier courant (1-^) circule dans le circuit de charge passant par la jonction collecteur-émetteur du transistor 28 et par la résistance 36. 35 Ce premier courant 1^ est virtuellement indépendant des variations de la tension d'alimentation car il est déterminé par la valeur du potentiel de polarisation (e^) appliqué à la base du transistor 28 moins la chute ohmique base-émetteur (V_„) du transistor 28 divisé par la valeur de la Jj£t 25 Le fonctionnement de l'étage différentiel est bien connu et seuls les points intéressants le fonctionnement de la présente invention seront décrits ci-après. L'intensité circulant dans les transistors 10 et 12 est essen- 69 14095 4 2007793 résistance 36. Le courant 1^ est donc donné par l'équation suivante 10 15 e, V„„ b - BE 36 Un second courant(l£)circule dans la résistance commune d'émetteur 30. Ce courant ^ est déterminé par la différence de potentiel entre le point de jonction 14 qui est la tension commune d'émetteur de l'étage amplificateur, et le point de jonction 32 qui est la bande négative de la source de potentiel 34 et qui est maintenu à une valeur de -V„_. Le po- Ë£i tentiel du point de jonction 14 est toujours égal à la valeur la plus élevée de la tension d'entrée moins la chute ohmique directe base- émetteur (VD_) de l'un ou des deux transistors 10 et 12. I„ est donc fonc- D£i tion de la tension d'entrée, de la tension d'alimentation, de la chute Vgg (de l'un ou l'autre ou des deux transistors différentiels) et de la valeur de la résistance 30. est donné par l'équation ci-dessous : 20 X2 = V + e - V EE ^ in BE R. 30 Comme on l'a vu précédemment la somme de et de est égale au courant d'émetteur qui à son tour est représentatif du courant circulant dans les 25 collecteurs des transistors 10 et/ou 12. En revenant aux expressions donnant 1^ et on remarque que toutes deux contiennent un terme représentant la chute de la jonction base-émetteur polarisée dans le sens direct (V™). DE» La tension base-émetteur V„ dépend à la fois de la température et de l'in- DE* tensité. En outre, le coefficient de variation de V_„ en fonction de la J5& 30 température dépend de l'intensité. Par exemple pour une certaine géométrie de transistors, on a mesuré un coefficient de variation de VnT, en fonction oc» de la température allant de -1,6 millivolts par °C pour les faibles courants d'émetteur (0,1 milliampère ou moins) à 1,3 millivolts par °C pour des courants d'émetteur de 5 milliampères. 35 Lorsque la tension de polarisation (e^) du circuit de charge est obtenue, comme dans de nombreuses applications en circuit intégré, par deux transistors connectés en diodes (en court-circuitant la base et le collecteur ou en laissant libre le collecteur et errfibtilisant que les jonc- 69 14095 5 2007793 tfons base-émetteur), comme dans le cas de la figure 2, la valeur de la tension de polarisation est la somme de chacune des tensions V^g. Dans le cas présent e^ serait égal au double de la chute (e^ = 2V^). En remplaçant cette valeur de dans l'équation de 1^, on voit que le premier 5 courant 1^ est égal à VgE divisé par la résistance 36 (1^ ~ VBE ^jje ayant un coefficient négatif de température, 1^ décroît lorsque la température augmente. En examinant l'équation de I2 on. voit qu'une augmentation de température provoque une décroissance de ce qui entraîne une augmentation de la chute de potentiel dans la résistance fixe R^q et par con-10 séquent une augmentation ^• Il est possible d'obtenir un équilibrage presque parfait en choisissant de manière convenable le rapport de R^q et de R»,. On réalise ainsi une compensation en température sans avoir Jo recours à des matières spéciales. Ce procédé se prête particulièrement bien aux circuits intégrés mais n'est évidemment pas limité à ce genre 15 d'applications. La figure 3 illustre une autre application de l'invention dans laquelle l'étage différentiel fait partie d'une porte logique de commande de courant. Les bornes de sortie 20 et 22 de l'amplificateur différentiel sont respectivement connectées au base de transistors à charge d'émetteur 20 60 et 62. Les sorties des transistors fournissent les signaux "NI" et "OU" utilisés pour le pilotage des portes suivantes. Un transistor 64 dont la base est reliée au potentiel de la masse par une résistance 65 fait partie de la sortie à charge d'émetteur d'un étage précédent et est relié à la base du transistor 12. En supposant que la sortie de ce transistor 25 soit à un niveau logique haut ou"l", la base du transistor 10 est reliée à l'émetteur d'un transistor 66 fournissant le niveau de référence de l'étage différentiel et servant de source d'alimentation poiar le circuit de charge de courant constituée par une résistance 56 et des diodes (transistors dont les jonctions base-collecteurs sont court-circuitées) 52 30 et 54. La base du transistor 66 est reliée à un diviseur de tension constitué par les résistances 68 et 70. Le rapport de ces deux valeurs de résistance fixe le niveau de référence désiré. L'analyse du circuit révèle que le niveau de tension an point de jonction 14 des émetteurs des transistors 10 et 12 peut prendre deux valeurs 35 distinctes. La première valeur qui est obtenue lorsque la sortie de l'étage précédent est au niveau logique "haut", est approximativement égale au potentiel de la masse moins la somme des chutes de potentiel directe dans les jonctions base-émetteurs des transistors 64 et 12. La seconde valeur qui est obtenue lorsque la sortie de l'étage précédent est au niveau logique 14095 6 2007793 "bas" est approximativement égale à la tension de référence établie par les résistances 68 et 70 moins la somme des chutes de potentiel direct dans les jonctions base-émetteurs des transistors 66 et 10. Le potentiel du point de jonction 14 est donc toujours inférieur de deux fois les chutes de potentiel V--, jsoit au potentiel de la masse, soit au potentiel de référence fixé par les résistances 68 et 70. Ainsi, comme on 1& vu précédemment, le potentiel Su point de jonction 14 augmente avec la température à une vitesse double de celle fixée par le coefficient négatif de température d'une seule jonction base-émetteur. En prenant à titre d'exemple un coefficient négatif de température de 1,6 millivolts par °C, le potentiel du point 14 augmente de 3,2 millivolts par °C, c'est-à-dire que 1 'intensité Ig traversant la résistance coEnatne d'émetteur 30 augmente de 3,2 milliampères . Le circuit générateur de courant est constitué par R30 °C la combinaison des circuits des figures 1 et 2 et comme dans le cas précédent la décroissance de potentiel dans la résistance 36 se fait à 1,6 millivolts par °C ce qui entraîne une diminution de l'intensité 1^ de 1,6 milliampères . ^36 La diminution de l'intensité daps la première branche peut être annulée par l'augmentation d'intensité dans la seconde branche en choisissant convenablement les rapports de résistance. Bien que l'exemple proposé indique une valeur de R^q double de celle de des expériences en laboratoire ont révélées que des effets secondaires tels que la variation du coefficient de température d'une jonction base-é-setteur polarisée directement avec l'intensité, peut nécessiter un rapport autre que 2 : 1 pour annuler les fluctuations de courant. Par exemple dans un circuit réalisé selon l'in-v-anfcion l'annulation de la dépendance de la température est obtenue par un rapport de résistance de 3 : 1. En divisant les courants d'émetteur également entre les deux che-srlns de conduction constitués respectivement par la résistance commune i'émetteur et la charge à courant constant, il est possible de réaliser une correction de température presque parfaite. On peut donc maintenir une marge de bruit sensiblement constante pour toutes les variations de température. Le transistor de charge est polarisé de manière que l'intensité qui le traverse soit indépendante des variations de l'alimentation. Le courant d'émetteur qui est ainsi divisé également entre Ij et I^ est donc deux fois moins sensible aux variations de l'alimentation qu'un circuit 69 14095 7 2007793 constitué simplement par une résistance commune d'émetteur. L'emploi d'une source unique de courant à haute impédance pose des problèmes de stabilité du circuit. L'inductance du conducteur (dans le circuit de base de l'amplificateur différentiel)etde la capacité shunt, de 5 la jonction des émetteurs de la paire différentielle constitue en fait un circuit LC qui risque de provoquer des oscillations de l'étage ançlifi-cateur. La réduction de l'impédance de sortie de la source de courant au moyen d'une résistance commune d'émetteur permet de shunter la capacité et d'amortir le circuit, ce qui accroît la plage de stabilité en fréquence. 10 L'emploi d'une résistance commune d'émetteur en parallèle avec un transistor de charge assure la compensation ertfcempérature, la sensibilité aux variations de l'alimentation et la stabilité en fréquence. Le transistor de charge a été choisi,dans la forme illustrée de l'invention,car il est favorable aux réalisations en circuit intégré. 11 va cependant de soi 15 que tout générateur de courant sensible à la température connecté dans le circuit d'émetteur de l'étage différentiel peut être shunté par une résistance commune d'émetteur avec des résultats identiques ou similaires. L'emploi de la résistance d'émetteur peut être étendu en connectant la résistance d'émetteur 30 de l'étage différentiel en parallèle avec 20 la jonction collecteur-émetteur du transistor de charge 28 et en utilisant la résistance 36 comme circuit de retour commun pour les deux intensités. Une telle disposition, bien qu'assurant une moins bonne correction dès variations de température, améliore l'insensibilité aux variations d'alimentation et au bruit présent au niveau "1" d'entrée tout en diminuant la possibilité 25 d'oscillations. En outre cette disposition permet 1'emploi/de deux résistances de valeurs beaucoup plus faibles sans accroître la dissipation de puissance ce qui est particulièrement souhaitable dans le cas d'un circuit intégré. Bien que les circuits décrits utilisent des transistors de type NPN, il va de soi pour les spécialistes que le circuit fonctionnera égale-30 ment avec des transistors de type PNP à condition d'inverser les connexions ai* sourcesde potentiel. Il va de soi;que l'invention est susceptible de diverses modifications ou applications sans sortir de son cadre. 14095 8 2007793 REVENDICATIONS 1 - Circuit électrique comprenant un premier et un second point de jonction, un générateur à courant sensiblement constant assurant un premier chemin de conduction entre le premier et le second point de jonction, dans lequel la conduction dudit premier chemin de conduction varie avec la température, caractérisé en ce que la compensation est assurée par l'interposition d'une première résistance fournissant un second chemin de conduction entre les premier et second points de jonction, l'intensité circulant dans le second chemin variant de manière à compenser les variations de l'intensité circulant dans le premier chemin sous l'action de variation de température . 2 - Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur à courant sensiblement constant comprend une seconde résistance et un transistor dont la base est connectée à un point de potentiel sensiblement fixe, la seconde résistance étant connectée entre l'émetteur et le second point de'jonction et le collecteur du transistor étant connecté au premier point de jonction. 3 - Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de potentiel sensiblement fixe est relié à une source de potentiel dont la valeur est telle qu'elle polarise de manière directe la jonction émetteur-base dudit transistor.