Brevet FR2058211A1 — publié le 19710528

» * * &* *» i « 69 27S61 1 2058211 En général, l'invention concerne des étages d1amplificateur, et_ en particulier un étage d'amplificateur «de transistor de haute densité de courant qui fonctionne à "basse densité de courant de polarisation. Comme il apparaîtra plus clairement dans la 5 suite de la description, un tel étage d'amplificateur est particulièrement recommandé pour la fabrication de circuit intégré du tjpsne comprenant substantiellement que des éléments qui fonctionnent par transistors et résistances. La fabrication et l'interconnexion des transistors et des résistances sur une 10 plaque monolithique, sont bien connues dans la technique. Un objet de la présente invention est de fournir im étage d'amplificateur possédant une faible puissance de dissipation dans l'élément de polarisation, ! Bans l'esprit de l'objet susmentionné9 la présente invention . : 15 consiste principalement en un. étage âfamplificateur comportant ! un premier et un second transistor comportant chacun res pectivement des électrodes d© caseg des électrodes émettriees et des électrodes collectrices• Les électrodes de "base respectives sont reliées à un premier point de tension commune au moyen 20 d'une paire de résistances. Les électrodes émettriees respectives sont reliées à un second point de tension commune et les électrodes collectrices respectives sont reliées pour recevoir des potentiels énergétiques appliqués» Ls électrode collectrice : du premier transistor est reliée av. premier point de tension 25 commune. Un troisième transistor est prévu pour le couplage de . l'électrode émettriee du premier transistor au second point de j tension commune. Un système d'impédance assure le couplage de i l'électrode émettriee du second transistor au second point de tension commune. Le système d'impédance possède substantiellement i 30 une impédance infériexire à celle de la troisième résistance aù moyen > de laquelle le second transistor est mis en oeuvre pour développer | un courant de forte densité dans l'électrode collectrice en réponse à un courant de l'électrode collectrice dans le premier transistor de -valeur mesurée très faible. 35 L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caracté ristiques et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention at dans lesquels : 40 - la figure 1 est une œupedu diagraam^ie circuit schématique i- jjMP ORJGÎNAL ' 6§ 27161 2 2058211 d'm étage d5 amplificateur à-émetteur commun polarisé suivant un montage de l'art antérieur! - la figure 2 est un diagramme de circuit ' schématique d'une variante de l'art antérieur de l'étage d'amplificateur à émetteur 5 commun de la figure 1 ? et - la figure 3 est un diagramme de circuits schématiques d'un étage d8amplificateur à émetteur commun suivant les principes de la présente'invention» Si on se réfère à la figure 1, on y trouve un étage d'ampli-1o ficateur à émetteur commun suivant l'art antérieur du type décrit dans le brevet américain n° 3 364 434 délivré le 16 janvier 1968o L'étage comprend un transistor amplificateur 10 comportant les électrodes émettrieess de base et collectrices 12. 14 et 16 respectivement g et un transistor de polarisation 18 comportant les " 5 électrodes correspondantes 20? 22 et 24o Les éleotroâss do base 14 et 22 sont couplées à un premier point 26 de tension eoEmauae par les résistances 28 et 30g tandis ■ que les électrodes émettriee 12 et 20 sont directement reliées à un second point 32 de tension commune 9 qui peut spécifiquement 20 être relié à la terre0 Les électrodes collectrices 16 et 24 sont chacune couplée à ime source de potentiel énergétique P 1"électrode oolleetrie© 16 au moyen detmo résistance 34 et 1° électrode collectrice 24 au moyen d'une résistance 36* L'électrode collectrice 24 est en 25 outre reliée au point de tension commune 269 avec les résistances. 28 et 30 couplées par ce même point et qui sont de valeur égale® Des signaux d'entrée appliqués aux électrodes de base 14 et 22 seront amplifiés par les transistors 10 et 18 et seront développés ainsi amplifiés sur l'électrode collectrice 16® Le brevet 30 américain a® 3 364 434 crée aussi un montage alternatif ôaa® lequel des résistances de valeur égale peuvent itr® insérées entre les électrodes respectives émettriees 12 et 20 et le point de tension commune 32e Chacune des configurations d'étage d'amplificateur à émetteur 35 commun de l'art antérieur précité est utilisée pour produire un courant collecteur au repos pour le transistor 10 égal à celui produit pour le transistor 18, indépendant des changements dans les caractéristiques du transistor en raison des variations de température qui sont communes aux deux. G'est-à-dire, l'étage 40 d'amplificateur est fabriqué par des techniques de circuit intégrée bad ORIGINAL1 69 27561 3 2058211 Ceci produit une sélection, et un couplage thermique entre les transistors 10 et 18. La valeur de la résistance 28 est rendue égale à celle de la résistance 30. Ainsi, les courants collecteurs des transistors seront substantiellement identiques tant que le 5 transistor 1 0 n' est pas en saturation. Ceci est vrai puisque les deux électrodes de base 14 et 22 fonctionneront à partir de la même source»à savoir, le point de tension commune 26. De telles identités de courant peuvent être désavantageuses, en outre, dans le montage d'amplificateur utilisé comme étage 10 de sortie à haute densité de courant d'un canal de signal incorporé sur une plaque mince intégrée, par exemple. Avec des sources à potentiel énergétique de valeur similaire, on pourra noter que la dissipation de puissances dans l'élément de polarisation sera comparable à celle qui se produit dans l'élément d'amplification 15 par exemple 100 milliwatts, et/ou le courant de son collecteur de sortie est de 10 milliampères émis par une source de 10 volts. Comme on le comprendra facilement, ces 100 milliwatts de dissipation dans l'élément de polarisation représentent un pourcentage substantiel de la dissipation permise sur une plaque intégrée, 20 et sont dissipés exagérément. Une suggestion pour la réduction de cette dissipation inutile conqiste à faire varier le rapport entre les résistances 28 et 30 pour engendrer des courants collecteurs en rapport, mais non égaux, au courant des transistors 10 et 18. Au moyen d'une 25 résistance choisie 30 qui est égale à deux fois la valeur de la résistance 28 par exemple, le courant collecteur dans 1'élément de polarisation du montage amplificateur est ostensiblement réduit. En outre, le colorant collecteur dans l'élément d'amplification devient alors indésirablement dépendant des gains de 30 courant direct (betas) des deux transistors et tend à varier de plaque en plaque. Une seconde solution suggérée, comme l'indique la figure 2, utilise effectivement l'élément de polarisation pour polariser plusieurs éléments d'amplification reliés en parallèle. Pour dix 35 transistors de sortie, représentés en parallèle, le rapport de résistance entre les résistances d'électrodes collectrices 40 et 42 seraient de dix : un, et le même rapport se maintiendrait substantiellement pour les résistances de couplage d'électrodes de base 44 et 46. Un tel montage présente des inconvénients, 40 quoiqu'il en soit, par ce qu'il nécessite une surface appréciable 6$ 27S61 2058211 sur la plaque. Selon les principes de la présente invention, la dissipation de puissance par l'élément de polarisation peut être substantiellement réduite, sans dépendre des gains de courant direct 5 les transistors nécessitant une surface additionnelle appréciable sur la plaque. Un amplificateur à émetteur commun mis en oeuvre suivant les principes de la présente invention est, illustré sur la figure 3 et, comme on pourra le voir, ajoute sur le montage de 10 la figure 1, une résistance 50 entre l'électrode émettriee 20 et le point de haute tension commune 32, l'électrode émettriee 12 restant directement reliée à ce point. Une analyse mathématique de ce circuit se présente comme suit : a) la tension au point commun 26 est donnée par l'expression : S 8+ I]31S*50 + Sa So = TBE, 0 + IB10S28 ( 1 ) dans laquelle V-a-n et Y-r,™ sont les chutes de tension directe 1 0 .18 de la "base à l'émetteur des transistors 10 et 18 respectivement, 20 I-r, et Ix, sont les courante "base respectifs de ces deux tran-B10 18 sistors, I-g et le courant émetteur du transistor 18, et R^q, R28 les va-^eurs des résistances 50 , 28 et 30. b) en substituant la fraction M} log^f^j par le terme VBE 25 et les équations suivantes dans l'expression f : I *8 - ! _ _!iç. i f ! ie __ 18 °18 '1S ha 10 ?10 18 Pi8+1 l'expression 1 devient après transformation ï 30 35 — loge ïï m, / L V. J128 (2) où k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue, £ est l'unité de charge d'un électron, I et I sont les c10 °18 40 courants collecteurs des transistors 10 et 18 respectivement, 2058211 I et I sont les courants de fuite respectifs de ces deux 10 18 1 È transistors, et f10 et "18 sont les gains de courant direct des transistors 10 et 18# c) en supposant que ^10= h 8 et Is = Ig , ainsi qu'il 5 doit en être dans l'environnement d'un circuit l&tégré, et que B1q est grand, alors l'expression 2 peut être réécrite î Ic (e50 + *5° - "*28 V M. l0 (3) 18 \ | î G j n 10 où m est la fraction -•*-—■. c18 Cette dernière expression comporte essentiellement 1'équation de définition établie pour le montage de l'amplificateur à émetteur commun de la figure 3. A partir des mêmes suppositions, 15 que selles établies dans e) susmentionné, on a pu montré que l'équation de définition correspondante pour un montage suivant l'art antérieur de la technique de la figure 1 est donnée par l'expression : 20 ïo f ^ t S. (4) 18 \ fio / - partout on se sert des mêmes définitions de termes. En outre, les équations pour le courant collecteur dans le transistor 18 suivant les montages des figures 1 et 3 peuvent 25 être respectivement représentées comme î BE18 I]318R30 °18 ®36 (pour figure 1) (5) 3° , 7_¥bE18 " ^18^0 " ^50 et I = ————— — ■ (pour figure 3) (6) *36 où Y est la valeur de la tension de la source de potentiel énergétique pour le transistor 18 et Rzr est la valeur de la 35 résistance 36® 3n notant que Xg et R^q sont petits et que 18 V---, voisine 0,75 volts pour un transistor à circuit intégré, g Iss équations 5 et 6 peuvent chacune se simplifier par : 27561 6 2058211 I = V - 0.75 • °18 Bj6 A partir des expressions 4 et 7 décrivant le montage de la figure 1 on peut voir qu 1 avec les valeurs choisies pour Y et a36 I50"112* donner un courant prédéterminé IQ , afin de fournir un courant de I qui est de m fois plus ^§and, le rapport des résistances ^ choisies pour R2Q et R^q doit varier en même temps que par exemple, de plaque en plaque (excepté pour le cas unique où m = 1 et R^q = partir des expressions 3 et 7 décrivant le montage de la figure 3, d'autre part, on peut voir que l'effet de variation de q décroît en raison de la présence du terme R^q« En effet, R^q peut être rendu égal à mRgg, " ainsi on peut éviter que 1^? rapport m dépende des variàtionsde j3^^ pour une valeur de m. Si l'on ■ considère les exemples suivants : a) Y est choisi pour être de 10 volts et R^g de 9,1 kilohms Tfour donner un courant I de t milliampèrei on veut que I 1.8 10 soit égal à 10 milliampères (m = 10), R^g es"fc choisi égal à 500 ohms et a la valeur de 33 millimhos par milliampère à la température ambiante î pour un ^ Q de 50, R^q dans le montage de la figure 1 (expression 4) est calculé pour être de 8,5 kilo ohms; mais dans un environnement de plaque intégrée différent où q est égal à 60 au lieu de 50 en raison des modifications de la tolérance dans les procédés de fabrication, R^q doit être de 9,2 kilctas afin de maintenir le même rapport de courant 10:1 ce qui correspond à un changement de 8,2 b.) Y, Rjg, m, R28. et - avec R50 dans le montage de la figure 3 choisi à 50 ohas; pour un supposé de 50, R^q est calculé pour être de 6,0 kilo ohms (expression 3), tandis que R^q est calculé pour être égal à 6,2 kilohms dans l'environnement où fa Q est de 60 ce qui correspond à un changement de 3,3 ®-28 et -ir sont indiqués dans le a ci-dessus, avec R50 dans le montage de la figure 3 choisi pour être égal à 70 ohms9 pour unj^Q de 50, R^q est calculé pour être égal à 5,0 kilohms, la même valeur que dans 1 'environnement où fa q est de 60 ce qui montre la liberté des variations de Le tableau suivant montre le décroissement comparable dans la dépendance de pour l'étage d'amplificateur à émetteur 69 27561 7 2058211 commun de la figure 3 qui diffère de celui de la figure 1 Y !a36 volts * EJI m ""•as J2. à FIGURE 1 10 9,1 10 500 33 ( ( 10 ( FIGURE 3 50 60 30 30 ici • R50 : SL : fo Variation 50 60 «■MM 8,5 9,2 8r2 50 60 20 20 7^5 8,0 6,7 7,0 7,4 5,7 4,6 15 20 ( ( 25 (- 50 60 40 40 50 60 50 50 50 60 50 60 60 60 70 70 6,5 6,8 6,0 6,2 5.5 5.6 5,0 5,0 3,3 1,8 30 35 Un mode de réalisation préféré de la présente invention sera ainsi considéré comme étant celui dans lequel la valeur de la résistance de R^q égale à m fois la valeur de la résistance R2Q, où il y a une variation de pourcentage nulle (c'est-à-dire non dépendance du gain de courant direct). En général, en outre une performance dans le perfectionnement sera ohtenue par le -"30 — 28 calcul tant que le rapport des résistances est inférieur à Rçjq. Dans ces exemples, dans lesquels les ga: 0, de courant des transistors 10 et 18 ne sont pas égaux, "un mode de réalisation préféré de l'invention peut être démontré comme étant du type R^O 28 dans lequel . Une performance dans le perfectionnement P10 P18 R™ mR„o sera obtenue par le calcul en général tant que » °— n° r18 est inférieur à R^q. 6§ 27561 8 2058211 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi 5 que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de 1'invention» 69 27561 9 2058211 REVENDICATIONS 1. - Etage d1amplificateur comportant un premier et un second transistors comportant chacun respectivement des électrodes de hase, émettriees,et collectricess le^électrodes de "base respectives étant couplées à lia premier point de tension commune par une paire 5 de résistances, les électrodes émettriees respectives étant couplées a un second point de tension commune, et les électrodes • collectrices respectives couplées pour recevoir les potentiels d'énergie appliquée, l'électrode collectrice du premier transistor précité étant couplée additiomellement au premier point de 10 tension commune précitée, ledit étage d'amplificateur étant caractérisé en ce qu'il comprend une troisième résistance couplant l'électrode émettriee du premier transistor précité au second point de tension commune, un système d'impédance assurant le couplage de l'électrode émettriee dudit second transistor au 15 second point de tension commune précitée, ledit système d'impédance possédant une impédance substantiellement inférieure à celle de la troisième résistance précitée, au moyen de.laquelle ledit second transistor est mis en oeuvre pour développer un courant d'électrode collectrice de haute densité en réponse à un courant 20 d'électrode collectrice dans le premier transistor précité de valeur inférieure» 2. - Etage d'amplificateur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une connexion directe d'impédance substantielle nulle est connectée entre l'électrode émettriee dudit second transistor 25 et ledit second point de tension commune. 3. - Etage d'amplificateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ledit troisième transistor comporte une valeur de résistance supérieure à l'expression t où R., et R, sont les valeurs de résistances respectives reliant les électrodes base desdits premier et second transistors au premier point de tension oommime précité 5 m est le rapport entre 35 le courant de 18 électrode collectrice dans le second transistor précité et le courant de l'électrode collectrice dans le premier transistor précité, et ^ et sont les gains de courant direct desdits premiers et second transistors respectivement. Ri mR2 30 69 27561 10 2058211 4. - Etage d'amplificateur suivant la revendication 1 caractérise en ce que 1* équation suivante est satisfaite : ?1 ?2 5 où et Rg sont les valeurs des résistances respectives des transistors assurant le couplage des électrodes base desdits premier et second transistors au premier point de tension commune précitée', m est le rapport entre le courant de 16 électrode collectrice dans ledit second transistor et le courant de l'électrode 10 collectrice dans ledit premier transistor, et ^ et ^ sont les gains de courant direct desdits premier et second transistors respectivement• 5. - Etage d'amplificateur suivant 1 5une des revendications 1 » 3 ou 4 caractérisé en ce que lesdits premier et second transistors 15 "sont une paire sélectionnée de même type de polarité et Rj = mR^ où R^ et sofl-'k les valeurs des résistances respectives des résistances assurant les couplages des électrodes de base des premier et second transistors précités audit premier point de tension commune et m est le rapport entre le courant de l'électrode 20 collectrice dans ledit second transistor et le c.ourant de l'électrode collectrice dans ledit premier transistor#