Brevet FR2121595A1 — publié le 19720825

La présente invention concerne des circuits électriques qui peuvent être utilisés, par exemple, en combinaison avec des amplificateurs ou autres appareils électriques, pour délivrer des courants qui sont sensiblement indépendants des 5 variations de la tension d'alimentation et/ou des variations de la température. De tels circuits conviennent particulièrement bien pour la fabrication sous forme intégrée monolithique dans laquelle on peut obtenir relativement facilement un couplage thermique précis, une adaptation précise des caractéristiques 10 des dispositifs actifs tels que les transistors et une adaptation précise des rapports de résistance . l'invention sera par conséquent décrite dans un tel environnement. les divers composants tels que les transistors, diodes et résistances, fabriqués dans un circuit intégré présentent 15 une dépendance à la température qui peut être prévue d'avance. Par exemple, la valeur desrésistancesdiffuséesaugmente selon un taux prédéterminé avec l'augmentation de la température. D'autre part, pour un niveau de courant donné, la chute de tension en sens direct à la jonction d'un semi-conducteur, par 20 exemple la jonction base-émetteur d'un transistor ou un transistor monté en diode (c'est-à-dire ^g)» décroît selon un second taux prédéterminé lorsque la température augmente. Une diode à avalanche (par exemple des diodes de Zener) peut être fabriquée de façon à présenter un coefficient de 25 température positif, négatif ou sensiblement nul dépendant, parmi d'autres paramètres, de la tension d'amorçage ou de rupture inverse et du courant auquel elle fonctionne. Etant donné que les composants d'un circuit intégré monolithique sont physiquement à proximité étroite les uns des autres 30 e"t qu'une bonne conductivité thermique existe entre de tels composants, la variation totale des caractéristiques de fonctionnement en fonction de la température d'un ensemble de tels composants (c'est-à-dire un circuit), peut être prévue d'avance, les composants présentant des coefficients de 35 température négatifs peuvent par conséquent être combinés avec des composants présentant des coefficients de température positifs, l'effet résultant étant l'obtention d'un paramètre n 002n 2 2121595 de fonctionnement tel qu'un courant qui est sensiblement indépendant de la température. Une telle approche pour obtenir des sources de courant thermiquement compensé est décrite dans le brevet américain 5 ÎT° 3.534.245° Ce brevet décrit des circuits dans lesquels un nombre déterminé de chutes de tension de jonction de semi-conducteurs polarisée en sens direct (par exemple Y^e,g) sont reliées en série avec une résistance sensible à la température aux bornes d'une source de tension, le nombre des 10 chutes de tension est choisi de façon à délivrer le courant thermiquement compensé désiré dans la résistance, les circuits selon le brevet précité sont rendus indépendants des variations de la tension d'alimentation par inclusion, par exemple jd'une diode à avalanche dans la source de tension. 15 Conformément à la présente invention, on prévoit une source d e courant thermiquement compensé dans le circuit de courant collecteur-émetteur d'un transistor avec une résistance d'émetteur ayant un premier coefficient de température. Une source de tension régulée telle qu'obtenue par une diode 20 montée en diode à avalanche alimente un diviseur de tension à courant continu, la tension de sortie du diviseur de tension est appliquée à la combinaison en série constituée par la jonction base-émetteur du transistor et de sa résistance d'émetteur, la tension de sortie du diviseur de tension, en 25 combinaison avec la tension décalée de la jonction base-émetteur du transistor délivre une t ension aux bornes de la résistance d'émetteur ayant un coefficient de température qui est le même que le coefficient de température de la résistance d'émetteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 30 ainsi que son fonctionnement seront mieux compris en se référant à la description qui suit ainsi qu'au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple et qui représente, de façon schématique, une source de courant selon un mode de réalisation de la présente invention. 35 En se référant au dessin, la source de courant est faite, de préférence, sous forme d'un circuit intégré, la source de courant comporte la combinaison en série constituée par 72 00227 3 2121595 une résistance 10 de limitation de courant et une diode à avalanche 12 reliées aux bornes d'une source de tension de fonctionnement (+) par l'intermédiaire de bornes 14 et 16, cette dernière borne étant reliée à un point de référence tel 5 que la masse, la tension d'avalanche ou de Zener aux bornes de la diode 12 est divisée, pour être appliquée à la combinaison en série constituée par une résistance 18 et une diode 20, au moyen d'un diviseur de tension en courant continu, désigné d'une façon générale par la référence 22. le diviseur de tension 10 22 comporte un premier transistor 24 monté à émetteur commun dégénéré. Une résistance 26 est reliée entre l'émetteur du transistor 24 et la borne 16 à la masse. Un diviseur de tension résistif comportant des résistances 28 et 30 est relié aux bornes de la diode 12. la jonction des résistances 28 et 30 15 est reliée au collecteur d'un transistor 24. Un second transistor 32, monté en contre-réaction avec le transistor 24, comporte une base qui est reliée au collecteur du transistor 24, un émetteur relié en commun à la base du transistor 24 et à l'extrémité de la résistance 18 qui est la plus éloignée 20 de la diode 20. le transistor 32 comporte également un collecteur qui est relié à une première borne de sortie 34. les diviseurs de tension à dispositifs actifs du type représenté sont décrits et représentés dans le brevet américain 3.383.612. Un troisième transistor 36 peut être prévu également 25 pour délivrer un courant de sortie à une seconde borne de sortie 38. le transistor 36 comporte une base et un émetteur reliés aux bornes de l^&iode 20 et un collecteur relié à la borne 38. Le transistor 36 et la diode 20 sont montés de façon à présenter cles caractéristiques de conduction proportionnelles 30 décrites dans le brevet américain ÎT° 3.531 .730. Le circuit représenté fonctionne de la façon suivante : On suppose, dans un but explicatif, que le gain en courant (Â) de chacun des transistors 24, 32 et 36, est suffisamment grand pour que le courant de collecteur et d'émetteur 35 d'un dispositif donné soit sensiblement égal et que, en comparaison, le courant de base soit négligeable. Une telle supposition est justifiée dans le cas des transistors EPÏT représentés 72 00227 4 2121595 sous forme de circuit intégré. Dans ce cas, le courant de sortie (I ) délivré à la borne 34 peut être considéré comme étant égal au courant passant dans la combinaison constituée par la résistance 18 et la diode 20 montées en série. Le courant de sortie à une température donnée >. peut être exprimé par l'équation : z E - 7S20 "°1 E18 dans laquelle : 10 E = tension à la base du transistor 24 par rapport à la borne .; 16 (volts); ^D20 = ^ens^orL aux bornes de la diode 20 (volts) R, 0 = valeur de la résistance 18 (ohms). 1 O Le courant de sortie àune seconde température 3^ peut être 15 donné par l'équation : E + + VD2Q] I O 2 R1 8 + A R1 8 dans laquelle : A E = changement de la tension à la base du transistor 24 pour un changement de température de à 20 ^ ^D20 = c^LanSemen"fc de la tension aux bornes de la diode 20 pour un changement de température de à A Rlg = changement de la valeur de la résistance 18 pour un un changement de température de à • Les conditions nécessaires pour stabiliser le courant 25 de sortie en fonction de la température peuvent être déterminées en rendant égales les équations donnant I et I : °1 °2 E ~ YD20 _ E + & E - [ YD20 + VpgJ R18 R18 + A R18 ^tfHËÏt. 72 00227 5 2121595 Cette équation, peut être résolue en fonction de la tension E pour un courant constant et donne : _ R18 ^ E ~ A ^20^ const I ~ A E.c D20 i b En supposant, dans un but de simplification, que la tension E est indépendante de la température et par conséquent que A E est nul, l'équation ci-dessus peut être écrite : -&ÏD20 ÛH18 Econst I VD20 R18 Ainsi, le courant I peut être rendu indépendant de la température en choisissant la tension aux bornes de la résis-10 tance 18 (c'est-à-dire E - V-j^o^ faÇon ÇLue la "dépendance de température d'une telle tension et la dépendance de température de la valeur de la résistance 18 soient égales et opposées. Si le circuit est construit en utilisant des procédés au silicium monolithique , la chute de tension de 15 la jonction de semi-conducteurs polarisés en sens direct (c'est-à-dire ) relative à la diode 20 est sensiblement égale 0,7 volt pour une gamme importante de courants, tandis que le changement de la chute de tension en sens direct, en fonction de la température, est égal approximativement à 20 -1,75 millivolt par degré centigrade de changement de température, les valeurs de résistance dans une telle structure changent approximativement de 1 ,9 pour 1000 ohms par degré centigrade de température pour une résistance diffusée classique de 200 ohms par carré. En substituant les valeurs ci-dessus 25 pour À Vj)20 e"t ^ ^18^18 ^ans l'équation donnant Econs^. ^ oïl a : Econst I =4^F-+0'7 =1.62 volt le niveau requis indépendant à la température de 1,62 volt peut être obtenu à partir d'une diode à avalanche classique 30 ayant un coefficient de température sensiblement nul par l'intermédiaire du diviseur de tension actif 22 indépendant de 72 00227 6 2121595 la température, les diodes à avalanche ayant un coefficient de température nul, construites sous forme intégrée, présentent, de façon classique, une tension de rupture ou d'amorçage inverse sensiblement plus importante que les 1 ,62 volt requis 5 (de l'ordre de 6,2 volts). La tension aux bornes de la diode 12 peut cependant être divisée facilement par un facteur prédéterminé sensiblement indépendant de la température grâce au diviseur 22. En supposant que la résistance 10 est relativement 10 importante comparativement aux résistances 28 et 30, la combinaison constituée par la diode 12 et les résistances 28 et 30 peut être remplacée par une source de tension de (v,2) ^ R28 + R30 -J et une impédance de source égale à la combinaison en E-28 ^"*50 parallèle des résistances 28 et 30 (c'est-à-dire —= —2=—) 28 30 15 Conformément aux enseignements du brevet susmentionné, F0 3.383.612, en rendant la résistance 26 égale à la combinaison en parallèle constituée par les résistances 28 et 30, la tension à la base du transistor 24 est égale à la moitié de celle de la source de tension équivalente appliquée sensiblement indépen-20 dante de la température. Dans le circuit représenté, la source équivalente (v10) R30 12 R28 + R30J est par conséquent choisie égale à 3,24 volts de façon à obtenir le courant de sortie indépendant de la température désirée (i ). Les résistances S 28 et 30 permettent l'utilisation d'une diode 12 ayant une 25 tension de rupture autre que la tension de 3,24 volts requise» Il convient de remarquer que, dans les circuits intégrés, le rapport des valeurs des résistances peut être contrôlé facilement avec des " tolérances serrées et également que de tels rapports sont, pour tous les buts pratiques, indépendants de la température de fonctionnement. Il convient de remarquer également que l'utilisation de la diode 12 rend 72 0022? 7 2121595 la tension délivrée aux bornes de la résistance 18 pratiquement insensible aux variations de la tension d'alimentation du réseau délivrée aux bornes 14 et 16. Le courant de sortie particulier délivré au collecteur 5 du transistor 32 est déterminé par la valeur de la résistance 18. On peut obtenir des multiples de ce courant, si on le désire, au moyen du transistor 36 et/ou de transistors identiques supplémentaires ayant leurs circuits d'entrée (base-émetteur) connectés aux bornes de la diode 20 10 Le circuit représenté est capable de délivrer un courant prédéterminé pratiquement insensible à la tension d'alimentation et aux variations de température. Le courant stabilisé est délivré par une impédance de source relativement élevée dans le cas du collecteur du transistor 32 ou du collecteur 15 du transistor 36. Il convient de remarquer également que diverses modifications peuvent être apportées au circuit représenté. Par exemple, la diode à avalanche 12 peut être remplacée par un type différent de dispositif régulateur. Si le dispositif 20 régulateur substitué présente une caractéristique de tension dépendante de la température, une telle caractéristique peut également être prise en considération dans les calculs ci-dessus. En outre, le diviseur de tension actif 22 peut être prévu pour donner un facteur autre que la moitié comme 25 indiqué dans le brevet N°3.383.612. Le circuit peut comporter des diodes ou autres dispositifs supplémentaires» Le calcul de la tension E qui doit être obtenue à la base du transistor 24 doit tenir compte cependant de telles additions ou de telles suppressions. 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 que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention, et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. 72 00227 8 2121595 REVENDICATIONS 1 .- Source de courant thermiquement compensé pour circuit intégré comportant un premier transistor dans le circuit collecteur-émetteur duquel passe un premier courant thermiquement compensé, caractérisée en ce qu'elle comporte une source 5 de tension régulée ayant une première borne destinée à être reliée à une tension de référence et une seconde borne, un diviseur de tension encourant continu dont l'entrée est reliée aux bornes de la source de tension régalée précitée et comportant une sortie, le circuit base-émetteur du premier 10 transistor incluant une résistance d'émetteur comportant au moins une première résistance, ledit circuit base-émetteur étant relié à la sortie du diviseur de tension en courant continu précité . 20- Source de courant selon la revendication 1, caracté-15 risée en ce que la source de tension régulée précitée comporte une diode polarisée en sens inverse et une source de courant continu reliées aux bornes de ladite diode pour maintenir cette dernière à l'état de conduction inverse. 3.- Source de courant selon"l'une des revendications 1 20 ou 2, caractérisée en ce que la résistance d'émetteur précitée comporte en outre une diode reliée en série avec la première résistance précitée et polarisée pour permettre une conduction en sens direct des courants d'émetteur du premier transistor. 4.- Source de courant selon la revendication 3, caracté-25 risée en ce que la diode précitée est reliée à la première borne de la source de tension régulée et en ce qu'elle comporte un second transistor dont la jonction base-émetteur est montée en parallèle avec la diode précitée polarisée en sens direct et dont le collecteur est prévu pour délivrer un 30 second courant thermiquement compensé en fonction dudit premier courant thermiquement compensé. 72 0022/ 9 2121 bVb 5.- Source de courant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le diviseur de tension en courant continu précité comporte une seconde et une troisième résistance ayant leurs premières extrémités interconnectées et 5 leurs secondes extrémités reliées respectivement et séparément à la première et à la seconde borne de la source de tension régulée, la base du premier transistor étant reliée à l'interconnexion précitée. 6.- Source de courant selon l'une des revendications 1 10 à 4» caractérisée en ce que le diviseur de tension précité comporte une seconde résistance montée entre la seconde extrémité de la source de tension régulée et la base du premier transistor, un transistor supplémentaire dont la base et le collecteur sont reliés respectivement à l'émetteur 15 et à la base du premier transistor et une troisième résistance montée entre l'émetteur dudit transistor supplémentaire et la première borne de la source de tension régulée. 7.- Source de sourant selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que le diviseur de tension 20 précité comporte une seconde résistance montée entre la seconde extrémité de la diode à avalanche et la base du premier transistor, un transistor supplémentaire dont la base et le collecteur sont reliés respectivement à l'émetteur et à la base du premier transistor, une troisième et une quatrième 25 résistance reliant respectivement l'émetteur et le collecteur dudit transistor supplémentaire à la première borne de la source de tension régulée.