Brevet FR2143149A1 — publié le 19730202

I1 existe un grand nombre de comparateurs de courants fonctionnant de façon continue ou analogue et destinés soit à afficher des résultats soit à commander directement ou indirectement des dispositifs de réglage ou de commande. Cependant, pour un certain nombre d'applications, il est nécessaire de disposer d'un dispositif comparateur de courants fournissant le résultat de la comparaison sous une forme digitale compatible avec un traitement ultérieur de cette infor- mation par des moyens logiques. L'invention a pour objet un dispositif effectuant la comparaison de deux courants et fournissant le résultat de cette comparaison sous forme digitale (tout ou rien), caractérisé en ce qu'il comprend deux séries de transistors de type opposé, les émetteurs et les bases des transistors de chacune des séries étant catittruns, le collecteur du premier transistor de chacune des séries étant relié à l'une des sources de courant à comparer, la base de ce premier transistor comportant des moyens pour éviter sa saturation ou son blocage, le collecteur de chacun des autres transistors d'une série étant relié au collecteur du transistor correspondant de l'autre série et à une sortie du dispositif, et les caractéristiques des transistors de chaque série étant choisies de telle façon que chacune des sorties change d'état pour une valeur déterminée du rapport des courants à comparer. Le branchement en commun des émetteurs et des bases de chacune des séries de transistors permet de ne pas nécessiter ltemploi de résistances élevées, meAme dans le cas d'une utilisation à très faible courant. Le dispositif selon l'invention est donc susceptible d'être réalisé par des techniques d'intégration. Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif de comparaison de deux courants selon l'invention. La fig. 1 est un schéma du circuit du dispositif de comparaison, la fig. 2 représente les caractéristiques couranttension de deux transistcrs complémentaires dont les collecteurs sont reliés l'un à l'autre, la fig. 3 est un diagramme explicatif montrant la forme des signaux des sorties S1 à 5n du dispositif comparateur en fonction du rapport des courants à comparer Ib/Ia, la fig. 4 est une variante du circuit représenté dans la fig. 1, la fig. 5 représente schématiquement une structure de circuit intégré réalisant les transistors PNP de la fig. 1, la fig. 6 est une vue schématique d'une utilisation du dispositif de la fig. 1, et la fig. 7 un diagramme explicatif du fonctionnement du comparateur selon l'utilisation représentée dans la fig. 6. Le circuit représenté dans la fig. 1 comprend deux séries de transistors TNo à TNn et TPo à TP n , de type NPN et PNP respectivement. Toutes les bases et tous lesémetteurs des transistors des deux séries sont reliés entre eux. Le collecteur de chacun des transistors TNk (où k = 1 à n) est relié à celui du transistor TPk correspondant, celui des transistors TNo et TPo est relié aux bases de ces mêmes transistors. Les courants à comparer 1a et Ib sont appliqués aux collecteurs des transistors et TPo respectivement.Une borne de sortie Sk, où k = 1 à n, est représentée au collecteur commun de chaque paire de transistors TPk et TNk Pour expliquer le fonctionnement du circuit de la fig. 1, admettons pour l'instant que.les courants de bases de tous les transistors sont négligeables. Les courants de collecteurs et d'émetteurs de TNo sont égaux à 1a La tension de collecteur de TNo étant égale à sa tension de base, il travaille en régime non saturé. Les transistors TNo à TN sont connectés de façon que leurs tensions base n émetteur sont les mêmes. De plus ils sont fabriqués simultanément sur le meme circuit intégré. Par conséquent, le courant de collecteur de chaque transistor TNk non saturé où k = 0 à n est proportionnel à ses dimensions ou plus précisément à la surface effective d'injection AN k de sa jonction base-émetteur.Le courant de collecteur du transistor TNk non saturé est donc égal à La fig. 2 représente la caractéristique d'un des transistors TNk de la série NPN où k = 1 à n. Sa tension de collecteur U c., est portée en abcisse et son courant de collecteur I en ordonnée. Les transistors complémentaires de type PNP sont connectés entre eux d'une manière tout à fait analogue. Le courant de collecteur du transistor TPk non saturé où k = 1 à n est proportionnel à sa surface effective d'injection APk ; il est donc égal à Le transistor TPk constitue la charge du transistor TNk correspondant; sa caractéristique de sortie est représentée en trait pointillé à la fig. 2 dans les deux cas suivants Le point de repos de la structure formée de la connexion en série de TPk et TNk entre les bornes +U et 0 est donné par l'intersection de la caractéristique de sortie de TNk (trait plein) avec celle de TPk (pointillé) et correspond aux conditions suivantes Cas 1:TPk saturé 1Xi non saturé k courant à travers la paire des transistors k potentiel de la sortie Sk proche de +U (1 logique) Cas 2: TNk saturé TP k non saturé Courant à travers la paire des transistors k potentiel de la sortie Sk proche de O (0 logique). La transition du cas 1 au cas 2, c'est-à-dire le passage de la sortie Sk de l'état logique t à l'état logique 0 à lieu pour En choisissant judicieusement les dimensions relatives des transistors NPN et celles des transistors PNP, on peut faire en sorte que chaque sortie Sk change d'état pour un rapport Ib/Ia choisi. On peut choisir par exemple ANo = AN1 = .. = AN et APo = AP1 = 2AP2 = 3AP3 = ... = nAPn alors S1 commutera pour Ib/Ia = S2 commutera pour IbJIa = 2 S commutera pour Ib/Ia = n n b a Les états (tensions de sortie) S1 à 5n sont reportés pour ce cas sur la figure 3 en fonction du rapport de courant à mesurer. L'information logique (O ou 1) fournie par les états des sorties S1 à 5n peut être traitée ultérieurement par des circuits logiques non représentés, (transistors MOS complémentaires par exemple). Les explications précédentes sont basées sur l'hypo- thèse que les courants de base des transistors sont négligeables par rapport aux courants à comparer 1a et Ib En réalité lorsqu'un transistor se sature, son cou rant de base peut devenir comparable à son courant de collecteur (car le gain d'un transistor est généralement bas). Par conséquent si les courants de collecteur sont eux-mAemes comparables à Ia et Ib, les courants de base ne sont plus négligeables comme il était supposé précédemment. Pour que les courants de base des transistors TN1 à TNk ne faussent pas la mesure du rapport des courants Ib/Ia, k b a il faut éviter de soustraire une fraction appréciable des courants à mesurer au circuit collecteur des transistors TN O et TPo. Plusieurs solutions sont exposées ici. La première solution consiste à dimensionner les transistors de façon à ce que ANO AN1 ... AN n APo AP1 . APn Les courants 1a et Ib sont alors beaucoup plus grands que les courants de collecteurs des transistors susceptibles de saturer; les courants de base resteront négligeables si les gains normaux des transistors sont assez élevés. Une seconde solution consiste à ajouter des transistors amplificateurs TNa et TP a dans les circuits de base (voir "Handbook of Semiconductor Electronics", L.P. Hunter, 1970, p. 10-12) comme le représente la fig. 4. Si le gain de courant 3a du transistor TNa (fig.4) est grand, la fraction l/Ba de la somme des courants de bases des transistors TNo à soutirée à Ia, est négligeable. Le transistor TP agit de la a a même façon. Pour réaliser les dispositifs décrits plus haut sous forme de circuit intégré, on utilisera par exemple des transistors NPN à structure classique et des transistors PNP à structure dite latérale. Ces derniers sont représentés schématiquement dans la fig. 5 pour le cas où n = 4. Dans un caisson de semi-conducteur de type n constituant la base B commune à tous les transistors PNP (sauf le transistor auxiliaire TP a de la fig. 4) sont diffusées des zones p (hachurées dans la fig. 5). La zone E constitue l'émetteur commun. Elle est entourée par les collecteurs CO, C1, C2, C3, C4 des transistors TP k (k = o à 4). Si l'un des transistors, par exemple TP4 est saturé, son collecteur C4 injecte des porteurs (trous) dans la région de base. Si le transistor voisin, TP2 dans l'exemple, n'est pas saturé, son collecteur C2 risque de collecter une partie de ces porteurs, ce qui fausserait le fonctionnement du dispositif. Pour remédier à cet inconvénient, on ajoute un collecteur de garde C qui sépare les autres collecteurs. Ce collecteur de garde C est porté au potentiel O; il collectera les porteurs injectés par un collecteur, les empêchant ainsi d'atteindre le collecteur voisin. Les sections efficaces d'injection APo, AP1, AP2, ...APk de chaque transistor sont proportionelles aux longueurs los 11, 12 , ... 1n correspondantes représentées à la fig. 5. Le dispositif qui vient d'être décrit peut être utili- sé aussi bien pour la comparaison de courants que pour la comparaison de résistances. Pour comparer deux résistances (fig. 6), on connectera la première Rf parcourue par le courant Ia, à la tension U, et la seconde Rv parcourue par le courant Ib à la masse. Les chutes de tension dans les transistors TN0 et TP0 étant pratiquement égales, les tensions aux bornes de ces deux résistances le seront aussi. Le rapport des résistances est donné par La mesure de ce rapport est pratiquement indépendante de la tension appliquée U. L'une ou les deux résistances R f et R v peuvent à leur tour dépendre d'autres grandeurs. Une application du schéma de la fig. 6 est par exemple un thermomètre à sortie digitale. La résistance Rf est fixe, la résistance R est variable avec la température. Le rapport Ib/Ia varie avec la température mais extrêmement peu avec la tension d'alimentation U. On réalise ainsi un thermomètre à sortie digitale. La variation du rapport Ib/Ia n'est pas forcément une fonction linéaire de la température. En dimensionnant correctement les différents transistors du comparateur on peut cependant linéariser sa caractéristique de sortie, c'est-à-dire obtenir la commutation des différentes sorties Sk à des intervalles de température constants. Ceci est réalisé à la fig. 7. Une autre application concerne un senseur de contrainte non représenté. Dans ce cas, les deux résistances R f et (fig. 6) sont des résistances identiques, fabriquées sur le meme support pour équilibrer les effets thermiques. La résistance Rv est orientée de façon à varier avec la contrainte appliquée; la résistance Rf est orientée de façon à ne pas dépendre de cette contrainte (perpendiculairement par exemple). Une autre application concerne un photomètre à sortie digitale également non représenté. 1a est alors un courant constant, Ib le courant traversant un photoélément (photodiode ou photorésistance par exemple). REVENDICATIONS 1. Dispositif effectuant la comparaison de deux courants et fournissant le résultat de cette comparaison sous forme digitale (tout ou rien), caractérisé en ce qu il comprend deux séries de transistors de type opposé, les émetteurs et les bases des transistors de chacune des séries étant communs, le collecteur du premier transistor de chacune des séries étant relié à l'une des sources de courant à comparer, la base de ce premier transistor comportant des moyens pour éviter sa saturation ou son blocage, le collecteur de chacun des autres transistors d'une série étant relié au collecteur du transistor correspondant de l'autre série et à une sortie du dispositif, et les caractéristiques des transistors de chaque série étant choisies de telle façon que chacune des sorties change d'état pour une valeur déterminée du rapport des courants à comparer. 2. Dispositif selon la revendication, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme de circuit intégré à transistors bipolaires complémentaires. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transistors de la série PNP ont une structure latérale. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les collecteurs de transistors PNP latéraux sont séparés les uns des autres par un collecteur de garde afin d'empêcher que les porteurs injectés par le collecteur d'un transistor saturé ne soient collectés par un autre collecteur. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques des transistors d'au moins l'une des séries sont différenciées les unes des autres à l'aide de leur géométrie. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier transistor de chaque série a son collecteur connecté à sa base et présente des dimensions bien supérieures à celles des autres transistors de la série pour rendre négligeable le courant de base des transistors saturés et abaisser la corDommatior de courant de l'ensemble. 7. Dispositif selon la revendication 1., caractérisé en ce que le premier transistor de chaque série comporte un amplificateur inséré entre son collecteur et sa base. 8. Dispositif selon la revendication 1., caractérisé en ce que la différence des rapports des courants à comparer parant les changements d'état des variables successives est constante. 9. Dispositif selon la revendication 1., caractérisé en ce que le rapport des courants à comparer est déterminé par un rapport de résistances. 10. Dispositif selon la revendication 1., caractérisé en ce que l'un au moins des courants à comparer varie en fonction d'une grandeur physique. (0. pourrait avoir un courant donné directement par une grandeur physique, par exemple une diode photométrique). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les écarts de la grandeur physique séparant les changements d'état des variables successives sont tous égaux entre eux.