Brevet FR2150271A1 — publié le 19730406

La prsente invention concerne un stabilisateur de tension, réalisé à partir d'un circuit intégré, pour des basses tensions de sortie, du type dans lequel un transistor, fonctionnant en tant que résistance variable, est branché en série sur l'un des fils d'alimentation et est commandé sur sa base par un sisal de sortie d'iinc boucle de régulation. Par basse tension de sortie on entend une tension inférieure ou égale . 5volts. Un tel type de stabilisateur peut etre utilisé pour l'alimentation des moteurs à courant continu qui sont employés dans des appareils de grande diffusion pour ltenregistrement et la reproduction sonores, et il s'applique tout particulièrement alLx cas dans lesquels la tension d'entrée minimale pour laquelle est requis l'effet de stabilisation, est inférieure à 6 volts. La stabilisation à partir d'une faible valeur de la tension d'entrée (inférieure a 6 volts) ne peut pas être obtenue avec la technique traditionnelle qui est basée sur l'emploi de diodes Zener , en tant que générateurs de la tension de référence, du fait qu'il n'est pas possible de réaliser des diodes Zoner, ayant une tension de référence suffisamment basse. On utilise alors, comme tension de référence, la tension qui est stabilisée aux extrémités d'une ou de plusieurs jonctions en série d'éléments actifs, tels que diodes, transistors, polarisés dans le sens direct. La tension de référence ainsi obtenue présente l'inconvénient de varier avec la température et par conséquent, il est nécessaire d'avoir une compensation des variations de cette tension imputables aux variations de température. La présente invention a pour but de fourni3? un circuit intégré qui agit en tant que stabilisateur de tension à l'égard de basses tensions et qui est compensé à l'égard des variations de la température. Dans la suite de la description, on appellera " transistor à échelon de tension ' un transistor dont la jonction base-émetteur est utilisée pour stabiliser un écart de tension entre deux zones du circuit intégré. Deux transistors à échelon de tension sont considérés comme relies en cascade lorsque leurs tensions bc.se-emetteur s'ajoutent algébri- quement. L'invention est caractérisée en ce que la tension de référence est constit1lée par la tension d'entrée d'un étage amplificateur comprenant un transistor final dont l'émetteur est mis à la masse ct qui est précédé de ptiisieiirs transistors '1 échelon de tension en cascade, chacun d'eux ayant son émetteur connecté à la base du transistor suivant, lesquels assurent la tension d'entrée désirée , et en ce que la tension de sortie du stabilisateur est appui ctuée à l'entrée de l'amplificateur par l'intermédiaire d'une résistance ch@trice, tripe rsée par le courant d'entrée de l'amplificateur et par un courant réglé par un circuit de compensation du coefficient thermique de la tension de réfé rence. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention , en référence au dessin annexé qui en est un schéma électrique. Le stabilisateur représenté sur le dessin comprend deux bornes d'entrée 1, 2, entre lesquelles est appliquée la tension Vin et deux bornes de sortie 3, 4 entre lesquelles apparat la tension de sortie stabilisée VO. Les deux bornes 2 et 4 sont reliées ensemble à la masse tandis que les bornes 1 et 3 sont connectées respectivement au collecteur et à l'émetteur d'un transistor T19 branché en série. Une résistance R0 est branchée entre le collecteur et la base du transistor T19, cette dernière étant à son tour reliée d'une part directement à l'érretteur d'un transistor T17, d'autre part à la base de ce transistor, à travers une résistance R13. Le collecteur de ce transistor est relié directement à la borne de sertie 3, ainsi qu'au collecteur de deux transistors T12, T14, à la base d'un transistor T6 et à une extrémité d'une résistance R9. Le transistor T6 est branché en série avec un autre transistor T4 et une résistance R4, entre les deux bornes d'entrée 1 et 2. Une résistance R6 est branchée entre les bases des deux transistors T4 et T6 et elle est également reliée à une résistance R5 , en série avec le collecteur d'un tran sistor T5 dont l'émetteur est mis à la masse et la base est reliée au point de jonction entre l'émetteur du transistor T4 et la résistance R4. Le collecteur du transistor T5 est relié à la base du transistor T12 dont l'émetteur est mis à la masse à travers une résistance R7 et est également relié directement à la base d'un transistor T13.Le collecteur de ce transistor T13 est relié à la résistance R) et à la base du transistor T14, tandis que son émetteur est mis à la masse à travers une résistance R8. L'émetteur-du transistor T14 est relié à la base d'un transistor T16 dont le collecteur est connecté à la base du transistor T17 et l'émetteur est mis à la masse. Par ailleurs, l'émetteur du transistor T14 est relié, à travers une résistance R12, au collecteur transistor T15 dont l'émetteur est mis à la masse et dont la base est reliée directement au collecteur. Dans le stabilisateur qui vient d'être décrit, le transistor T19 joue le rôle d'une résistance variable pour la stabilisation de la tension d'entrée Vin. La commande de la tension stabilisée Vo est réalisée par comparaison avec la tension présente entre la base du transistor T14 et la masse. Cette tension est égale à la somme des tensions entre base et émetteur des deux transistors à échelon de tension T14 et T16, lesquels jouent également le rôle d'amplificateurs du signal d'erreur constitué par le courant de base du transistor T14. La stabilisation de la tension base-émetteur du transistor T16, à l'encontre des variations de charge,est obtenue au moyen du transistor 17 qui iaisse passer à travers le transistor T16 un courant de collecteur presque constant. Ce courant est déterminé en fait par la tension base-émetteur du transistor T17 qui, en première approximation, peut etre considérée comme constante, ainsi que par la valeur de la résistance R13 branchée entre l'émetteur et la base du transistor T17. L résistance P12 et la diode T15, en série avec l'émetteur du transistor T14,déterminent la valeur du courant de collecteur de ce transistor. L diode T15 a pour ralle de réduire la chute de tension dans la résistance R 1 2 et par conséquent , à égalité de courant d'émetteur, la valeur de cette même résistance. La résistance R9 est traversée par le courant de base du transistor T14 et par le courant de collecteur Ic13 du transistor T13. Ce courant de collecteur est rendu dépendant de la température au moyen du circuit comprenant la résistance R8 et les transistors à échelon de tension T4, T5 T12, T13, afin de compenser les variations de la tension de référence stabilisée entre la base du transistor Tl4 et la m; sse. Dans ce qui va suivre, onindicuera par VBEy la tension baseémetteur du transistor T, par i le courant de collecteur du transistor Ty, par Vv la chute (le tension dans a résistance X et par T la valeur de la température. La tension de sortie V0 est ex primée par l'équation ci-dessous V0 = VBE16+VBEl4+VR9 (1) Le problème consistant à obtenir une référence stable indépendamment de la température se traduit par le dimensionnement du coefficient thermique de la chute de tension danslarésistance R9. Il arrive en fait que la tension VR9 bénéficie d'un coefficient thermique (d'environ 4 mV/ C) qui compense le coefficient négatif de la tension base-émetteur des transistors T16 et T14. La tension VR9 s'exprime par : R9 VR9=Ic13R9##VR8 (2) R8 De cette relation, on obtient pour V0: R9 V0 = VBE16+VBE14+VR8 (3) R8 Un choix opportun du rapport R9/R8 permet d'obtenir la compensation requise. La compensation est basée sur le principe suivant : étant donné deux transistors identiques (Ta, Tb), obtenus par diffusion simultanée, montés voisins l'un de l'autre sur la plaquette de silicium et fonctionnant à différents niveaux de courants, la différence subséquente du coefficient thermique des tensions base-émetteur est fonction uniquement du rapport des courants, en étant indépendante en particulier de la température.Si on appelle Ica et Icb, les courants de collecteur de ces transistors, on a la relation : dans laquelle : K est la constante de Boltzmann ; q est la charge de l'électron ; est le coefficient thermique de la tension VBEa en présence du courant de collecteur Ica est le coefficient thermique de la tension VBEb en présence du courant de collecteur Icb. Si on néglige la chute de tension dansla résistance R5 qui a une faible valeur, la tension VR8 s'exprime par la relation: PS VBE5 + VBE4 - VBE12 - VBE13 = VR8 (5) Le coefficient thermique de la tension VPS s'exprime par la relation puisque les transistors T4 et T5 sont amenés à fonctionner à un niveau de courant plus élevé par rapport aux transistors T12 et T13, le coefficient thermique de la tension VP8 est positif et peut être calculé à partir de l'équation (4).Le niveau du courant de collecteur du transistor T12 est déterminé par la valeur de la résistance R7, celle du courant de collecteur du transistor T5 par la valeur de la résistance R6 et celle du courant de collecteur du transistor T4 par la valeur de la résistance R4, La résistance RS a été insérée pour compenser l'effet électrique d'un écart éventuelle de la résistance R6 par rapport à la valeur calculée. Un tel écart influe sur le niveau du courant de collecteur Ic5 et par conséquent sur la tension VBE5. La tension VPS varie avec le courant Ic5, et en raison inverse de la tension VBE5. Le signal de commande pour le transistor T19 est appliqué au transistor T17 qui fait varier la chute de tension dans la résistance RO branchée entre le collecteur et la base du transistor T19. Le transistor T6 agit comme stabilisateur de la tension d'alimentation du circuit de compensation. Le nombre de transistors à échelon de tension branchés en cascade sur le transistor T16 dépend du niveau de la tension de référence. Cette dernière peut hêtre également obtenue en branchant en cascade des jonctions de diodes. Il est du reste bien entendu que le mode de réalisation de l'invention qui a été décrit ci-dessus, en référence au dessin annexé, a été donné à titre purement indicatif et nullement limitatif et que de nombreuses modifications peuvent être apportées, sans qu'on s'écarte pour cela du cadre dc la présente invention. REVE noIcATIoNs 1. - Stabilisateur de tension, pour la production de basses tensions, réalisé suivant la technique des circuits intégrés du type dans lequel un premier transistor, fonctionnant en tant qu'élément à résistance variable, est branché en série sur l'un des fils d'alimentation, et une boucle de régulation effectue la comparaison entre la tension de sortie du stabilisateur et une tension de référence qui commande, au moyen d'un signal de régulation, le niveau de conduction du premier transistor, caractérisé en ce que la tension de référence est constituée par la tension d'entrée d'un étage amplificateur comprenant un transistor final T16 dont l'émetteur est mis à la masse, cet étage étant précédé de plusieurs transistors à échelon de tension en cascade dont chacun est connecté par son émetteur à la base du transistor suivant et qui fournissent la tension d'entrée désirée, et en ce que la tension de sortie V du stabilisateur est appliquée à l'entrée de l'étage amplificateur o par l'intermédiaire d'une résistance chutrice R9 traversée par le courant d'entrée de l'amplificateur et par un courant Ic13 réglé par un circuit de compensation du coefficient thermique de la tension de référence. 2. - Stabilisateur de tension suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit de compensation du coefficient thermique de la tension de .référence est constitué par une résistance R9 parcourue par le courant Ic13 passant à travers un transistor à échelon de tension T13 constituant le dernier étage d'un circuit comprenant au moins un transistor à échelon de tension fonctionnant en élévateur de tension en cascade avec au moins un transistor à échelon de tension fonctionnant en abaisseur de tension. 3.- Stabilisateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le transistor final T16 de l'étage amplificateur commande la base d'un autre transistor T 17 constituant un amplificateur final du signal de régulation et est alimenté à travers une résistance branchée entre la base et l'émetteur de ce dernier transistor T17.