Brevet FR2149468A1 — publié le 19730330

L'invention concerne une source de courant à résistance interne élevée. Dans la technique de mesure, on a souvent besoin, pour le traitement des valeurs de mesure et la transmission de signaux, de courants imposés (Electronik 1967, nO 11, p.335 - 340). Les sources de courant classiques à résistance interne élevée, dites sources à courant constant ou bipôles à courant constant, sont capables de fournir de tels courants. Elles sont, d'ordinaire, constituées à l'aide de diodes spéciales, de transistors bipolai- res ou à effet de champ, ou même avec des tubes électroniques. Avec elles, on peut obtenir des résistances internes entre 104 et 107 ohms, avec un courant de quelques milliampères. Si l'on veut obtenir des résistances internes plus élevées, il existe la possibilité de monter plusieurs sources de courant en série. Mais, par ce montage, la résistance interne du montage série n'est accrue que par addition. En outre, le courant fourni par les sources de courant classiques dépend de la température, si l'on n'a pas pris de mesure spéciales liées à une importante mise en oeuvre de branchement. L'invention a pour but de créer une source de courant à résistance interne élevée, ne présentant pas les inconvénients des sources de courant connues, et se distinguant par une constitution simple. Le problème précité sera résolu en ce que, d'après l'invention, trois tripales amplificateurs au moins sont montés en série dans le même sens, en ce qu'il est prévu au moins une batterie pour le règlage des potentiels des électrodes de commande des tripôles amplificateurs, l'une des extrêmités de la batterie étant reliée à l'une des extrêmités du montage série, et l'autre extrémité du montage série, ainsi que I'extrêmité libre de la batterie constituent les bornes de la source de courant. Avec ce mode de mise en série - que l'on pourrait aussi appeler montage en cascade - on obtient que la résistance interne d'une cascade constituée par n tripôles amplificateurs, - ne soit pas - comme l'on pourrait s'y attendre - égale à la somme des différents étages, mais que la résistance interne de l'ensem- ble des (n-l) premiers étages soit multiplié par le facteur d'amplification de marche à vide du nième tripôle amplificateur. On atteint de cette façon, des résistances internes d'un ordre de grandeur de 1o14. Des caractéristiques spéciales et des formes d'exécution suivant l'invention, seront expliquées à l'aide des exemples de réalisation représentés sur les dessins, en liaison avec leur description. Sur les dessins on voit en - Figure 1, un premier exemple de réalisation d'une source de cou rant utilisant comme tripôles amplificateurs, des transistors à effet de champ et, à couche de barrage, - Figure 2, un deuxième exemple de réalisation d'une source de courant avec une résistance interne de plus de 109ohms, - Figure 3, un troisième exemple de réalisation d'une source de courant avec résistance interne extrêmement élevée. La figure 1 représente un premier exemple de réalisation d'une source de courant à résistance interne élevée. Les transistors à effet de champ, à couche de barrage à n canaux 1,2,3 montés en série dans le même sens, servent de tripôles amplificateurs. Par montage en série dans le même sens, il faut comprendre ici, et dans la suite, que la connexion "drain" D1 du transistor à effet de champ 1 est reliée à la connexion "source" S2 du transistor à effet de champ 2, et ainsi de suite. Entre une extrêmité du montage série, la connexion "source" du transistor à effet de champ et la connexion de porte G1 de ce dernier, est montée une source de tension 4, dont la tension de sortie U4 est variable. Entre la connexion de porte G2 du transistor à effet de champ 2, et l'extrémité précitée du montage en série, se trouve une première batterie 5. Entre ladite connexion de porte G2 et la conne xion de porte G3 du transistor à effet de champ suivant 3, est branchée une deuxième batterie6.Une troisième batterie 7 est reliée, par un de ses pôles, avec ladite connexion de porte G3. L'autre pôle de la batterie 7 constitue l'une des bornes 8, de la source de courant, alors qu'une autre borne 9, raccordée à la connexion "drain" D3 du transistor à effet de champ 3, constitue l'autre borne 9 de la source de courant. Les batteries 5, 6, 7 sont également montées en série dans le même sens, c'est-à-dire que le pôle moins de la batterie 5 est relié à l'un des pôles de la source de tension 4, ainsi qu'à la connexion "source" du transistor à effet de champ 1, son pôle plus étant relié au pôle moins de la batterie suivante 6, etc. Avec les tensions de batteries indiquées sur la figure 1, une zone de règlage, de la source de tension 4 de U4 = - 1V ...,-2,5V et les habituels transistors à effet de champ, à couche de barrage, à n canaux, (par exemple, type 2N 5459 de Motorola), on peut obtenir des résistances internes de plus de 5.109 ohms pour une élévation de tension de -5V à + 15V. Le mode de fonctionnement de la source de courant suivant figure 1 ressort de ce qui suit : le transistor à effet de champ 1, constitue, avec la source de tension 4, une première source à courant constant, celle-ci est montée dans le conducteur de "source" du transistor à effet de champ 2, dont le potentiel de porte est maintenu au moyen de la batterie 5. Cette deuxième source à courant constant se trouve également dans le conducteur "source" du transistor à effet de champ 3, dont le potentiel de porte est maintenu constant au moyen des batteries 6 et 7.On a donc, ici, affaire à un montage en cascade de sources à courant constant enche pétrées, dans lequel les résistances internes n'augmentent pas par addition mais par multiplication, en fonction des facteurs d'amplification en marche à vide des tripôles d'amplification. I1 est, par suite, clair que le dispositif de montage représenté sur la figure 1, peut être élargi en introduisant d'autres étages branchés de la même façon. Le deuxième exemple de réalisation d'une source de courant, représenté sur la figure 2, diffère de celui de la figure 1 en ce que les batteries servant au réglage du potentiel des électrodes de commande sont,maintenant, partiellement remplacées par des éléments de montage passifs. Une autre différence consiste à constituer le montage série avec deux transistors p n p bipôlaires 10 et 11, et un transistor à effet de champ, à couche de barrage et p canaux 12. Entre la borne 9 de la source de courant et le pôle plus d'une batterie 13, dont le pôle moins est relié à la borne 8 de la source de courant, se trouve le montage en série des trois tran sistors cités 10, 11 et 12, et une résistance 14. Les transistors sont montés en série dans le même sens le collecteur C 10 du premier transistor bipôlaire 10, dont la connexion "émetteur" E10 est raccordée, à travers la résistance 14, au pôle plus de la batterie précitée 13, est relié à la connexion "émetteur" E 11 du deuxième transistor bipôlaire 11, dont la connexion "collecteur" C11 est à nouveau reliée avec la connexion "source" S12 du transistor à effet de champ 12. La connexion "drain" D12 de ce transistor est raccordée à la borne 9. Pour établir les potentiels de "base" et de"porte, sont branchées entre le pôle plus de la batterie 13 et la borne 8, une diode Zener 15, la diode émetteur, base d'un transistor p n p bipôlaire 16, les diodes 17 à 20, de préférence des diodes au silicium, et l'intervalle "source" "porte "d'un transistor 21 à effet de champ, à couche de barrage, à n canaux. Ici la connexion de base B10 du premier transistor bipôlaire 10 est raccordée au conducteur de liaison entre connexion de base B16 du transistor 16 et l'anode de la première diode 17 ; la connexion de "base" B11 du deuxième transistor bipôlaire 11 est raccordée au conducteur de liaison entre la cathode de la deuxième diode 18 et la troisième diode 19, et la connexion de porte G12 du transistor à effet de champ 12 est raccordée au conducteur de liaison entre la cathode de la quatrième diode 26 et la borne "source" du transistor à effet de champ 21. Grâce au facteur d'amplification en marche à vide plus élevé des transistors bipôlaires, la source de courant représenté sur la figure 2 présente, pour un même nombre d'étages, une résistance interne plus grande que celle représentée sur la figure 1. Il faut y voir un autre avantage en ce qu'en utilisant des transistors bipôlaires, les tensions entre les points correspondants de la cascade peuvent être tenus plus bas, car la caractéristique IC/UCE des transistors bipôlaires est déjà, pour des valeurs basses de UCE (tension collecteur - émetteur) plate, c'est-à-dire à peu près parallèle à l'axe des UCE. La source de courant représentée sur la figure 2 peut évidemment être réalisée avec des transistors n p n et des transistors à effet de champ à couche de barrage et n canaux. Pour cela, il faut inverser la polarité de la batterie 13, de la diode Zener 15, et du transistor branché comme diode 16, ou les remplacer par un type complémentaire. Le transistor à effet de champ 2 peut, mais ne doit pas avoir sa polarité inversée, car les transistors à effet de champ du type à appauvrissement et les deux types de conducteurs avec court-circuit "porte" "source" peuvent servir de sources de courant constant. Avec les valeurs de tension indiquées sur la figure 2, et en utilisant des transistors et des diodes du commerce, on peut obtenir des résistances internes de plus de 109 ohms. Le dispositif de montage, représenté à titre d'exemple sur la figure 3, d'une source de courant présente une résistance interne extrêmement élevée, qui est de l'ordre de grandeur des résistances d'isolation des transistors à effet de champ oxyde métal (MOS-FET), et atteint environ 1014 ohms. Il fournit un courant de 7 mA pour une tension comprise entre - 10V et +60 volts. La source de courant est constituée d'une façon analogue à ce qui a été décrit avec les figures 1 et 2. La cascade est composée du montage en série d'une résistance 23, d'un transistor n p n bipôlaire 22, d'un montage Darlington composé d'un transistor n p n 24 et d'un transistor p n p 25, d'un transistor 26, à effet de champ à couche de barrage et à n canaux, et de trois MOS FET 27, 28 et 29 à n canaux.Une première batterie 30 (tension de batterie 10V) une source de tension variable 31 (tension 11 = -8V ..+ 8V) et l'intervalle base "émetteur" du transistor M bipôlaire 22, avec la résistance d'émetteur 23 de celui-ci, constituent ensemble une source de courant règlable qui produit un courant IO. Les batteries 32 à 36 sont affectées aux tripôles amplificateurs 25 à 29 montés en cascade, et elles servent à règler les potentiels d'électrodes de commande de ces tripôles amplificateurs. Les batteries sont branchées l'une à la suite de l'autre. Le p81e moins de la batterie 32 est relié au poule de la batterie 30.L'une des extrémités du montage en série des tripôles amplificateurs (borne "drain" du MOS FET 29) et le p81e plus de la batterie 36 constituent les bornes 9 et 8 de la source de courant. Un calcul qui n'est pas davantage développé ici, montre que le courant total I = I 29 s'obtient en partant du courant IO par la relation suivante I = I29 = Io i 22 0(22n,25 * 29 29 (i) Dans l'équation (1) = i bu + 1 (i = 22,24 29) 2) indique le facteur duquel le courant de "drain" ou de collecteur est plus petit que le courant "emetteur" ou "source". Pour obtenir une résistance de sortie de la source de courant maximale, il faut que o( 29' ctest-à-dire le facteur d'amplification de courant de l'étage le "plus élevé" (MOS-FET 29) s'écarte le moins possible de un ; ce qui, comme on le sait, est le cas avec (MOS-FET), lorsque B29 de cet étage est extrèmement élevé. Dans cette hypothèse, les modifications de la tension "porte"-"drain", qui entraînent peu de modification de B, s'exer cent sur G aux étages "plus bas", les modifications de la dite tension ne se font simplement sentir que de la valeur réciproque des facteurs d'amplification de marche à vide des étages se trouvant "au-dessus". Pour cette raison, il est admissible d'utiliser, aux étages inférieurs, des transistors dont les valeurs B sont relativement faibles. Un deuxième point de vue, qui participe au choix des différents tripôles amplificateurs de la cascade, est la largeur de bande maximale. A l'étage le plus inférieur, c'est-à-dire dans le transistor 22, la fréquence limite est déterminée par le paramètre de transistor f de ce dernier (Fréquence limite-de l'amplification du courant de court-circuit en montage "émetteur"), ainsi que par fT !fréquence de transit), alors ' & l'étage le plus élevé, elle est déterminée par f (fréquence limite de l'amplification de courant de court-circuit dans le montage base). Comme on le sait, les transistors bipôlaires présentent une f notablement plus élevée que les transistors à effet de champ. Deux autres points de vue pour le choix des tripales amplificateurs sont le bruit et la sensibilité à la température de la source de courant. Ces deux facteurs sont principalement déterminés par les tripôles amplificateurs des étages inférieurs de sorte qu'à ces endroits des transistors bipôlaires, ou une combinaison de ceux-ci sont recommandables. Ce qu'il y a, de plus, à remarquer dans le dispositif de montage de la figure 3, est qu'il ne doit être branché aucune batterie entre l'électrode de commande du montage Darlington (base du transistor 24) et la borne '%porte" du transistor à effet de champ 26. Ceci est assuré par la batterie 33 qui permet la formation d'une différence positive de tension entre bornes "source" et "porte" du transistor à effet de champ 26. Chaque modification entre les bornes 8 et 9 de la source de courant modifie la puissance de pertes à l'étage supérieur de la cascade (MOS-FET 29) et ainsi son paramètre. Toutefois, cette modification a, pour les motifs cités ci-dessus, une influence trop négligeable sur les propriétés de la source de courant et finalement aussi parce que cet étage est thermiquement découplé des autres étages de la cascade. Avec les sources de courant proposées, on peut également obtenir des courants élevés avec des résistances internes élevées, si l'on utilise des tripôles amplificateurs convenant pour des charges élevées. Il est toutefois recommandé de ne pas prévoir de transistors séparés, mais des montages Darlington faits avec ceux-ci, ou, encore mieux, des paires complémentaires de transistors bipôlaires, car les transistors à courant élevé actuels du commerce présentent un paramètre de tension continu insuffisant pour ce but. REVENDICATIONS 1. Source de courant à résistance interne élevée caractérisée en ce que trois tripôles amplificateurs (1.2.3), au moins, sont branchés en série dans le même sens ; en ce qu'il est prévu au moins une batterie (5.6.7) pour le règlage des potentiels de commande des tripôles amplificateurs, l'une des extrêmités de la batterie étant reliée à l'une des extré- mités du montage en série et l'autre extrêmité de la batterie, à l'autre extrêmité du montage série formant ainsi les bornes (8.9) de la source de courant. 2. Source de courant suivant paragraphe 1, caractérisée en ce que les tripôles amplificateurs sont des transistors bipôlai res, et/ou des transistors à effet de champ. 3. Source de courant suivant paragraphe 1 caractérisée en ce que, pour la production desdits potentiels d'électrodes de commande, est prévue une batterie (13), qui est montée en parallèle avec une chaine diviseur de tension composée, au moins, d'éléments passifs de branchement (15, 21 ) . 4. Source de courant suivant l'ensemble des paragraphes précé dents, caractérisée en ce que la chaîne diviseur de tension comporte une diode Zener (15), l'intervalle "base" "émetteur" d'un transistor (16), un montage en série de quatre diodes (17.18.19.20) et l'intervalle "source" "porte" d'un transis tor à effet de champ (21), le conducteur de liaison entre les transistors (16) et la première diode (17) dudit montage en série de diodes étant raccordé à la borne d'élec trode de commande (B10) du premier transistor (10) du montage ge série, le conducteur de liaison entre la deuxième et la troisième diode (18.19) du montage série de diodes étant raccordé à la borne d'électrode de commande (bit) du deuxiè me transistor 11 du montage en série, et le conducteur de liaison entre la quatrième diode (20) du montage en série de diodes et ledit transistor à effet de champ (21) étant relié à la borne d'électrode de commande (G12) du troisième tran sistor (12) du montage en série. 5. Source de courant suivant l'ensemble des paragraphes précé dents, caractérisée.en ce que le premier et le deuxième transistor du montage série sont chacun un transistor bipô laire (10.11) et que le troisième transistor est un transis tor à effet de champ (12). 6. Source de courant suivant 1' ensemble des paragraphes 1 et 2, caractérisée en ce que le montage série des tripôles amplificateurs est composé d'au moins trois transistors à effet de champ branchés en série dans le même sens (1.2.3), le premier transistor à effet de champ (1) constituant avec une source de tension (4) une première source à courant constant, laquelle est branchée dans le conducteur "source" du deuxième transistor à effet de champ (2), dont l'électro- de de commande (G2)est maintenue à un potentiel constant au moyen d'une première batterie (5), et cette deuxième source à courant constant ainsi constituée se trouve dans le conducteur "source" du troisième transistor à effet de champ (3), dont l'électrode de commande (G3) est maintenue, par une deuxième batterie, à un potentiel constant par rapport au potentiel de l'électrode de commande du deuxième transis tor à effet de champ (2), et il est prévu une troisième batterie (7) qui est branchée entre l'électrode de commande (G3) du troisième transistor à effet de champ (3) et l'une des bornes (8) de la source de courant.