Brevet FR2243550A1 — publié le 19750404

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux circuits intégrés et concerne plus particulièrement des amplificateurs opérationnels intégrés Il est généralement souhaitable de réaliser des circuits in tégrés de manière telle qu'ils occupent un minimum de place, sans sacrifier indAment leurs caractéristiques de fonctionnement. Les amplificateurs operatlonnels comportent généralement deux stages de gain et un seul condensateur d'intégration Ce condensateur peut être interne, car sa valeur est inférieure à 100pF. Par exemple, l1amp1;ficteur opérationnel généralement connu sous la référence fttype 741" comporte un condensateur d1 une capa- cité de 30 pF destine à compenser une transconductance équivalente dientree de 200 micromhos. Ce condensateur occupe une surface d'environ 0,15 mm , c'est-à-dire de tordre de 10% de la surface totale de la pastille 741.Pour reduire les dimensions de ce condensateur tout en conservant la stabilité de l'amplificateur, il faut réduire la transconductance de 1'étage dlentrée. Il existe plusieurs moyens possibles de reduire la transconductance de l'étage d'entrée. Un moyen consiste à réduire simplement le courant de fonctionnement du premier étage. Mais le coefficient t des transistors se de grade lorsque les courants de fonctionnement sont réduits; en outre, la vitesse de llamplifica- teur (vitesse de commutation) peut entre gonze par -suite d'une re > - duction de la largeur de bande (fT) des transistors dont le courant de fonctionnement est réduit.Cela peut conduire à la nécessité d'augmenter le condensateur de compensation pour maintenir la stabilité ce qui annule toute réduction des dimensions de ce condensateur qui peut titre obtenuepar une reduction du courant de fonctionnement. Un autre procédé connu est celui de la dégénération résistive d'émetteur, selon lequel une résistance est connectée à l'émetteur de chacun de deux transistors NPN ainsi que le décrivent Salomon et ses collaborateurs dans "A Self-Compensated Monolithic Operational Amplifier with Low Input Current and High Slow Kate," ISCCC flip. Tech. Papers, pages 14 - 15, Février 1969. Cette technique est d'une utilité limitée lorsque le courant de fonctionnement est très faible, par exemple 1 à 2 FA de chaque côté.A ces intensités, chaque résistance de dégenération doit avoir une valeur de 12 à 25 kohms pour réduire la transductance de moitie par dégénération d'émetteur. Ces résistances sont physiquement trop grandes pour entre acceptables dans la fabrication des circuits intégrés. Une autre possibilité encore consiste à utiliser des transistors PNP à collecteur divisé pour réduire la transconductance de l'étage d'entrée, comme le décrivent Russell et ses collabora- teurs dans "Automotive and Industrial Electronic Building Blocks." I.E.z.E. J. Solin State Circuits, Volume CC-7, pages 446-454, Décembre 1972. Ce procédé est acceptable sur le plan des dimensions mais ne permet pas une vitesse de commutation tres élevée. L'invention concerne donc un amplificateur operationnel perfectionné dont les dimensions sont réduites et qui possede de bonnes caractéristiques de fonctionnement. L'is-ention vise également à réduire la transconductance de l'étage d'entrée d'un amplificateur opérationnel sans utiliser de composants encombrants qui pourraient compenser le but de la réduction de la transeonuuc- tance, à savoir des dimensions globales plus réduites. L'invention concerne également un amplificateur opérationnel intégré de dimensions réduites souffrant une dégradation minimale de la vitesse de basculement et de la tension de décalage de zéro D'une façon générale, l'invention permet de réduire la transconductance de l'étage d'entrée par dégénération active d'émetteur. Des diodes sont utilisées dans les circuits d'émetteur pour présenter une résistance active relatise-ent élevée. Ces diodes n1 occupent que très peu de surface de silicium. Cette technique convient également en ce qui concerne la tension de décalage de zéro, permettant d'obtenir des décalages inférieurs à 2 mV. La réduction de la transconductance ainsi obtenue permet de réduire de façon notable les dimensions du condeusateur de compensation et par conséquent, de la pastille de circuit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront auccours de la description qui va suivre Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d1 exemple nullement limitatif La kig. 1 est le schéma d'un étage d'entrée d'un amplifica- teur opérationnel selon l'invention, la Fig. 2 est un schémad'-un amplificateur couplet selon l'invention. Il est préférable d'utiliser un étage d'entrée de gain modéré. La Fig. 1 représente un étage d'entrée de gain modéré com portant des transistors PNP latéraux. Bien que des transistors du type NPN pourraient être utilisés avec certains avantages au lieu de la paire latérale PNP adaptée représentée, cette derniere est préférée pour sa simplicité; elle peut tolérer des tensions différentielles élevées sans @claquage en raison de la valeur VssEo du transistor latéral elle effectue le décalage de niveau dans le premier étage sans circui-t supplémentairei Son courant d'entrée peut être très réduit, inférieur à 100 nA,si le courant de collecteur est maintenu à une valeur faible; et son courant d'entrée reste relativement insensible à la température grâce au coefficient de température réduit du transistor latéral. Des sources 1 et 2 à courant commandé de type classique fournissent un courant de fonctionnement d'environ So A par étage, respectivement au premier et au second étages. Des conducteurs d' entrée 3 et 4 sont connectés respectivement aux bases des transistors PNP latéraux 5 et 6. Le circuit d'émetteur de chaque transistor 5 et 6 contient une diode, 7 et 8, dont la résistance active est de l'ordre de 10 hDhms sous un courant de 2,6 e . Ces diodes de dégénération 7 et 8 peuvent être très petites et elles consistent en une diode NPN à double émetteur avec la jonction collecteur-base court-circuitée, comme cela sera décrit par la suite en regard de la figure 2 Les transistors 9 et 10 sont du type N et sont classiques dans la réalisation des amplificateurs opérationnels.Leur fonction est d'effectuer une conversion différencielle simple ent-re les premier et second étages. La transconductance équivalente du premier étage de 50 micromhos et un condensateur de compensation de lu pF donnent une fréquence de recouvrement à gain unitaire d'environ 800 kHz. Ce circuit permet également une vitesse de commutation à gain unitaire de ltordre de 0,5 V/s c' est-à-dire à peu près identique à celle du type 741 précité. Le transistor 11 fait en fait partie du second étage et il ntest représenté sur la figure 1 que Pour montrer les connexions. La transconductance équivalente du circuit Ge la figure 1 est de l'ordre de 50 micromh. A cette valeur, le condensateur de compensation peut avoir une capacité de 8 à lu pF. Il faut comparer cette valeur à celle de 30pF normalement employée dans l'amplificateur du type 741 précédemment connu. La ?ig. 2 représente le circuit complet de l'amplificateur opérationnel. Il faut noter que sur cette figure, les diodes de dégéné- ration 7 et I 8 de la Fig. 1 ont été relplacées par une diode PN- 13 à double émetteur dont la jonction collecteur-base est court circuitée. Pour éviter toute effet parasite de transistor A;PN latéral d'un émetteur à l'autre, le contact de base est intercalé entre les deux émetteurs. Il faut également noter que sur la Zig 2, les sources de courant 1 et 2 de la liig. 1 ont été remplacées par un transistor PNP 14. Les transistors 15 et lo et la résistance 17 assurent le fonctionnement classique en classe AB complémentaire de l'étage de sortie. Un faible Coranit d'environ 3A est autorisé à circuler dans les transistors 18 et 18a pour éviter la distorsion de recouvrement. Ce faible courant est raisonnable, en comparaison avec le reste de la consommation de l'amplificateur. Le transistor 19 et le transistor de sortie 18a avec les résistances 2, 21 et 22 constituent un dispositif de protection standard contre les court-circuits négatifs. Le transistor 23 et la résistance 21 constituent un dispositif de protection standard contre les court-circuits positifs. Les matières, les valeurs et le procédé de- fabrication de tous les composants ci-dessus peuvent être ceux habituellement employés pour les amplificateurs opérationnels intégrés et sont bien connus. Le circuit de la ?ig. 2 a été utilisé dans un double amplificateur opérationnel de faible puissance. La pastille d'amplificateur double mesure environ 1 ,35 x 1,4 mm ce qui est environ la dimension d'un seul amplificateur du type 741. Un type quadruple pourrait être réalisé, qui donnerait encore un meilleur rendement de la surface en raison du fait que le circuit de polarisation serait commun à quatre amplificateurs au lieu de deux. ;es performances du double amplificateur sont données dans le tableau ciapres. ènsion de décalage d'entrée 2 mV Courant de polarisation d'entrée 40 nA Courant de décalage d'entrée 5 nA Gain en boucle ouverte avec une résistance de charge de 10 kohms 85 dB PLage de tension d'entrée en mode commun + 13 V ension de sortie maximale + 14 V Intensité totale d'alimentation à # 15 V 100 A Puissance dissipée e à + 15 V 3 mi Puissance dissipée à + 2 V 17u W Vitesse de commutation à gain unitaire 0,5 v/ s PVENDICAl'i0NS 1 - Amplificateur opérationnel en circuit intégré comprenant au moins un étage d'entrée, un étage de sortie et un condensateur de compensation, caractérisé en ce que ledit étage d'entrée comporte un premier et un second transistorsd'entrEe différentiels comprenant chacun une borne de base, une borne d'émetteur et une borne de collecteur, une première et une seconde diodesde dégénération connectées respectivement aux bornes d'émetteur dudit premier et dudit second transistorsd'entrée, un dispositif destiné à fournir un courant auxdits transistors et auxdites diodes et des bornes de sortie destinées à être connectées audit second étage. 2 - Amplificateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdites diodes de dégénération sont constituées par un transistor à double émetteur dont la base est connectée au collecteur. - - Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à le protéger contre les court-circuits négatifs et un dispositif destiné à le protéger contre les court-circuits positifs. 4 - Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou -2, caractérisé en ce que lesdits transistors d'entrée sont des transistors du type PNP. 5 - Amplificateur selon l'une quelconque des revendications. i ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des transistors destinés à assurer un fonctionnement en classe AS complémentaire, connectés dans ledit second étage. 5 - Amplificateur selon l'une quelconque des revExridications 1 ou 2, caractérisé en ce que la capacité du condensateur de compensation ne dépasse pas 10 picofarads 7 - Amplificateur opérationnel en circuits intégrés comprenant au moins un étage d'entrée, un étage de sortie et un condensateur de compensation, caractérisé en ce que ledit étage d'entrée comporte un premier et un second transistorsd'entrée différentiels comprenant des bornes de base, d'émetteur et de collecteur, ledit étage d'entrée comportant également une première et une seconde diodesde dégénération connectées respectivement aux bornes d'émetteur dudit premier et dudit second transistorsd'entrée, ledit étage d'entrée comportant également un dispositif destiné à fournir un courant auxdits transistors et auxdites diodes, et des bornes de sortie destinées à être connectées audit second étage, des transis tors destinés à assurer un fonctionnement en classe AX complémentaire étant connectés dans ledit second étage, un dispositif étant prevu pour protéger l'amplificateur contre les court-circuits positifs et un dispositif étant prévu pour protéger llamplifica- teur contre les court-circuits négatifs. 8 - Amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits transistors d'entrée sont des transistors PNP. 9 - Amplificateur opérationnel en circuit intégré comprenant au moins un étage d'entrée, un étage de sortie et un condensateur de compensation, caractérisé en ce que ledit étage d'entrée comporte un transistor d'entrée comprenant des bornes de base, d'émetteur et de collecteur, une diode de dégénération connectée à la borne d'émetteur dudit transistor d'entrée, un dispositif destiné à fournir un courant audit transistor et à ladite diode et des bornes de sortie destinées à titre connectées audit second étage.