Brevet FR2255760A1 — publié le 19750718

La présente invention concerne une source de courant à haute impédance réalisée sous forme intégrée monolithique et son application à un circuit de conversion deux fils-quatre fils permettant de coupler des lignes à deux fils à un centre de commutation de données à quatre fils. Il existe des dispositifs générateurs de courant fonctionnant à partir d 'un courant de référence, comportant un transistor traversé par le courant de sortie et commandé par un transistor monté en diode traversé par le courant de référence. L'inconvénient de ces dispositifs est de présenter en sortie une impédance relativement faible dès que le courant délivré dépasse une valeur de l'ordre de 100 pA. Un objet de la présente invention est précisément une source de courant1 réalisée sous forme intégrée monolithique, présentant une forte impédance de sortie pour des courants délivrés relativement élevés, de l'ordre de 10 mA. Un autre objet de l'invention est une source de courant à haute impédance comportant plusieurs sorties de courant indépendantes, commandée à partir d'un courant de référence unique. Un autre objet de l'invention est une source de courant à haute impédance réalisée sous forme intégrée monolithique et utilisée pour la polarisation à courant constant d'un circuit de conversion deux fils-quatre fils électronique, réalisé sous forme intégrée monolithique à partir du même substrat que la source de courant, permettant de coupler des lignes à deux fils à un centre de commutation de données à quatre fils. Encore un objet de l'invention est une source de courant à haute impédance réalisée sous forme intégrée monolithique et utilisée dans un circuit de conversion deux fils-quatre fils électronique, comportant un dispositif de coupure du courant agissant lorsque ledit circuit de conversion n'est pas relié aux étages de sélection électronique du centre de commutation de données. Selon une caractéristique de l'invention, on a prévu un premier étage constitué par un premier transistor traversé par le courant de référence et un second transistor, de mEme type que le premier, traversé par le courant de sortie dont la base est reliée à la base et au collecteur dudit premier transistor, ledit premier étage étant connecté en série avec un second étage identique au premier. Selon une autre caractéristique de l'invention, on a prévu d'utiliser ladite source de courant comportant plusieurs sorties pour la polarisation en courant continu d'un circuit de conversion deux fils-quatre fils etectrotlique comportant principalement deux amplificateurs différentiels à transistors, en reliant chacun des émetteurs des transistors de ces amplificateurs différentiels à une sortie de la source de courant, les courants délivrés étant égaux sur les émetteurs des transistors appartenant à un même amplificateur différentiel. Vautres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront àÀa lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - La figure 1 représente le schéma électrique connu d'une source de courant constant - La figure 2 représente le schéma électrique de la source de courant à haute impédance selon l'invention ;; - La figure 3 représente le schéma électrique d'une source de courant à haute impédance selon l'invention, comportant plusieurs sorties indépendantes - La figure 4 représente le schéma électrique d'un circuit de conversion deux fils-quatre fils à éléments semi-conducteurs actifs réalisés sous forme intégrée monolithique, comportant une source de courant à haute impédance selon l'invention. La figure 1 représente le schéma électrique connu d'une source de courant constant. Elle se compose de deux transistors T1 et T2. Le transistor T1, connecté en diode en reliant la base au collecteur, reçoit un courant constant de référence Iref par son collecteur. La base du transistor T?, délivrant un courant constant de sortie Isortie sur son collecteur, est reliée à la base, et par conséquent au collecteur, du transistor Tl. Les émetteurs des transistors T1 et T2 sont reliés à la masse. On dira que l'ensemble des transistors T1 et T2 forme un étage 1. Le fonctionnement de cette source de courant constant est le suivant. Une partie Ig du courant de référence Iref est déviée vers les bases des transistors T1 et T2, la base de T1 recevant un courant 131 et la base de T2 un courant 132. Le transistor T1, connecté en diode, joue le rôle de régulateur de courant et tend à maintenir constant le courant de base Ig2 du transistor T2. Ce transistor délivrera donc un courant constant Isortie de valeur Isortie = hfe x Ig2 où hfe est le gain en courant du transistor T2 en montage émetteur commun. Le transistor T2 présente une impédance de sortie élevée (plusieurs mégohms) pour un courant de sortie faible (Isortie uA). Mais cette impédance tombe rapidement à quelques kilohms pour un courant de sortie plus élevé. Le courant de sortie n'est alors plus constant lorsque la charge varie. La figure 2 représente le schéma électrique de la source de courant à haute impédance selon l'invention. On retrouve l'étage 1 de la figure 1 auquel on a ajouté un deuxième étage 2, placé en série avec l'étage 1 et relié aux circuits d'émetteur des transistors T1 et T2 > identique au premier, comportant deux transistors T'1 et T'2 dont les collecteurs sont respectivement reliés aux émetteurs des transistors T1 et T2. Les transistors T1 et T'1 doivent avoir les mêmes caractéristiques électriques, de même que les transistors T2 et T'2. L'obtention de caractéristiques électriques identiques nécessite des géométries identiques des transistors, ce qui n'est possible que par l'intégration monolichique de ces- transistors sur un même substrat, intégration obtenue par masquage et diffusion. Le courant IE1 dans l'émetteur du transistor T1 est sensiblement égal au courant I'El dans l'émetteur du transistor T'1, de sorte que le courant I'gl dans la base du transistor T'1 est sensiblement égal au courant 131. De mêle, les collecteurs des transistors T2 et T'2 étant sensiblement traversés par le méme courant Isortie, le courant I'B2 dans la base du transistor T'2 doit être sensiblement égal au courant 132. Le fonctionnement de cette. source de courant à deux étages est le suivant. Le transistor T'2 introduit une impédance dans le circuit d'émetteur du transistor T2. De meme le transistor Tll introduit une impédance dans le circuit d'émetteur du transistor T1. Mais cette impédance est très faible du fait que T'1 est connecté en diode par la liaison de sa base avec son collecteur. Le transistor T1, connecté en diode, présente également une faible impédance. Il en résulte que l'impedance dans le circuit de base du transistor T2 -est plus -faible-que l'impédance dans son circuit d'émetteur. Le transistor T2 fonctionne donc en montage base commune. L'impédance de sortie est par conséquent très élevée. Elle atteint quelques mégohms pour un courant de sortie de l'ordre du milliampère, et encore quelques centaines de kilohms pour un courant de sortie d'une dizaine de milliampères. Ca circuit intégré monolithique permet donc d'obtenir une source de courant présentant une impédance de sortie élevée pour des courants relativement importants La figure-3 représente le schéma électrique d'une source de courant à haute impédance selon l'invention comportant plusieurs sorties indépendantes. On retrouve le schéma de la figure 2 comprenant les transistors T1, T2, T'1 et T'2, auxquels on a ajouté d'autres couples de transistors T3 etTt3, T4 et T'4, chacun de ces couples étant formé de deux transistors de méme type et de même géométrie réalisés sous forme intégrée monolithique. Les transistors T3 et T4 sont reliés,de la méme manière que le transistor T2, à la base et au collecteur du transistor Tl. De mime, les transistors T'3.- et T'4 sont reliés, de la méme manière que le transistor T'2, à la base et au collecteur du transistor T'1. Le couple de transistors T3-T'3 délivre un courant de sortie I3 sous haute impé dance, de meme que le couple de transistors T4-T'4 qui délivre un courant de sortie 14. On obtient donc une source de courant à haute impédance comportant plusieurs sorties indépendantes, dont le nombre est un principe illimité. On conçoit aisément que si les couples de transistors T2-T'2, T3-T'3 et T4-T'4 ont des caractéristiques électriques identiques entre eux, c 'est-à- dire des géométries identiques, les courants Ig2, IB3, IB4, I'B2, I'B3 et Il 34 traversant les bases des transistors T2, T3, T4, T'2, T'3, T'4 sont sensiblement égaux. Par conséquent, les courants de sortie I2, I3 et I4 sont sensiblement égaux. Une géométrie identique des différents transistors ne peut être obtenue que par l'intégration monolithique de ceux-ci, intégration réalisée par les procédés connus de masquage et diffusion. De pluss si les transistors T1 et T'l ont des géométries identiques à celles des transistors T2, T3, T4, T'2, T'3 et T'4, les courants de base de tous les transistors sont sensiblement égaux et par conséquent, les courants de sortie I2, I3 et 14 sont sensiblement égaux au courant Iref. On remarque que les dispositifs décrits ci-dessus et représentés par les figures 1, 2 et 3 permettent d'obtenir, en dehors du cas pour lequel ils fonctionnent en générateurs de courant (Iref cons-tant), des courants de sortie dont les variations suivent les variations du courant Iref, d'où l'emploi du terme de "miroir" pour de tels dispositifs. La figure 4 représente le schéma électrique dtun circuit de conversion deux fils-quatre fils à éléments- semi-conducteurs actifs réalisés sous forme intégrée monolithique, comportant une source de courant à haute impédance selon l'invention. Ce circuit de conversion deux fils-quatre fils, utilisé dans des centres de commutation de données, fonctionne selon le même principe que celui décrit dans le brevet français nO 71 37599 déposé par la demanderesse le 20 octobre 1971. I1 est relié d'une part à une ligne d'utilisateur à deux fils, par deux bornes 3 et 4, et d'autre part aux étages de sélection électronique du centre de commutation de données par deux voies dissymétriques R et S.Il comporte principalement deux amplificateurs différentiels, le premier étant constitué par deux transistors "Darlington" T23-T'23 et T24-T'24, et le se cons par deux-transistors "Darlington" T25-T'25 et T26-T'26. Les transistors T23-T'23 et T24-T'24 sont polarisés en courant par un courant constant I12 circulant dans l'émetteur de T23 et par un courant constant I13 égal à I12 circulant dans l'émetteur de T24. De même T25-T'25 et T26-T'26 sont polarisés en courant par un courant constant I10 circulant dans l'émetteur de T25 et par un courant constant I9 égal à I10 circulant dans l'émetteur de T26.Une réaction d'émetteur est produite pour chaque amplificateur différentiel par l'insertión d'une résistance R2 entre les émetteurs de T23 et T24, et d'une résistance R4 entre les émetteurs de T25 et T26. Le collecteur du transistor "Darlington" T25 T'25 et la base du transistor "Darlington" T23-T'23 sont reliés à la borne 4 du circuit de conversion deux fils-quatre fils, ainsi qu'à la tension d'alimentation + V par l'intermédiaire d'une résistance RI et de deux transistors T21 et T22 connectés en diodes. 'De même, le collecteur du transistor "Darlington" T26-T126 et la base du transistor "Derlington" T24-T'24 sont reliEs à la borne 3 du circuit de conversion deux fils-quatre fils ainsi qu'à la tension d'alimentation + V par une résistance R'1 de même valeur que Rl reliée aux deux transistors T21 et T22 connectés en diodes.Les bases des transistors "Darlington't T25-T'25 et T26-T'26 sont alimentées en tension par l'intermédiaire des résistances de même valeur R10 et R9. Le collecteur du transistor "Darlington" T24-T'24 est relié à la masse de façon à obtenir un fonctionnement dissymétrique de l'amplificateur différentiel constitué par les transistors tDarlington" T23-T'23 et T24-T'24. Les signaux de données arrivant de la ligne d'abonné à deux fils sur les bornes 3 et 4 du circuit de conversion sont appliqués sur les bases de l'amplificateur différentiel formé de T23-T'23 et T24-T'24. Celui-ci transmet ces signaux sur la voie S par l'intermédiaire du transistor "Darlington" T5Tt5 monté en base commune et fonctionnant en générateur de courant sous haute impédance. La voie S, ainsi que la voie R, est reliée à un joncteur alimenté en tension négative par l'intermédiaire des étages de sélection électronique. Les signaux de données proviennent des étages de sélection électronique par la voie R. Ils sont appliqués sur les bases de l'amplificateur différentiel formé de T25-T'25 et T26-T'26 par I1 intermédiaire d'une résistance R3. Deux condensateurs Cl et C2 sont placés entre les bornes de la résistance R3 et les bases des transistors T'25 et T'26 pour supprimer la composante continue des signaux de donnees sur ces bases. L'amplificateur différentiel formé de T25-T'25 et T26-T'26 transmet de façon symétrique les signaux de données vers les bornes 3 et 4 reliées à la ligne d'abonné. Mais il transmet également ces signaux sur les bases des transistors T'23 et T'24, d'où la présence de signaux de données sur le collecteur de T23. Ces signaux sont annulés par les signaux de données provenant de la voie R et arrivant sur le collecteur de T23 par l'intermédiaire de R3 en série avec deux transistors T16 et T17 connectés en diodes. Les signaux de données provenant de la voie R ne se retrouvent donc pas sur la voie S. On passe ainsi d'un fonctionnement symétrique avec deux fils du côté de la ligne d'abonné à un fonctionnement dissymétrique avec quatre fils du côté des étages de sélection électronique. Deux transistors Tl9 et T20 fonctionnant en diodes ont un rôle de protection des transistors T23-T'23 et T24-T'24 contre les sustensions élevées de ligne pouvant se produire. De même un transistor T18 connecté en diode protège le transistor "Darlington" T5-Tt5 contre les surtensions. Deux condensateurs L1 ét L2 sur chacun des deux fils de la ligne d'abonné suppriment la tension continue d'alimentation de ligne sur les bornes 3 et 4 du circuit intégré monolithique. On va décrire à présent plus en détail le circuit de polarisation en courant du dispositif de conversion deux fils-quatre fils représenté à la figure 4. Un courant de référence Iref est créé dans le circuit d'émetteur d'un transistor T6 comprenant en série deux résistances R5 et R6 et deux transistors T7 et T'7, de caractéristiques électriques identiques, connectés en diodes en reliant la base et le collecteur. Le collecteur de T6" traversé par un courant sensiblement égal au courant d'émetteur, comporte également deux transistors en série, T8 et T'8, de caractéristiques électriques identiques, connectés en diodes en reliant la base et le collecteur. Le courant constant Iref dans le circuit d'émetteur de T6 est obtenu en alimentant sa base par une tension constante à l'aide d'un transistor Z connecté en diode et jouant le rôle d'une diode Zener.Les résistances R5 et R6 permettent d'ajuster la valeur du courant de référence Iref. L'émetteur du transistor T25 est relié à un couple de transistors T10 et T'l0 de caractéristiques électriques identiques, donc de géométries identiques. De même, l'émetteur du transistor T26 est relié à un couple de transistors T9 et T'9 de caractéristiques électriques identiques, donc de géométries identiques. De plus, ces deux couples de transistors ont des caractéristiques identiques entre eux. les bases de T9 et T10 sont reliées à la base de T7. Les bases de T'9 et T'10 sont reliées à la base de T'7. On retrouve ici la source de courant à haute impédance représentée à la figure 3.Les courants délivrés 19 et I10 sont égaux du fait de l'identité des caractéristiques électriques des couples T9-T'9 et T10-T'10. Les émetteurs de l'amplificateur différentiel formé des transistors "Darlington" T25-T'25 et T26-T'26 sont donc polarisés par des courants constants identiques I9 et I10. I1 en est de même pour l'autre amplificateur différentiel dont l'émetteur de T23 est relié à un couple de transistors T12 et T'12 ayant la même géométrie, et dont l'émetteur de T24 est relié à un couple de transistors T13 et T'13 ayant la même géométrie. Ces deux couples de transistors sont identiques -entre eux. Les bases de T12 et T13 sont reliées à la base de T8.Les bases de T'12 et T'13 sont reliées à la base de T'8. Comme précédemment, on obtient deux courants constants identiques I12 et I13 dans les émetteurs de T23 et T24. Pour obtenir un fonctionnement correct du circuit de conversion deux fils-quatre fils, les courants de polarisation des deux amplificateurs différentiels doivent être dans un rapport 2K tel que 110 = 2K 112 où K est le rapport de transformation du transformateur réalisant la conversion deux fils-quatre fils à la place des deux amplificateurs différentiels dans des dispositifs connus. On obtient ce rapport 2K en agissant sur la géométrie des transistors T12, T'12, T13, T'13 par rapport à celle de T9, T'9, T10, T'10 lors de leur intégration monolithique. Ce dispositif de polarisation en courant continu est très avantageuxdans un circuit de conversion deux fils-quatre fils électronique puisqu'il délivre par exemple des courants de l'ordre de 8 ma pour I10 et I12, sous une impédance de 300 K#. Un couple de transistors ayant la même géométrie, T11 et T'll, est connecté entre l'alimentation + V et le collecteur de T23. La base de T11 est reliée à la base de T12 et la base de T'll à la base de T'12. T'11 et T'12 sont identiques, de même que Tll et T12, si bien que le couple Tll-T'll délivre un courant constant 111 égal à I12. Ces deux courants I11 et I12 alimentent les voies R et S des étages de sélection électronique reliés à un joncteur recevant une tension négative. La voie R est traversée par un courant I11 + I12 tontinu 2 , de même que la voie S. Le circuit de conversion deux fils-quatre fils comporte un dispositif de coupure du courant de polarisation lorsque la ligne d'abonné qui lui est rattachée n'est pas active. Le 'dispositif de coupure comprend un transistor T14 dont. l'émetteur est relié à la base de T6, dont le collecteur est relié à l'alimentation + V par l'intermédiaire d'une résistance R7 et dont la base est alimentée en tension par l'intermédiaire d'une résistance R8 reliée à l'alimentation + V. Cette base est en outre reliée au drain d'un transistor à effet de champ T15 de-type N, la grille de celui-ci étant connectée à la vie S du circuit de conversion. On va expliquer à présent le fonctionnement de ce dispositif de coupure du courant de polarisation. Lorsque la ligne d'abonné est utilisée, c'est-à-dire lorsqu'elle est reliée à un joncteur par l'intermédiaire des étages de sélection, la voie S sera portée à un potentiel négatif par rapport à la masse, puisque le joncteur est relié à une borne de tension négative. La grille du transistor à effet-de champ T15 se trouve donc à un potentiel négatif et celui-ci-est dans l'état bloqué. Le transistor T14, dont la base est alimentée en tension par l'intermédiaire de la resistance R8, conduit, et le transistor Z fonctionnant en diode Zener est alimenté par 11 intermédiaire de la résistance R7. Un courant de référence Iref se développe à travers le transistor T6 et l'on obtient donc, de la manière indiquée précédemment, les courants de polarisation I9 = I10 et 111 = I12 = 113. Lorsque la ligne d'abonné n'est pas utilisée, la voie S n'est pas reliée à un joncteur, et se trouve donc à une tension sensiblement nulle. Le transistor à effet de champ conduit alors suffisamment pour abaisser le potentiel de la base de T14 à une valeur inférieure à la tension de stabilisation du transistor Z fonctionnant en diode Zener. Aucun courant ne circule donc à travers T14 ni à travers T6. Le courant de référence Iref est donc nul' ainsi que les courants de sortie I9, I10, Ill, I12 et I13. Par conséquent, lorsque la ligne d'abonné n'est pas utilisée, le circuit de conversion deux fils-quatre fils qui lui est rattaché ne consomme aucun courant, excepté le courant très faible circulant dans la résistance R8 et le transistor à effet de champ T15. Cet avantage est important du fait que les courants de polarisation dans ce type de circuit sont relativement élevés. Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec un exemple particulier de réalisation, il est clair qu'elle n'est pas limitée audit exemple et qu'elle est susceptible d'autres variantes bu modifications sans sortir de son domaine. REVENDICATIONS 1. Source de courant à haute impédance réalisée sous forme intégrée monolithi que, délivrant un courant de sortie constant à partir d'une source de courant de référence, comprenant un premier étage constitué par un premier transis tor traversé par le courant de référence ct un deuxième transistor, de même type que le premier, traversé par le courant de sortie, dont la base est reliée à la base et au collecteur dudit premier transistor, caractérisée en ce qu'elle comporte un deuxième étage connecté en série avec le premier, assurant le fonctionnement dudit deuxième transistor en base commune. 2. Source de courant à haute impédance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le deuxième étage est constitué par un troisième transistor dans le circuit d'émetteur du premier transistor, de même type et de même géo métrie que celui-ci1 et par un quatrième transistor dans le circuit d'émet teur du deuxième transistor, de méme type et de même géométrie que ce deuxième transistor, dont la base est reliée à la base et au collecteur dudit deuxième transistor > les émetteurs des deuxième et troisième transistors étant reliés à une borne convenable de l'alimentation de ladite source de courant de référence. 3. Source de courant à haute impédance selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens d'obtention de plusieurs sorties de courant indépendantes à partir d'une source de courant de référence unique et en ce que lesdits moyens sont constitués par plusieurs couples de transistors, chaque couple formé de deux transistors de même type et de meme géométrie, étant équivalent au couple formé par les deuxième et quatrième transistors, et étant relié aux premier et troisième transistors de la même manière que ce couple de deuxième et quatrième transistors. 4. Dispositif dè polarisation en courant continu d'un circuit de conversion deux fils-quatre fils électronique réalisé sous forme intégrée monolithique, utilisant une source de courant à haute impédance selon la revendication 3, ledit circuit de conversion, utilisé dans un centre électronique de commu tation de données, étant relié d'une part à une ligne bifilaire symétrique d'utilisateur et d'autre part aux étages de sélection électronique du centre de commutation de données par l'intermédiaire de deux votes distinctes, et comportant un premier amplificateur différentiel à transistors identiques pour la transmission des signaux dans un sens et un second amplificateur différentiel à transistors identiques pour la transmission des signaux dans l'autre sens, caractérisé en ce que chacun des émetteurs des transistors des deux amplificateurs dif.érent-els 2S. relié à une soLLie de ladite source de courant à haute impédance dont les couples de transistors reliés aux émetteurs des transistors drun merme amplificateur différentiel. sont identiques entre eux de façon à délivrer des courants égaux. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le courant de référence unique est obtenu dans le circuit d'émetteur d'un transistor dont la base est polarisée par une tension constante. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de coupure du courant continu de polarisation lorsque le circuit de conversion deux fils-quatre fils n'est pas relié aux étages de sélection électronique du centre de commutation de données. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de coupure du courant continu de polarisation comportent un transistor à effet de champ dont la grille est reliée à la voie dissymétrique permettant la transmission'des signaux du circuit de conversion deux fils-quatre fils vers les étages de sélection et dont le circuit drain-source commande un transistor supplémentaire contrôlant la commutation de la tension constante sur la base dudit transistor fournissant le courant de référence unique.