Brevet FR2288348A1 — publié le 19760514

1.n présente invention concerne une source do courant stable à tral1sistors à effet de champ, destinée particulièrement à être réalisée j.. forme de circuit intégré. ï1 est courant daims de nombreuses applications des circuits çntégrés. de prévoir une source de courant sous la forme d'un transistor à effet de clamp dont le drain et la source sont connectés entre un source de tension et une sortie en courant et dont la grille est connectée a la source de tension. Dans une source de courent d ce genre, le courant de sortie dépend de la tension d'alimentation suivant un loi du second degré. Bien que cette disposition puisse convenir à certaines applications, elle présente de très grands inconvénients dans d'autres cas, comme par exemple dans les montres électroniques. La demande de Brevet des Etats Unis d'Amérique N 379 639 déposée le 16 Juillet l973 au nom de Davld Bingham décrit une source de courant extremement stable apportant un progrès sérieux aux oscillateurs destinés à des montres électroniques ou autres. Cette source de courant comporte une combinaison de diodes et de jonctions de transistors destinée à appliquer une tension de grille stable a un transistor à effet de champ, de manière que le courant de sortie soit pratiquement indépendant des variations de la tension d'alimentation. matis selon cette disposition, la valeur réelle du courant produit par la source dépend de la tension de déblocage ou la tension seuil du transistor à effet de champ, et par conséquent, cette tension seuil doit être rigidevent déterminée afin d'obtenir des courants dans les plages voulues. L'invention concerne donc un perfectionnemcnt à la technique des sources de courant, y compris celle décrite ci-dessus, dans le but de limiter la dépendance entre le courant de sortie et la tension seuil des transistors à effet de champ individuels. L'invention concerne donc une source de courant stable cownprenant un premier transistor à effet de champ dont la source et le drain sont connectés entre la tension d'alimentation et la sortie en courant. Un second transistor à effet de champ est polarisé de manibre à etre connecteur près de son seuil au moyen d'une résistance connectée en série avec la source de tension. Une jonction semi-conductrice, constituée par exemple par une diode, est connectée entre la sortie du second transistor à effet de champ et la grille du premier transistor à effet de champ, et elle établit ainsi la tension de flêblocage du premier transistor à effet de champ au voisinage de la tension en sens direct aux bornes de la jonction semi-conductrice. Selon l'invention, une source de courant à transistor à effet de champ fonctionne dans la partie exponentielle de la ca ractéristique courant-tension de ce composant. Cela revient à dire que la relation du second degré entre le courant et la tension de la source est éliminée ce qui permet d'obtenir un courant de sortie beaucoup plus constant. En outre, un second transistor à effet de champ pratiquement identique au premier fournit, avec une jonction semi-conductrice, la tension de grille du premier transistor à effet de champ, de sorte que le courant de sortie dépend beaucoup moins des variations de la tension seuil entre les différents transistors à effet de champ. De préférence, ces transistors à effet de champ sont intégrés en un seul circuit et peuvent même être réalisés en même temps au cours des mimes opérations. L'invention est particulièrement adaptée à la fabrication des composants NOS et COMS. Tous les éléments de la source de courant selon l'invention peuvent être réalisés on circuit in tégré. Selon un exemple pratique comprenant des transistors à effet de champ à canal P du type MOS, les résistances du circuit de polarisation du transistor source de courant peuvent etre réalisées sous la forme de transistors à canal N dont les rapports largeur/longueur sont réduits. il est également possible de produire une multiplication de courant, et tout ce qui précède s'adapte particulièrement aux circuits en technologie CMOS à basse puissance et autres. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels La Figure 1 est un schéma d'une source de courant stabilisée de type antérieur, la figure 2 est un schéma d'une source de courant selon 1 'invention, la figure 3 est un schéma du circuit de la figure 2 dont les résistances sont constituées par des transistors à canal N, la figure 4 représente le circuit de la figure 2 dans lequel une diode remplace le transistor NPN, la fifre 5 représente une source de courant selon l'invention comprenant des transistors à effet de champ à canal N plutôt qu' à canai P comme sur la figure 2 et, la tigre 6 représente schématiquement le circuit de la figure 2 adapté à une source de tension négative, et comprenant une multiplication de courant, La présente invention concerne donc un perfectionnement au circuit antérieur représenté sur la figure 1 et décrit dans la demande de B-revet des Etats Unis d'Amérique précitée. Dans ce circuit, la tension de grille du transistor à effet de champ P est produite par deus jonction semi-conductrices constituées dans le circuit représenté, par des jonctions base-émetteur de transistors T1, T2 qui délivrent une tension stable au point B et qui est appliquée à la grille du transistor à effet de champ. Les caractéristiques exponentielles des diodes, ou jonctions semi-conductrices de la Fig, 1, permettent d'obtenir cette tension de grille stable. Par conséquent, le circuit de laFig.l délivre un courant de sortie I qui est pratiquement indépendant des variations de la tension d'alimentation. rIais la valeur du courant de sortie T dépend de la tension seuil, ou tension de déblocage du transistor à effet de champ. Par conséquent, il est nécessaire de contrôler rigidement la tension seuil du transistor à effet de champ pour obtenir des courants de sortie dans une plage voulue. Le periectionnement apporté par l'invention au circuit antérieur de la figure 1 consiste à rendre le courant de sortie beaucoup plus indépendant de la tension seuil du transistor à effet de champ. La figure 2 représente un circuit qui comprend une borne 71 d'alimentation positive désignée par Vdd, et une borne 12 d'alimentation négative désignée par VSS. Un transistor à effet de champ NOS 13 à canal P est connecté entre la tension VDD et la borne 14 de sortie de courant. Contrairement aux circuits antérieurs, le circuit selon l'invention représenté sur la figure 2 comporte un second transistor à effet de champ 16 à canal P dont la source est connectée à la borne il et dont le drain est connecté à la borne 12 par une résistance 17. La grille du transistor 16 est connectée au drain qui est également connecté à la base dun transistor NPN t8 dont le collecteur est connecté à la borne 11 et dont l'émetteur est connecté à la borne 12 par une résistance 19. JJT émetteur du transistor 18 est connecté à la grille du transistor à effet de champ 13. Afln de faciliter la description, un point A est identifié sur la figure 2 au drain du transistor 16 et un point B à I'metur du transistor 18. L'examen du fonctionnement du circuit de la figure 2 montre tout d'sabord que les transistors à effet de champ MOS 13 et 16 sont de préférence intégrés sur le même circuit, de sorte que leurs tensions seuil sont pratiquement identiques. En pratique, ces deux transistors 12 et 13 peuvent être réalisés en même temps sur la meme pastille, selon les memeq procédures de masquage et de diffusion, ce qui établît une identité totale entre les tensions seuil de ces deux composants.Le transistor 16 est polarisé par la résistance 17 à-un point de fonctionnement qui se situe dans la partie exponentielle de sa caractéristioue, c' est-à-dire dans un état de début de conduction à basse tension, qui est souvent pratiquement négligé mais qui existe dans les caractéristiques de fonctionnement des transistors à effet de champ. Dans cette région du fonctionnement, il se produit une variation exponentielle de la relation entre la Tension et le courant, qui varie lorsque la tension aug monte, mais qui ne dépasse jamais la relation du second degré. Un choix approprié des dimensions du composant et de la valeur de la résistance 17 permet d'amener la tension au point A très près d la tension seuil du transistor 16 et par conséquent, de la tension seuil du transistor 13. Cette condition est res pestée dans une large plage de tensions de fonctionnement. Par conséquent, le transistor 18 se comporte dans ce cas comme une diode, de sorte que la tension au point B est inférieure à la tension seuil du transistor 16 d'une chute de tension de diode, dans une large plage de tensions d'alimentation et de tensions seuil. Par conséquent, le courant de sortie à la borne 14 dépend beaucoup moins des variations de tension seuil d'un composant à l'autre que le circuit antérieur de la figure 1. Il faut noter que la stabilité de la source de courant de la figure 2 est légèrement inférieure à celle de la figure 1 car la caractéristique exponentiellc du transistor à effet de champ 16 présente une pente moindre que celle d'une jonction semiconductrice, une diode par exemple, d'une valeur qui dépend du procédé de fabrication. Mais il faut aussi remarquer que la ré duction de stabilité due à l'utilisation du transistor à effet de champ 16 au lieu d'une diode est très réduite. L'amélioration apportée par la réduction de la dépendance des variations de tension seuil apporte un grand progrès et permet de réaliser des sources de courant réellement stables en technologie MOS. Il faut remarquer que le transistor 18 de la figure 2 peut eAtre facilement intégré en technologie MOS ou CMOS, comme cela est décrit dans 3demande de Brevet précitée. La figure 3 représente le même circuit que la figure 2, mais dans lequel les résistances 17 et 18 sont constituées par des transistors MOS à canal N. Les éléments de la figure 3 qui sont identiques à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes références. Le drain du transistor à effet de champ 16 est con neck8 au drain d'un transistor à effet de champ MOS 21 à canal N dont la source est connectée à la tension Vss et dont la grille est connectée à VDD.De même, la résistance 19 est remplacée par un transistor à effet de champ NOS 22 à canal N dont le circuit source-drain est connecté entre l'émetteur du transistor 18 et la tension Vss, et dont la grille est connectée a VDD Les rapports largeur/longueur des deux transistors à effet de champ 21 et 22 sont réduits, de manière à obtenir la valeur de résistance voulue. Le rapport largeur/longueur du transistor 16 est élevé, et celui de transistor 13 est déterminé par le courant que doit fournir le circuit. La figure 4 représente un circuit selon l'invention, dans lequel le transistor NPN 18 est remplacé par une diode semiconductrice 26. Les autres éléments du circuit de la figure 4 sont identiques à ceux du circuit de la figure 2, et sont désignés par les mêmes références. Il ne semble pas nécessaire de décrire le fonctionnement de ce circuit, car il découle directement de la description de la figure 2. La figure 5 représente le circuit de source de courant selon lsinvention, mais comprenant un transistor NOS à canal N plutôt qu' à canal P comme dans le cas de la figure 2. Selon la figure 5, la source et le drain d'un premier transistor à effet de champ MOS 33 à canal N sont connectés entre la tension VsS et la borne 34 de sortie de courant. La source d'un second transistor à effet de champ MOS 36 à canal N est connectée à Vss ot 5011 drain est connecté i VDD par l'intermédiaire d'une résis- tance 37. ta grille du transistor 36 est connectée à son drain ainsi qu'd. une diode 38 connectée à VDD par une résistance 39. La sortie, ou anode, do la diode 38 est connectée à la grille du transistor 33. Il apparait que le circuit de la figure 5 est pratiquement l'inverse de celui de la figure 2, le transistor 18 étant remplacé par une diode; niais ces deux éléments sont in torchangeables car ils constituent dans le présent circuit, une jonction semi-coneuctrlce entre les points A et B. Dans ce cas, la tension au point B est supérieure d'une chute de tension de diode à la tension au point A dans une large plage de tensions d'alimentation e-t de tensions seuil, le courant de sortie dépendant très peu des variations de tension-seuil d'un composant à lautre, comme dans le circuit de la figure 2. 1.1 est possible, selon l'invention, de réaliser une source de courant apportée à la source de tension négative, par une multiplication de courant comme le montre la figure 6. Les elé- ment s du circuit de la figure 6 qui sont identiques à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes références. La partie gauche et la partie supérieure de cette figure sont identiques à la figure 2 et le courant délivré au point 14 est le meme que celui délivré à la borne de sortie 14 do la figure 12.Mais dans ce circuit, le point 14 est connecté au drain dtun transistor 41 à canal N dont la source est connectée à VSS et dont la grille est connectée au drain La source d'un second transistor 42 à canal N est connectée à Vs et son drain est connecté à la borne 43 de sortie de courant. La grille du transistor 42 est connectée au point 14. Cette combinaison des transistors 41 et 42 à canal N produit une inversion du courant délivré par le circuit, c'est-à-dir que le courant provient de V55 plutôt que de VDD. De plus, ce circuit supplémentaire peut assurer une multiplication de courant. Le rapport entre le courant au point 14 et le courant à la borne 43 est déterminé par les rapports largeur/longueur des transistors 41 et 42 à canal N. Par exemple, si le rapport largeur/longueur du transistor 42 est trois fois supérieur à celui de transistor 41, le courant à la borne de sortie 43 est trois fois plus intense que celui au pont 14. il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux circuits décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVTNDT CATTONS 1 - source de courant, caractériséeen ce quelle comporte un premier transistor à effet de champ connecté à une première borne d'alirnentatioll en tension et à une borne de sortie de courant un Second transistor à effet de champ identique, pos çdnt pratiquement la memo valeur de tension seuil que ledit premier transistor, connecté en série entre la première et une seconde borne d'alimentation en courant, et polarisé de manière à conduire dans la partie exponentielle de sa caractéristique courant-tension, une jonction semi-conductrice reliant ledit second transistor:: la grille dudit premier transistor, et un circuit résistif reliant la grille dudit premier transistor à ladite seconde borne d'alimentation en tension de manière à établir la tension de grille dudit premier transistor à la valeur de la tension seuil dudit second transistor, diminuée de la tension aux bornes de la jonction semi-conductrice, de manière que le courant de sortie dépende peu de la tension seuil. 2 - Source de courant selon la revendication t, caractérisée en ce que ladite jonction semi-conductrice consiste en une diode semi-conductrice. 3 source de courant selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite jonction semi-conductrice est constituée par une jonction d'un transistor connecté en série avec une résistance entre ladite première et ladite seconde borne d'alimentation en tension. 4 - Source de courant selon la revendication 1, caractérisée on eeqlU lesdits transistors consistent en de s transistors à métal- oxyde-semi-eonducteurs à canal P dont les sources sont connectées à ladite première borno d'alimentation en tension qui délivre une tension positive. 5 - Source de courant selon la revendication 4, caractérisée en ce quelle comporte une résistance connectée en série avec ledit second transistor de manière à lo polariser. 6 - Source de courant selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite résistance consiste en un transistor à effet de champ à mdtal-oxyde-3emi-conducteur à canal N, dont le rapport de largeur à la longueur est rdduit et dont la grille est connectée à ladite première borne d'alimentation en tension. 7 - Source de courant selon la revendication 4, caractérisée en ce quelle comporte également un premier ttransistor à effet de champ à métal-oxyde-semi-conducteur à canal N connecté entre ladite borne de sortie de courant et ladite seconde borne d1alimentation en tension négative, et dont la grille est connectée au drain, et un second transistor à effet de champ à métal-oxyde-semoi-conducteur à canal N connecté entre ladite seconde borne d'alimentation en tension et une seconde borne de sortie de courant, la grille dudit second transistor étant connectée à la grille dudit premier transistor de manière à produire un courant stable à ladite seconde borne de sortie, rapporté à la source de tension négative. 8 - Source de courant stable en circuit intégré à métal oxyde-semi-conducteur comprenant une première et une seconde borne d"alimentation en tension de polarités opposées, destinée à être connectée à une source de basse tension dont la tension de sortie est sujette à des variations, source de courant caractérisée en ce quelle comporte un premier tran sistor à effet de champ à métal-oxyde-semi-conducteur dont la source et le drain sont connectés entre ladite première borne dXalimentation en tension et une borne de sortie de courant, un second transistor à effet de champ à métal-oxyde-semiconducteur, dont la valeur de tension seuil est pratiquement la meme que celle dudit premier transistor à effet de champ, dont la source et le drain sont connectés en série avec une re'sstancc entre ladite première et ladite seconde borne d alimentation en tension et dont la grille est connectée au point de jonction entre ledit transistor et la résistance, ledit second transistor étant polarisé par une résistance de manière à etre conducteur dans la partie exponentielle de sa caractéristique, les tensions seuil dudit premier et dudit second transistor étant pratiquement identiques et une seule jonction semi-conductrice étant connectée entre la grille dudit premier transistor et la grille dudit second transistor, de manière que la tension à la grille dudit premier transistor soit pratiquement égale à la tension seuil dudit second transistor, diminuée de la tension aux bornes de la jonction semi-conducbrice, en produisant ainsi à ladite borne de sortie un courent de sortie stable qui ne dépend que très peu des tensions seuil des transistors.