Brevet FR2318533A1 — publié le 19770211

La presente invention concerne un dispositif de polarisation d'un amplificateur différentiel. La présente invention s'applique notamment aux amplificateurs différentiels intégrés réalisés avec des transistors a effet de champ du type MOS. En effet, dans les circuit intégrés et en particulier ceux utilisant des transistors MOS, la qualité de chaque élément, pris séparément, n'est pas contrôlée, de par la petitesse intrinsèque des circuits et leur production en masse. I1 est alors indispensable de réaliser des circuits compensés, c'est-a-dire des circuits où les imperfections des transistors et les variations des parametres technologiques associés soient automatiquement compensées sans réglage ni ajustage des composants individuels. Le dispositif de polarisation selon l'invention s'applique à un amplificateur différentiel de type connu où on introduit sur deux entrées, deux tensions dont on désire amplifier la différence, laquelle est obtenue a partir des valeurs des tensions amplifiées sur deux sorties. Des variations des paramètres technologiques risquent de faire travailler les transistors amplificateurs hors de leur zone normale de fonctionnement, c'est- -dire hors de la partie linéaire de la caractéristique de transfert. Pour assurer un fonctionnement des transistors dans la bonne partie de la caractéristique de transfert, il est nécessaire que, pour une différence de tension à l'entrée nulle, la valeur de la différence de tension en sortie soit également nulle, c'est- - dire qu'il faut imposer le point de fonctionnement sur la partie linéaire de la caractéristique de chaque transistor amplificateur et supprimer les tensions de décalage.Pour ce faire et se centrer sur le point dit point de "repos" de ladite caractéristique de transfert de l'amplificateur, on imposera la condition que les potentiels de sortie sur chaque transistor amplificateur, soit Vs et Vs2 aient pour la somme la valeur zéro ou une valeur constante. Dans ce but, on adapte en permanence de manière convenable décrite plus loin la tension de polarisation sur la source (généralement un transistor attaqué par la tension de polarisation sur sa grille) alimentant en courant les deux transistors d'amplification disposés en parallèle. Pus précisément, le dispositif de polarisation d'un amplificateur différentiel selon l'invention utilise une copie d'une partie au moins du circuit d'amplification comportant des éléments individuels (transistors à effet de champ de préférence) aussi semblables que possible des élé- ments du circuit d'amplification proprement dit1 de façon à ce que des variations des paramètres technologiques des éléments du circuit de l'amplificateur différentiel correspondent à des variations concomitantes des éléments semblables du dispositif de polarisation, ce qui a pour conséquence une variation de la tension de polarisation de la source d'alimen station du circuit amplificateur différentiel et un réajustement automatique, en fonction des variations des paramètres technologlqu s, du point de fonctionnement des éléments amplificateurs de façon à ce que la somme des tensions de sortie Vsl + Vs2 soit nulle ou de valeur constante fixée à l'avance. Le dispositif de polarisation d'un amplificateur différentiel selon l'invention, s'applique à un amplificateur différentiel comportant une source L1 d 'alimentation en courant délivrant un courant de valeur réglable ; ladite valeur est déterminée par une tension de polarisation UpOl appliquée sur une commande de ladite source L1; ledit courant se partage dans les deux transistors d'amplification M1 et M2 branchés en parallèle, entre la source de courant L1 et une ligne équipotentielle.Après traversée des transistors d'amplification, les deux courants passent dans des résistances de charge N1 et N2 (avantageusement des transistors dont la grille et le collecteur sont à la même tension négative fixée par ladite ligne équipotentielle) situées chacune entre ledit transistor d'amplification et ladite ligne équipotentielle. Dans cet amplificateur différentiel, les grilles desdits transistors d'amplification M1 et M2 sont branchées sur des sources de signaux à amplifier délivrant les tensions Ve et Ve2.Le dispositif de polarisation proprement dit est constitué par une copie d'une partie dudit amplificateur différentiel, ladite copie comportant au moins une source d'alimentation en courant L'1, un desdits transistors d'amplification M'1 et une résistance de charge N'1, la commande de la source d'alimentation en courant L'1 étant reliée au transistor d'amplification M'1, la grille du transistor d'amplifica tion M'1 étant reliée à la masse. Les organes affectés d'un indice prime sont choisis aussi proches que possible des organes correspondants du circuit amplificateur différentiel proprement dit, pour qu'en fonction des variations des paramètres technologiques ils réagissent selon les mêmes lois. Ainsi le dispositif de polarisation, quant à ces éléments principaux, est identique à un étage amplificateur de l'amplificateur différentiel auquel il est associé, mais fonctionne de façon statique, ia grille du transistor M'1 étant à la masse. La sortIe de cet amplificateur M'1 est branchée sur la commande de la source d'alimentation en courant, sur la grille du transistor MOS L1 lorsque cette source est un transistor branché entre une ligne équipotentielle et les émetteurs des transistors M1 et M2.Comme on le verra plus précisément par la suite, la tension de polarisation UpOl est asservie aux différents paramètres technologiques qu'elle compense, de façon à obtenir une somme constante des tensions de sortie Vs et Vs2 des transistors MOS amplificateurs M1 et M2. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, le schéma d'un amplificateur différentiel de type connu auquel s'applique les différents montages de polarisation selon l'invention, - sur la figure 2, un schéma théorique d'un dispositif de polarisation, copie complète de l'amplificateur différentiel, - sur la figure 3, un dispositif de polarisation selon l'invention ne comportant qu'une branche du dispositif amplificateur différentiel, et - sur les figures 4 et 5, différents montages n utili- sant pas d'amplificateurs entre la sortie du transistor d'amplification et la grille du transistor d'alimentation du dispositif de polarisation, la figure 5 représentant le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Sur la figure I, on a représenté- un amplificateur -différentiel de type connu auquel s'applique comme on le verra plus loin le dispositif de polarisation selon l'invention. Cet amplificateur comprend une source de courant constituée par le transistor MOS L1 dont la source est reliée à la ligne équipo tentlelle + V et le drain aux sources des transistors amplificateurs M1 et M2.C'est sur la grille de ce transistor L1, débitant dans les transistors M1 et M2, qu'est appliquée la tension de polarisation UpOl déterminant le point de fonctionnement des transistors amplificateurs M1 et M2.Les transistors amplificateurs sont reliés à la ligne équipotentielle - V par l'intermédiaire de résistances de charge N1 et N2 constituées dans le cas représenté sur la figure 1, par des transistors MOS fonctionnant en zone ohmique et dont les drains et les grilles sont au même potentiel - V. Les tensions d'entrée dont on veut effectuer la différence sont appliquées sur les bornes d'entrée E1 et E2 reliées aux grilles des transistors M1 et M2. Les tensions de sortie Vsl et Vs sont obtenues sur les sorties S1 et S2. 2 Sur la figure 2, on a représenté le schéma du principe d'un dispositif de polarisation selon l'invention. Ce dispositif comporte les mêmes éléments que le dispositif amplificateur de la figure 1, utilisé en statique, les grilles des transistors amplificateurs M'1 et M'2 étant reliées à la masse.Les sorties et et S2 de ces amplificateurs sont reliées à un dispositif sommateur z réalisant la somme Vs + Vs2, somme qui est envoyée dans un amplificateur K dont la sortie est reliée å la grille du transistor L'1, la tension de polarisation UpO1 appliquée sur le transistor Ll de la figure 1 étant celle appliquée sur la grille du transistor L'1. Ce dispositif sert à asservir la tension dé polaS sation UpO1, en fonction des variations des paramètres technologiques des différents transistors M, N, L, Utilisée pour assurer la constance de la somme des tensions en sortie de l'amplificateur différentiel.L'asservissement de la tension UpOl nécessitant une tension de référence, on a choisi de prendre la basse tension -V comme tension de référence. Les paramètres technologiques teis que les tensions de seuil des transistors MOS M1, et M2 (et M'1, M'2) la largeur du canal dans les transistors MOS et les longueurs géométriques des canaux dans les transistors MDS varient de-la même façon dans l'amplificateur différentiel et dans le dispositif de polarisation ainsi que les variat-ions Oventuelles de la-tension + V.Plus précisément, dans le dispositif de la figure 2 tout comme dans celui des figures 3, 4 et 5, le transistor Nr1 est un transistor de charge utilisé en zone ohmique, où le rapport de géométrie z L est inférieur à 1, rapport dans lequel Z est la largeur du canal d'écoulement des charges entre le drain et la source et L la longueur géométrique du canal du transistor MOS ; ce transistor N'1, tout comme N1, est particulièrement sensible aux variations AZ et AL de la largeur et de la longueur du canal, et permet d'ajuster la tension UpOl en fonction de ces variations pour compenser les variations concomitantes dans N1. Le transistor M'1 est un transistor MOS dont la grille est à la masse (référence 0 volt) et qui permet de compenser les variations de la tension d'alimentation sur la ligne équipotentielle + V vis-à-vis de la tension de polarisation ; enfin le transistor L' 1 dont la largeur Z du canal est importante est très sensible à la tension de seuil VS qui varie fréquemment en fonction de la technologie utilisée.Le transistor L'1 compense les variations de la tension de seuil en asservissant UpOl à ces variations de la tension Vs. I1 a été vérifié que l'utilisation de ces trois transistors permet dans l'un des quatre cas de figure représenté sur les figures 2, 3, 4 et 5 de compenser les variations des paramètres + V, Vs, Z et L. Le dispositif représenté sur la figure 2 a des inconvénients majeurs : la présence de nombreux transistors multiplie les causes d'erreur et l'encombrenant ; de plus sa réponse est lente de par la superposition des différents composants et la présence de l'amplificateur K. Le dispositif représenté sur la figure 3 comporte une seule branche de l'amplificateur différentiel, c'est-à-dire les éléments M'1 et N'1 aussi semblables que possible des transistors M1 (et M2) et N1 (et N2) de l'amplificateur différentiel, et l1élément 1 est déduit de L1 par homothétie pour tenir compte du fait que le courant qui le traverse est moitié de celui qui traverse L1. Le dispositif selon l'invention, représenté sur la figure 3 dans un mode de réalisation, permet d'éliminer les deux transistors M'2 et N'2 dont les variations des paramètres technologiques ne font que suivre ceux des transistors M'1 et Nz1 et sont donc redondants. Le drain de l'amplificateur M'1 est relié par l'intermédiaire de l'amplificateur K à la grille de l'amplificateur L'1, lequel fournit la tension de polarisation Upol envoyée sur la grille du transistor L1 de l'amplificateur différentiel représenté sur la figure 1. Le dispositif représenté sur la figure 4 permet d'éliminer l'amplificateur différentiel K, les conditions de phase entre la sortie du transistor M'1 et ia grille du transistor L' étant remplies par construction. Les géométries des transistors L'11 M'1, N'1 sont identiques à celles des transistors correspondants de la figure 3. Ce type de dispositif selon l'invention fonctionne de façon assez satisfaisante, toutefois, l'arrangement n'est ni parfait, ni optimisé car la grille du transistor L'1 est à haut potentiel, ce qui fait que ie transistor M'1 a une faible tension à ses bornes (entre drain et source) et travaille en zone ohmique alors qu'il devrait travailler en zone amplificatrice. Pour supprimer cet inconvénient on utilise le dispositif de réalisation préférentielle de l'invention représenté sur la figure 5 où les transistors L'1 et M'1 sont disposés en parallèle, le transistor N'1 étant en série, ceci entre les deux lignes équipotentielles + V et - V. Dans ce dispositif, la grille de transistor M' est toujours à la masse et la grille du transistor L'1 est reliée à la sortie commune c'est-à-dire au drain des transistors L' 1 et M' Dans ce montage, le fonctionnement du transistor M'1 en amplificateur est bon ; ledit montage de la figure 5 donne d'excellents résultats c'est- -dire une tension de sortie UpOl tel qu'indiqué sur la figure 5 appropriée à I'élimination par asservissement des variations des paramètres technologiques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de polarisation d'un amplificateur différentiel, ledit amplificateur différentiel comportant entre deux lignes équipotentielles une source L1 de courant d'alimentation délivrant un courant de valeur réglable, ladite valeur étant commandée par une tension de polarisation Upol appliquée sur ladite source L1, dans deux transistors d'am pli fi cation M1 et M2 branchés en parallèle entre ladite source de courant et la première ligne équipotentielle, et dans deux résistances de charges N1 et N2 situées chacune entre lesdits transistors d'amplification et la premiere ligne équipotentielle, les grilles desdits transistors d'amplification M1 et M2 étant branchées sur des sources de signaux a amplifier, dispositif de polarisation caractérisé en ce qu'il est constitué par une copie d'une partie dudit amplificateur différentiel, ladite copie comportant, au moins, entre les deux dites lignes équipotentielles,une source de courant d'alimentation L'1 semblable à L1, un transistor d'amplification M'1 semblable à M1 et une résistance de charge N'1 semblable à N1, la commande de la source d e courant L'1 entant reliée à la sorte du transistor d' ampli- fication M'1 la grille du transistor d'amplification M'1 étant reliée å la masse, la -tension de-=sortie du transistor d'ampli fXpati-on M'1 étant appliquée sur la-source de courant L1 dudit amplificateur différentiel. - 2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un amplificateur de gain K disposé entre la sortie du transistor a 'amplification M'1 et la commande de ladite source d'alimentation L'1. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1-at 2, caractérisé en ce que la source de courant L1 et sa copie L' sont toutes deux constituées par des transistors MOS, la commande de ces transistors étant réalisée par le potentiel Upol appliqué sur les grilles~de lesdits transistors. 4.-Dis-pogitif selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que les résistances de charges Nl et N' sont consttuées par des transistors MOS fonctionnant en zone ohmique. 5. Dispositif de polarisation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en série entre les deux dites lignes équipotentielles, un transistor L'1 d'alimentation un transistor d'amplification M'1 et un transistor de charge N'1, la grille du transistor M' étant reliée à la masse1 la sortie du transistor M'1 étant reliée à la grille du transistor d'alimentation L'1 et la tension de polarisation UpOl en sortie du transistor M'1 attaquant la grille du transistor L1. 6. Dispositif de polarisation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en série entre les deux dites lignes équipotentlelles un transistor L'1 d'alimentation et un transistor M' d'amplification disposés en parallèle, et en série, un transistor de charge N'1, la sortie commune des transistors L' et M'1 étant reliée à la grille du transistor L'1, la grille du transistor L' étant reliée à la masse, et la tension de polarisation Upol de commande en sortie du transistor L' attaquant la grille du transistor N1 de 1 'amplifica- teur différentiel. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 617caractérisé en ce que la grille et le collecteur des transistors N1 et N'1 sont au même potentiel, étant connectés sur la première ligne équipotentielle.