Brevet FR2344889A1 — publié le 19771014

La présente invention se rapporte aux générateurs dés livrant un courant et/ou une tension continus constants. Dans certaines applications, iton a besoin d'une source de courant de référence de haute stabilité, et il serait souhaitable que cette source puisse etre facilement transformée en ré- férence de tension, tout en possédant par ailleurs des caractéristiques au moins comparables à celles des sources connues de tension (piles étalon ou générateurs à diodes de Zener). On peut citer le contrôle et la vérification de tout dispositif de mesure dtun courant ou dlune tension ; par exemple : voltmètre numérique, calculateur1 capteur ; ou encore, dans le domaine nucléaire, la production d'un champ magnétique de haute stabilité au moyen d'électroaimants. La pile étalon est une source de tension très stable à long terme, mais qui ne doit pas débiter et ne peut donc constituer une source de courant. En cas de variation brutale de la température, elle ne retrouve ses caractéristiques qu'au bout de plusieurs jours, voire de plusieurs semaines. Elle est très délit cate à conditionner pour le transport. Les générateurs de tension à diodes Zener ont une bonne stabilité à long terme, mais ils constituent essentiellement une source de tension. Pour les transformer en source de courant, il faut y incorporer un asservissement complexe comportant des circuits actifs. L'invention se propose de réaliser une source de courant de reférence transformable en référence de tension, à niveau variable dans une large gamme par la simple adjonction d'une channe de résistances en série, ladite source ayant par ailleurs un certain nombre de caractéristiques intéressantes, telles que : bonne stabilité à long terme, faible coefficient de température, consol~ mation propre négligeable, conditionnement facile en vue de son transport, faible bruit de fond, résistance interne très élevée. La source suivant l t invention est caractérisée, en combinaison, par au moins un circuit injecteur de courant constant du type, connu en 501, comportant au moins un premier transistor à effet de champ ayant sa grille reliée à sa source par une résis- tance de contre-réaction en courant et un second transistor à effet de champ, relié en cascade avec le premier, et dont le drain est relié à une source d'alimentation à travers une résistance de charge, ledit circuit injecteur de courant constant comportant deux résistances de polarisation en série entre la source et la grille du premier transistor à effet de champ, la première de ces résistances étant parcourue par le courant débité par le circuit injecteur ; et des moyens pour débiter, à travers la seconde ré- sistance, un courant de très faible valeur par rapport au débit du premier transistor présentant, dans la plage de régulation en température, une croissance très rapide d'allure parabolique. L'invention repose sur le fait qu'un circuit injecteur de courant constant du type susvisé présente, dans une plage de températures relativement large, une décroissance relative de courant d'allure parabolique qui peut entre, par un choix convenable de la résistance de contre-réaction, limitée à une valeur de l'ordre de 10 par exemple dans une plage de iOOC. On peut alors compléter cette pre-stabilisation par une compensation rigoureuse en température, consistant à compenser cette décroissance relative du courant par une de'croissance de la tension de polarisation entre source et grille du premier transistor. Suivant un mode d'exécution préféré, les moyens d'en- gendrer le courant de polarisation qui parcourt la seconde résis- tance comprennent un transistor à effet de champ de polarisation, lui-même polarisé par le passage du courant-du circuit injecteur à travers une résistance de forte valeur et alimenté par ladite source d'alimentation. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé : La figure i représente un montage générateur conforme au mode d'exécution préféré de l'invention la figure 2 représente à part ltun des circuits injec- teurs de courant utilisés dans ce montage la figure 3 représente les variations du courant injecté, en fonction de la température ; la figure 4 représente les variations du courant de polarisation du premier transistor du circuit injecteur, en fonction de la température ; la figure 5 représente, pour diverses tèmpératures de fonctionnement, les variations du courant drain-source du transistor à effet de champ de polarisation, en fonction de sa tension grille-source ; et la figure 6 représente un réseau de résistances qui permet de faire varier la tension de référence délivrée par le montage. On se référera tout d'abord à la figure 2, dans laquelle on a représenté un circuit injecteur de courant composé d'un premier transistor à effet de champ T1, monté en cascade avec deux autres transistors à effet de champ T'o et To. La lettre G désigne la grille, D le drain et S la source. Une source de tension non stabilisée Vo délivre un courant i à travers une résistance de charge R insérée entre les points Co et Do et une résistance établit une contre-reaction de courant entre la source de Ti et sa grille. To et T'o assurent la pré-stabilisation de la tension drain-source de T1, c'est-à-dire l'indépendance de i vis-a-vis des variations de Vo et de R. On pourra prévoir un seul transis tor de pré-stabilisation, deux comme dans l'exemple décrit, ou plusieurs. La propriété remarquable d'un tel circuit sur laquelle repose le fonctionnement du montage de la figure 1 est la suivante : pour une température donnée to (par exemple 200C), il existe une valeur particulière de i (obtenue en choisissant une valeur convenable de p ) telle que les variationsrelatives bi/i, en fonction de la température, aient, autour de to, l'allure pa rabolique représentée à la figure 3. Autrement dit, le coeffi- cient de température s'annule en to, ce qui s'explique par la compensation qui se produit, dans un transistor à effet de champ, entre Effet de la variation de résistivité du canal de silicium et l'effet de la variation de la tension de pincement du transis- tor.Cette décroissance de i en fonction de la température est obtenue lorsque la polarisation du transistor est telle que le courant i soit relativement élevé. Si l'on se reporte maintenant à la figure 1, on voit que le montage comprend trois circuits du type représenté a la figure 2, montés en parallèle et débitant dans une résistance commune #3. Le premier circuit, Tol, T'oi, Tell, débite dans une résis- tance de contre-réaction #1 ; le deuxième circuit, To2, T'o2, T12, débite dans une résistance de contre-re'action2 et le troi sième circuit, To3, T'o3, T13, débite directement dans la resis tance #3, laquelle est ainsi parcourue par un courant il + i2 + i3 qui circule à travers une résistance R2 reliée à la source Vo. Le premier transistor à effet de champ de chacun de ces trois circuits est polarisé par la chute de tension vo, dans une résistance R1 reliée à sa grille, d'un courant io qui circule à travers les résistances R1 et R2. Pour le transistor T13 on a VSG = #3 (i1 + i2 + i3) = vo (1) avec : #3 (i1 + i2 + i3) # vo. Pour T11 et T12, il faut évidemment tenir compte des chutes de tension #1i1 et #23i2. Le courant io est le débit drain-source d'un transistor à effet de champ principal de polarisation T2. Celui-ci e-st lul-meme polarisé par la chute de tension dans la résistance R2 parcourue par le courant il + i2 + i3 = io, diminuée de la chute de tension i4 R3 dans une résistance R3 de forte valeur, parcourue par le débit drain-source d'un premier transistor à effet de champ auxiliaire T'2. Une pré-régulation des débits io et i4 vis à vis des variations de Vo est avantageusement prévue. Elle est obtenue, dans l'exemple décrit, au moyen d'un second transistor à effet de champ auxiliaire T3, monté de façon à partager son débit entre T'2 et T2, et à être alimenté par Vo. Le fonctionnement du montage est le suivant. On court-circuite tout d'abord la résistance Ri de fa çon à supprimer la polarisation corrective de Tii, Ti2 et T13 par le courant io. On ajuste alors #1, #2 et #3 pour que, par #i1 #i2 #i3 exemple, les variations relatives , et soient sen- i1 i2 i3 siblement égales à 10-4 lorsque la température croit de 200 à 30 C. On a alors i1 # i2 # i3 # 0,3 mA, dans un exemple non limitatif, où la tension Vo = 18 volts et les transistors sont du type à jonctions et à canal de type N. On de' court-circuite ensuite Ri, qui est alors parcourue par un courant io de très faible valeur (par exemple 0,03 microampère). On voit, à la figure 5 (droite en pointillés parallèle à l'axe IDS) que, même si la polarisation V du transistor T2 GS était constante, le courant IDS (c'est-à-dire io), croîtrait rapidement avec la température. Cette croissance est encore accentuée par la présence du transistor T'2 qui retranche, de la tension de polarisation sensiblement constante R1 (io + il + i2 + i3), la tension R3 i4, évidemment croissante avec la température, la valeur de R3 ayant, à cet effet, été choisie suffisamment grande pour que le courant i4 soit très faible. On obtient finalement la droite de polarisation représentée en trait plein à la figure 5. Il en résulte que io crolt en conformité avec la courbe de la figure 4. Si l'on examine maintenant la tension VSG de l'un des transistors Tii, T12 et T 13 (formule (1) ci-dessus), lorsque la température croit de 20 à 300, on voit qu'il en résulte que VSG d6croit, si bien que les courants il, i2 et i3 ont, du fait de la variation de polarisation, tendance à croître. Par contre, ces memes courants ont tendance à décrotte sous effet illustré par la figure 3.Pour une valeur convenable de Ri et R2, ces deux effets contraires seront pratiquement compensés, la variation relative du courant total il + i2 + i3 ne dépassant pas - 2 x 10 par exemple dans l'ensemble de la plage allant de 200 à 300C A titre de comparaison, le coefficient de température d'une pile étalon est de l'ordre de 40.10 / G, celui d'un générateur à diode Zener, # 5.10-6/ C. Un autre avantage du montage est que les 2, 03, peuvent être choisies pour que la plage régulée en temperature parte d'une température to quelconque (entre des valeurs limites telles que 0 et 40 par exemple). La stabilité à long terme est de lt-ordre de 3.10-6 par mois. La tension d'alimentation peut varier de 15 à 25 volts par exemple, sans que les caractéristiques du montage varient. La consommation propre du dispositif de régulation est négligeable. Grâce à la mise en parallèle de deux ou plusieurs circuits injecteurs de courant, le bruit de fond est réduit (par exemple 10 de crete à crête en valeur relative, dans une bande passante allant de O à l Hz). La source de courant ainsi constituée a une résistance interne très élevée (3000 M# par exemple, pour un courant de imA, si bien que ltinfluence des variations de la charge est négligeable. Le fonctionnement en source de courant est obtenu en insérant une résistance de charge entre les points Co et Do du montage, les points A et B restant reliés entre eux par la résis- tancen AB. Pour obtenir un fonctionnement en référence de tension, on relie les points CoDo par un court-circuit et on connecte la résistance de chargepAB entre A et E (figure 1). Celle-ci est avantageusement constituée par un réseau de résistances dont un exemple est illustré par la figure 6 et qui sont les mêmes pour différents appareils, à l'exception de la résistaJlce réglable R. Celle-ci est réglée en fonction des courants il, i2, i3, et son réglage permet d'obtenir differentes valeurs de la tension de référence. Lorsqu'il est utilisé en référence de tension, le montage a une résistance interne de 1'ordre de lOOOSEpour 1 volt, ce qui est comparable aux résultats obtenus avec les diodes de Zener, compte tenu de la nécessite, quand la tension requise est de i volt, de leur adjoindre un diviseur de tension. Il va de soi que diverses modifications pourront être apportées au montage décrit et représenté, sans s'écarter de l'esprit de ltinvention. Il doit etre entendu, en particulier, que le terme "transistor à effet de champ" ici, englobe tous les dispositifs semiconducteurs présentant une résistance ariable par effet de pincement, et, en particulier, les FET, MOS, C-MOS et autres, à canal N ou P. REVENDICATIONS i. Générateur de courant et de tension continus constants, caractérisé, en combinaison, par au moins un circuit injecteur de courant constant du type, connu en soi, comportant au moins un premier transistor à effet de champ ayant sa grille reliée à sa source par une résistance de contre-réaction en courant et un second transistor à effet de champ, relié en cascade avec le premier et dont le drain est relié à une source d'alimentation à travers une résistance de charge, ledit circuit injecteur de courant constant comportant deux résistances de polarisation en série entre la source et la grille du premier transistor à effet de champ, la première de ces résistances étant parcourue par le courant débité par le circuit injecteur ; et des moyens pour dé- biter, à travers la seconde résistance, un courant de très faible valeur par rapport au débit du premier transistor, présentant dans la plage de régulation en température, une croissance très rapide d'allure parabolique. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'engendrer le courant de polarisation qui parcourt la seconde résistance comprennent un transistor à effet de champ de polarisation, lui-meme polarisé- par le passage du courant du circuit injecteur à travers une résistance de forte valeur et alimenté par ladite source d'alimentation. 3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ de polarisation est en outre pola- risé par une tension croissante en fonction de la température, laquelle se retranche de la chute de tension obtenue par ledit passage du courant du circuit injecteur à travers une résistance. 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite tension croissante en fonction de la température est obtenue par le passage, à travers une résistance, du courant débité par un transistor à effet de champ auxiliaire alimenté par ladite source d'alimentation. 5. Générateur selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux circuits injecteurs de courant mon tés en parallèle et débitant dans une résistance commune. 6. Générateur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractqrisé par un transistor à effet de champ supplémentaire alimenté par la source d'alimentation et relié en cascade avec le transistor à effet de champ de polarisation. 7. Générateur selon la revendication 1, caractérisé par un réseau comportant des resistances fixes et au moins une résis- tance réglable, inséré dans le montage en série avec ladite première résistance.