Brevet FR2465367A1 — publié le 19810320

L'invention a trait en général aux amplificateurs différentiels, et en particulier à un amplificateur différentiel comportant un étage à gain variable et une compensation thermique. On sait que les amplificateurs différentiels, tels que la cel- lule à gain et circuit intégré décrite par Gilbert dans le brevet américain no 3 689 752, auquel il convient de se référer à ce propos, sont devenus très fréquents dans l'appareillage électronique, en raison de leur caractéristique de réponse rendue linéaire et aussi de leurs capa- cités en tant qu'amplificateurs à large bande. Toutefois, ce type d'am- plificateurs, surtout lorsqu'on les utilise en tant qu'amplificateurs à gain variable, sont sujets à des distorsions thermiques et posent des problèmes de réponse au signal unité qui dépendent du réglage du gain. En outre, de tels amplificateurs ont tendance à atténuer un signal lorsqu'ils sont réglés sur le milieu de la plage du gain. Suivant la présente invention, un amplificateur différentiel à large bande linéaire comprend un étage à gain variable conçu pour com- penser la distorsion thermique, réduire au minimum la distorsion de ré- ponse au signal unité qui serait due à un défaut de linéarité des dispo- sitifs actifs utilisés, et aussi supprimer l'atténuation du signal en cas de réglage central du gain. L'amplificateur différentiel de base est agencé sous forme d'une cellule à gain du type décrit par Glibert dans le brevet américain rappelé plus haut, dans laquelle les collecteurs d'une paire de transis- torsdont les émetteurs sont couplés entre eux et reçoivent du courant de contr8le du gain,forment une connexion croisée avec les collecteurs d'une paire de transistors d'entrée, auxquels s'ajoutent deux autres transistors de compensation reliés entre eux par leurs émetteurs et dont les bases et les collecteurs sont reliés respectivement aux émetteurs et aux collecteurs des deux transistors d'entrée, les émetteurs de ces transistors de compensation étant couplés à un étage complémentaire de réglage du courant de gain. Les sorties des transistors de compensation servent à opposer les sorties des transistors mentionnés en premier, reliés entre eux par leurs émetteurs, afin de supprimer les erreurs thermiques et de compenser les changements de réponse au signal d'unité qui seraient dûs à des défauts de linéarités des premiers transistors couplés par leurs émetteurs. Par conséquent, l'un des buts de l'invention consiste à prévoir un amplificateur différentiel linéaire à large bande, caractérisé par l'addition d'un étage à gain variable. Un autre but de l'invention consiste à prévoir un amplificateur différentiel linéaire à large bande qui se caractérise par une faible distorsion thermique et une distorsion minimale de la réponse au signal d'unité. Par ailleurs, l'invention a pour objet de prévoir un amplifi- cateur différentiel dans lequel l'atténuation du signal est supprimée dans la partie centrale de l'étage de gain. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront au cours de la lecture de la description qui suit, faite en se référant à l'unique Figure du dessin annexé qui montre un schéma des connexions d'un mode préféré de réalisation de l'amplificateur différentiel suivant l'inven- tion. Sur cette Figure, les transistors 10 et 12, 14 et 16 sont bran- chés conformément aux connexions prévues pour la cellule de gain décrite dans le brevet américain no 3 689 752 délivré à Gilbert. Les émetteurs des transistors 14 et 16 sont reliés entre eux, tandis que les bases de ces transistors sont reliées respectivement aux émetteurs des transistors d'entrée 10 et 12. Le collecteur du transistor 16 est relié par une con- nexion croisée au collecteur du transistor 10 par l'intermédiaire d'une diode 18, et le collecteur du transistor 14 est relié d'une manière a- nalogue, c'est-à-dire par une connexion croisée et par l'intermédiaire d'une autre diode 20, au collecteur du transistor 12. Les diodes 18 et 20 assurent le passage de tensions identiques de travail entre les col- lecteurs et les émetteurs des transistors 10, 12, 14 et 16 (et aussi pour les transistors 26 et 28 comme on le verra par la suite). Les émetteurs des transistors 10 et 12 sont reliés aux sorties d'un étage d'entrée 22 d'amplificateur différentiel, qui produit des courants complémentaires Isi et IS2 en réponse aux signaux d'entrée appliqués à une borne d'entrée 24. Deux autres transistors 26 et 28, dont les émetteurs sont cou- plés, sont branchés en parallèle avec les transistors 14 et 16, entre les émetteurs des transistors 10 et 12, la base du transistor 26 étant re- liée à l'émetteur du transistor 10, tandis que la base du transistor 28 est reliée à l'émetteur du transistor 12. Le collecteur du transistor 26 est relié au collecteur du transistor 10. D'une manière analogue, le collecteur du transistor 28 est relié au collecteur du transistor 14, et couplé par l'intermédiaire d'une diode 20 au collecteur du transistor 12. Les transistors 26 et 28, identiques aux transistors 13-et 16, ont la même tension de travail, et les courants de sortie de ces transistors 26 et 28 s'opposent entre eux en raison du couplage croisé. Une source de courant différentiel est prévue pour faire varier le rapport des courants d'émetteurs I et I respectivement des tran- Vi V2 sistors 26, 28 et 14, 16. La source de courant différentiel comprend des transistors 34 et 36, dont les émetteurs sont reliés entre eux à travers une résistance 38, ces mêmes émetteurs étant mis à la masse à travers des dispositifs à puits à courant constant désignés respectivement en 40 et 42. Le col- lecteur du transistor 34 est relié aux émetteurs des transistors 14 et 16, tandis que le collecteur du transistor 36 est relié aux émetteurs des transistors 26 et 28. La base du transistor 36 est reliée au curseur d'un potentiometre 46 de réglage du gain, afin de permettre un réglage variable de la tension de base entre deux niveaux pré-établis de tension + et -V. La base du transistor 34 est reliée à une source appropriée de tension de référence VREF que l'on choisi de manière qu'elle corres- ponde à la tension de position centrale du potentiomètre 46 afin de fournir un-point auquel la source de courant différentiel soit équili- brée, de telle sorte que Iv = IV2 à ce point précis. A mesure que les sorties de la source de courant différentiel sont décalées par le ré- glage du potentiomàtre de réglage du gain 46, les gains des amplifica- teurs à transistors 14-16 et 26-28 couplés par leurs émetteurs sont réglés d'une manière complémentaire pour s'ajouter ou au contraire se soustraire par rapport au signal d'entrée. Le gain d'ensemble et réglable de courant pour la structure d'amplificateur représentée peut 9tre décrit par l'équation suivante (en supposant que = 1): AV2 Vi (1) A=1 +I +1I' 1 si S2 D'après cette équation, on peut constater qu'à mesure que l'on règle le potentiomètre 46 sur la totalité de sa gamme de réglage, le changement apporté au gain A1 est linéaire et peut donc être contrôlé avec préci- sion. En raison de la nature -auto-compensatrice de l'amplificateur, des changements de réponse au signal unité par suite de défauts de liné- arité des transistors reliés par leurs émetteurs ont tendance à s'annu- ler. Attendu que l'amplificateur représenté utilise uniquement des transistors NPN et un minimum de composants intermédiaires, il sera réalisé de préférence sous forme de circuit intégré. En outre, le rap- port entre les surfaces des différents transistors peut être établi avec précision, étant donné qu'il résulte d'une suppression totale de la dis- torsion thermique due à l'auto-échauffement des transistors. Surface 1 iSi + I Le rapport est le suivant:surface 2 i + 2 (2) Surace2 VI+ V2 o la Surface 1 désigne la surface totale d'émetteurs des tran- sistors 10 et 12, tandis que la Surface 2 désigne la surface totale d'émetteurs de chacune des paires de transistors 14-16 et 26-28. Un étage de sortie en cascade, comprenant des transistors 50 et 52 fonctionnant comme des amplificateurs à base commune, est relié aux collecteurs des transistors 10 et 12 afin de fournir une très fai- ble charge d'impédance (l'idéal étant zéro) pour les transistors 10, 12, 14, 16, 26 et 28, dans le but d'empêcher toute variation de la ten- sion aux collecteurs de ces transistors. Cette stabilisation, ainsi que la symétrie de la structure de l'amplificateur et le rapport approprié de surfaces indiqué plus haut, permettent de réaliser un amplificateur différentiel à gain variable et bande large linéaire, dans lequel les erreurs dues à la déformation thermique sont annulées, tandis que la distorsion de réponse au signal unité due à des défauts de linéarité des dispositifs actifs est réduite au minimum et que l'atténuation du signal en cas de réglage du gain au centre est supprimée. Les transis- tors 50 et 52 à base commune servent également à réduire les effets produits par la distorsion thermique dans les transistors inférieurs. Les collecteurs des transistors 50 et 52 sont reliés, à travers des ré- sistances de charge 54 et 56, à une source appropriée de tension +Vcc Les courants de sortie I01 et I02 sont disponibles respectivement aux collecteurs des transistors 50 et 52, et l'on peut prélever une tension de sortie VOUT entre les bornes 58 et 60. Bien que l'on ait décrit et représenté ici un mode préféré de réalisation de l'invention, il apparaîtra clairement à tout spécialiste dans l'art que des changements et modifications pourraient être apportés à cette disposition préférée sans s'écarter cependant des principes de 2, 5 36 7 base de l'invention, et qu'il convient par conséquent de considérer celle-ci dans son sens le plus large. REVEYDICATIONS 1. Amplificateur différentiel à gain variable et compensation ther- mique, caractérisé en ce qu'il comprend: a) une paire de transistors amplificateurs d'entrée (10 et 12) ayant une base commune pour recevoir des courants d'entrée sur leurs émetteurs; b) une première paire de transistors (26 et 28) couplés par leurs émetteurs et branchés entre les émetteurs de ladite paire de transistors d'entrée, tandis que les collecteurs de cette première paire de transistors sont couplés aux collecteurs de ladite paire de transistors d'entrée (10 et 12) dans un sens favorable au courant; c) une seconde paire de transistors (14 et 16) couplés par leurs émetteurs et branchés entre les émetteurs de ladite paire de transistors d'entrée (10 et 12), les collecteurs des transistors (14 et 16) de cette seconde paire étant couplés aux collecteurs de ladite paire de transistors d'entrée (10 et 12) dans le sens opposé au courant, et d) un générateur de courant différentiel (34, 36), pour fournir des premier et seccnd courants de travail complémentaires et réglables, ces premier et second courants étant appliqués respectivement auxdites première (26, 28) et seconde (14, 16) paires de transistors couplés par leurs émetteurs. 2. Un amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la surface d'émission de ladite paire de transistors d'en- trée (10, 12) et l'une ou l'autre desdites première (26, 28) et seconde (14, 16) paires de transistors couplés par leurs émetteurs est égal au rap- port entre la somme desdifs courants d'entrée et la somme desdits courants de travail. 3. Un amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'il comprend une paire de transistors de sortie (50, 52) ayant une base commune, lesquels sont branchés sur les collecteurs de ladite paire de transistors d'entrée (10, 12) à base commune. 4. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs des moyens (34, 36) destinés à fournir des tensions collecteur-à-émetteur -pratiquement fixes et identiques pour ladite paire de transistors d'entrée (1C, 12) et lesdites première (26, 28) et seconde (14, 16) paires de transistors couplés par leurs émetteurs.