Brevet FR2466900A1 — publié le 19810410

-1- La présente invention concerne des circuits d'amplificateur opérationnel utilisant des transistors métal-oxyde-semiconducteur complémentaires (CMOS) et, plus particulièrement, des circuits de ce genre à com- pensation de frequence améliorée. Pour assurer un fonctionnement stable d'un amplificateur opérationnel comportant des étages multi- gains, il est nécessaire que le déphasage, à la sortie de cet amplificateur, ne dépasse pas 180 o' A cet effet, l'amplificateur opérationnel doit comporter une compen- sation interne. Un des procédés antérieurs permettant d'obte- nir une telle compensation consistait à utiliser un condensateur compensateur (Cc) sur le conducteur prévu entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur opéra- tionnel. Toutefois, cette disposition avait pour con- séquence de créer une fonction de transfert zéro à gm/Cc (o gm est le facteur de transconductance du circuit) dans le domaine de fréquence en vertu de l'ac- tion aval directe. Pour des circuits 1OS, ce zéro est situé dans la largeur de bande intéressante et réduit le déphasage de sortie. En même temps, il emp9che la grandeur de sortie de fluctuer, d'o une instabilité dans l'amplificateur. Une technique antérieure envisa- gée pour résoudre ce problème impliquait l'utilisation d'un amplificateur tampon non inverseur sur le parcours de réaction, amplificateur qui servait à éviter les ef- fets d'action aval qui créaient originellement le zéro. Cette approche est décrite dans le Journal of Solid State Circuits (Journal des circuits & semiconducteurs) de l'IEEE, Vol. SC-11, pages 748 à 753. Toutefois, un inconvénient de cette technique résidait en ce que l'amplificateur tampon consommait des quantités d'éner- gie d'importance excessive. Une autre approche en vue de résoudre ce problème consistait à réduire la valeur du condensateur compensateur (Cc). Cette solution a pour effet de décaler la fréquence de la fonction de transfert zéro à un niveau plus élevé extérieur à la région intéressante pour l'amplificateur opérationnel particulier. Cette technique semblerait raisonnable pour des amplificateurs opérationnels ayant un gain de boucle ouverte élevé, tels que des amplificateurs opé- rationnels à CMvOS. Toutefois, l'inconvénient de cette technique réside en ce que le rejet de bruit d'alimen- tation en énergie haute-fréquence est médiocre. Cela est du au fait qu'aux basses fréquences, un bruit quel- conque présent sur le conducteur d'alimentation relié à la masse n'est pas amplifié par l'élément d'entrée de l'étage de sortie. Par contre, à mesure que la fré- quence croit, le condensateur Cc crée une impédance W plus faible entre les noeuds internes, ce qui engendre une tension grille-source plus élevée sur les éléments d'entrée et ce qui se traduit par un rejet de bruit d'alimentation en énergie plus réduit. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a notamment pour objet de résoudre le problème de l'obtention d'une compensation de fréquence interne efficace dans des amplificateurs opérationnels à CGIIOS. L'invention a encore pour but de créer un circuit d'amplificateur opérationnel à CIMOS perfection- né: - a compensation de fréquence convenable et à consomma- tion d'énergie réduite; - qui améliore le taux de rejet de bruit d'alimenta- tion en énergie de l'amplificateur; - particulièrement bien adapté à une utilisation dans -3 - des dispositifs à circuit intégré sur une grande échelle (LSI). Un autre but de l'invention est d'assurer l'obtention d'un produit gain x largeur de bande plus élevé pour l'amplificateur opérationnel. Selon les principes de l'invention, une com- pensation de fréquence est assurée, dans un amplifica- teur opérationnel, par la combinaison d'une paire de condensateurs et d'une porte de transmission constituée par deux transistors IGOS se comportant comme une résis- tance. L'un des condensateurs est multiplié, selon le principe de Miller, par le gain de boucle ouverte de l'amplificateur et constitue le pôle dominant de celui- ci. La constante de temps de ce condensateur et des deux dispositifs MOS est utilisée pour décaler la posi- tion du demi-plan zéro de droite (qui est créé en l'ab- sence des dispositifs MOS de la porte de transmission) en un demi-plan zéro de gauche et placé avantageuse- ment. Le second condensateur est utilisé dans le pro- cessus de compensation pour améliorer le produit gain x largeur de bande de l'amplificateur et son taux de rejet de bruit d'alimentation en énergie. Ce second condensateur utilise une suppression de zéro de p8le pour élargir la bande de l'étage de décalage de niveau et permet ainsi, en éliminant les p8les secondaires, de décaler la position du pole dominant à une fréquence plus élevée en rendant le second condensateur plus pe- tit. Cela augmente le produit gain x largeur de bande. Le taux de rejet de bruit d'alimentation en énergie de l'amplificateur opérationnel dépend également de l'em- placement du pôle dominant et augmente lorsque cet em- placement est décalé vers une frequence plus élevée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint cl' en reprêsentez a titre d'exemple non -4- limitatif, un mode de réalisation. Sur ce dessin la figure unique représente un schéma de montage d'un amplificateur opérationnel utilisant les principes de l'invention. En se référant au dessin, on peut voir que la Fig. unique représente le schéma de montage d'un amplificateur opérationnel 10 utilisant les principes de l'invention et constitué par des éléments MOSFET (transistors à effet de champ MOS). L'amplificateur opérationnel comprend essentiellement un amplificateur différentiel 12, connecté à un réseau de polarisation 14, et un étage de décalage de niveau intermédiaire 16, connecté à un étage de sortie 18. L'amplificateur dif- férentiel comprend généralement un étage d'entrée con- necté à une source de courant constant 20. Entre l'am- plificateur différentiel 12 et l'étage de sortie 18 est monté un moyen compensateur de fréquence 22 suivant l'invention. Tous les transistors élémentaires des divers composants de l'amplificateur opérationnel 10 sont des dispositifs LOSFET et, pour assurer un fonctionnement convenable du circuit d'amplificateur opérationnel, ces dispositifs (à l'exception des transistors 96 et 98 d'une porte de transmission qui sera décrite plus loin) doivent fonctionner sur le mode saturation et non sur le mode linéaire. La fonction du réseau de polarisation 14 est d'assurer que les dispositifs MOSFET du circuit (sauf les dispositifs 96 et 98) fonctionnent bien dans la région de saturation conve- nable, et ce reseau comprend deux dispositifs MOSFET 24et 26, comportant chacun une source, un drain et une grille.- La source du transistor 24 est connectée à une alimentation en tension positive VDD par l'inter- médiaire d'un conducteur d'alimentation 28 et la source -5 - du transistor 26 est connectée, par un conducteur 30, à une alimentation en tension négative Vh. Le drain et la grille du transistor 24sont connectés à un noeud 32, tandis que le drain et la grille du transistor 26 sont connectés à un noeud 34. Ces noeuds 32 et 34 sont interconnectés par un conducteur 36, et un conducteur 38, partant du noeud 34, fournit la tension de pola- risation, tant pour la source de courant constant que pour la section décalage de niveau du circuit. La source de courant constant 20 comprend un dispositif DIOSFET, dont la grille est connectée au con- ducteur de tension de polarisation 38. La source de ce transistor est connectée au conducteur d'alimentation négatif 30 et son drain est connecté à l'étage d'entrée de l'amplificateur différentiel. Cet étage d'entrée comprend une paire de dis- positifs MOSFET 42 et 44, dont les sources respectives sont connectées à un conducteur commun 46, qui est également relié, à partir d'un noeud 40, au drain du transistor 20. Le drain du dispositif 42 est relié à un noeud 48 de l'amplificateur différentiel et le drain du dispositif 44 est connecté à un noeud 50 de l'ampli- ficateur différentiel. La grille du dispositif d'entrée 42 est reliée à la borne d'entrée négative de l'ampli- ficateur opérationnel et la grille du dispositif 44 est connectée à la borne d'entrée positive dudit am- plificateur. La section charge de l'amplificateur diffé- rentiel 12 comprend une paire de dispositifs MOSFET 52 et 54, dont les bornes de source respectives sont toutes deux reliées au conducteur d'alimentation po- sitif 28. Les grilles respectives de ces dispositifs sont interconnectées par un conducteur 56 qui est également relié par un conducteur 58 au noeud 48. 5 L'étage de décalage de niveau intermédiaire -6- 16 de l'amplificateur opérationnel 10 comprend une paire de dispositifs IJOSSET 60 et 62 montés en série entre les conducteurs d'alimentation positif et néga- tif. Le drain du dispositif 60 est connecté au conduc- teur d'alimentation positif 28 et la source du dispo- sitif 62 est connectée au conducteur d'alimentation négatif 30. La source du dispositif 60 est reliée par un conducteur 64 au drain du dispositif 62. La grille du dispositif 60 est connectée par un conducteur 66 au noeud 50. Un premier noeud 68 situé sur le conduc- teur 66 est relié par un conducteur 70 à la grille d'un dispositif MOSFET 72 dans l'étage d'entrée 18 de l'amplificateur opérationnel 10. Un second noeud 74 situé sur le conducteur 66 est connecté par un con- ducteur 76 à l'un des côtés d'un condensateur 78, dont l'autre coté est relié au conducteur 64. >'étage de sortie 18 comprend le dispositif MlOSFE1 72, dont la source est reliée au conducteur d'alimentation positif 28 et un second dispositif MOSFET 80, dont la source est reliée au dispositif d'a- limentation négatif 30. Les drains respectifs de ces deux transistors sont interconnectés par un conduc- teur commun 82. La grille du MOSFET 80 est reliée par un conducteur 84 à un noeud 86 situé sur le conducteur 64 entre les dispositifs 60 et 62. Le moyen compensateur de fréquence 22 suivant l'invention est interposé entre la section amplifica- teur différentiel 12 et l'étage de sortie 18. Il com- prend le condensateur 78 monté entre les conducteurs 64 et 66, ainsi qu'un condensateur 88, dont l'un des c'tés est relié à un noeud 90 situé du côté sortie de l'amplificateur différentiel 12. L'autre côté de ce condensateur 88 est- connecté par un conducteur 92 à un conducteur 94 d'interconnexion entre les drains -7- respectifs de deux dispositifs MIOSFET 96 et 98, dont les sources respectives sont toutes deux reliées à l'une des extrémités d'un conducteur 100, dont l'autre extrémité se termine à un noeud de sortie 102 de l'am- plificateur opérationnel 10, noeud qui est situé sur le conducteur 82. La grille du MIOSFET 96 est reliée au conducteur d'alimentation positif 28 et celle du MIOSFEI 98, au conducteur 30. Le fonctionnement de l'amplificateur opéra- tionnel 10 avec son moyen compensateur de fréquence peut être décrit comme suit; Les transistors 96 et 98 forment une porte de transmission qui se comporte comme une résistance. Le condensateur 88 monté sur le conducteur 92 est multiplié, suivant le principe de Miller, par le gain de boucle ouverte de l'amplifica- teur opérationnel et joue le rôle de pôle dominant dans sa fonction de transfert. En l'absence des tran- sistors 96 et 98, la connexion directe du condensa- teur 88 à la sortie 102 aurait créé un demi-plan zéro de droite. Par contre, lorsqu'on utilise les transis- tors 96 et 98, ce demi-plan zéro de droite est conver- ti en un demi-plan zéro de gauche et est avantageuse- ment placé de manière à éliminer les pôles secondaires dans la réponse en fréquence de boucle ouverte. Le condensateur 78 a pour fonction d'élargir la bande de l'étage de décalage de niveau constitué par les transistors 60 et 62. On obtient ce résultat en permettant au zéro créé par le condensateur 78 de sup- primer le pOle créé par la capacité de grille du tran- sistor 60. Grâce à l'élimination des pâles secondaires dans la fonction de transfert de l'amplificateur opéra- tionnel, l'emplacement du. p3le dominant peut être si- tué à une fréquence plus élevée, ce qui augmente le produit gain x largeur de bande de l'amplificateur. L'invention sert également à améliorer le -8- taux de rejet de bruit d'alimentation en énergie de l'amplificateur. Aux basses fréquences, un bruit quel- conque sur VDD (conducteur d'alimentation positif) n'est pas amplifié par le transistor 72 de l'étage de sortie, étant donné que la V (tension grille-source) gs de ce transistor est faible. (Du fait que le noeud de sortie 90 de l'amplificateur différentiel est un point d'impédance élevée, tout bruit d'alimentation y appa- raît également). Par contre, lorsque la fréquence s'é- lève, le condensateur 88 crée une impédance plus fai- ble entre le noeud 50 et le noeud 90. En conséquence, le bruit d'alimentation en énergie n'apparaft pas en totalité sur le noeud 50 et cela crée une Vgs finie pour le transistor 72. Cette tension est amplifiée par les transistors 72 et 80 de l'étage de sortie et il en résulte un taux de rejet de bruit d'alimentation en énergie plus réduit. Dans la présente invention, l'utilisation d'un premier condensateur 78 permet de choisir un second condensateur 88'plus petit, et, par conséquent, de produire une impédance plus élevée entre les noeuds 50 et 90. Cela assure une amplifica- tion du bruit d'alimentation en énergie dans l'ampli- ficateur opérationnel à une fréquence plus élevée qu'en l'absence de cette disposition et cela améliore les caractéristiques de bruit dans la bande acoustique de basse fréquence, qui est la région intéressante dans la plupart des applications des amplificateurs opéra- tionnels à transistors MIOS. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation particulier représenté et décrit; elle est susceptible de nombreuses varian- tes sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit ni du domaine de l'invention. on - REVENDICATIONS - 1 - Circuit d'amplificateur opérationnel, du type comprenant une paire de conducteurs d'alimen- tation destinés à être connectés à deux sources de potentiel de niveaux différents, un moyen de polarisa- tion connecté auxdits conducteurs, un amplificateur différentiel connecté audit moyen de polarisation et comportant un noeud de sortie, un moyen de décalage de niveau connecté audit noeud de sortie dudit ampli- ficateur différentiel, et un étage de sortie connecté audit moyen de décalage de niveau; caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen de compensation de fréquence monté entre ledit amplificateur différentiel et ledit étage de sortie pour permettre au pôle domi- nant de la fonction de transfert du circuit d'être si- tué à une fréquence relativement élevée qui augmente le produit gain x largeur de bande du circuit. 2 - Circuit d'amplificateur opérationnel suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le- dit moyen de compensation de fréquence comprend: un premier condensateur connecté, par l'un de ses côtés, à un noeud de sortie dudit amplificateur différentiel et, par son autre côté, à une porte de transmission reliée audit étage de sortie; et un second condensa- Ä5 teur connecté, par l'un de ses côtés, à un noeud de sortie dudit amplificateur différentiel et, par son autre côté, audit moyen de décalage de niveau. 3 - Circuit d'amplificateur opérationnel suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite porte de transmission est constituée par une paire de transistors CLOS branchés entre les conduc- teurs de ladite paire de conducteurs. 4 - Circuit d'amplificateur opérationnel suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de décalage de niveau comprend des pre- -_10- mier et second transistors MOS, la grille dudit pre- mier transistor étant-connectée à un noeud de sortie dudit amplificateur différentiel, et la grille dudit second transistor étant connectée audit moyen de pola- risation, lesdits transistors étant montés en série entre les conducteurs de ladite paire, avec la source du premier transistor reliée au drain du second; ledit moyen de compensation de fréquence comprenant, d'une part, un premier condensateur et une porte de trans- mission branchés entre un noeud de sortie dudit ampli- ficateur différentiel et ledit étage de sortie, pour augmenter la fréquence du pôle dominant de la fonction de transfert du circuit et, d'autre part, un second condensateur branché entre la grille et la source du- dit premier transistor de décalage de niveau pour éli- miner les p8les secondaires de la fonction de trans- fert.