Brevet FR2482382A1 — publié le 19811113

La présente invention concerne les générateurs de courant à transistors et, plus précisément, un circuit à miroir de courant, particulièrement adapté pour être utilisé dans des circuits inté- grés linéaires à basse tension d'alimentation. Le montage de deux transistors "en miroir de courant" est connu en soi et est utilisé fréquemment dans le projetage de circuits intégrés.. Un circuit de ce type est représenté sur la fig. 1. Les deux transistors, désignés par T1 et T2, sont semblables et du type NPN. La base et l'émetteur de T sont reliés respecti- vement à la base et à l'émetteur de T2. Le collecteur de T1 est connecté à la fois à la base commune des deux transistors et, par l'intermédiaire d'une résistance R1, à une ligne d'alimen- tation +V cc. Le collecteur de T2 est également raccordé à la Iigne d'alimentation par l'intermédiaire d'une charge représentée par une résistance RL. Si l'on examine le fonctionnement du circuit, on peut voir qu'il passe, à travers la branche a,. un courant Vcc - VBE Ia =, VBE étant la tension de la jonction base-émetteur R1 du transistor T1. Si l'on néglige les courants de base IB par rapport aux courants de collecteur, ce qui est licite si le gain des transistors est suffisamment élevé, le courant qui passe par la branche b est égal à Ia. Etant donné que les deux transistors a sont semblables et ont la même tension base-émetteur (VBE), le courant qui passe dans la branche d est égal à celui qui passe dans la branche b. La branche c est parcourue par un courant IC qui est à peu près égal à celui qui passe dans la branche d, ce qui fait-que IC = Ia. En conséquence, la charge RL est parcourue par un courant constant, déterminé par des paramètres de circuit fixés au préalable. 2 2482382 Un circuit du même type peut être réalisé avec deux transistors différents l'un de l'autre en ce qui concerne les dimensions et les caractéristiques de construction, donnant Ic = KIa, K étant une constante. En outre, il est évident que a les deux transistors peuvent être du type PNP au lieu de NPN. Un perfectionnement connu du circuit à miroir de courant représenté sur la fig. 1 est celui de la fig. 2, appelé "miroir de Wilson", dans laquelle on confie à un "circuit à miroir", comprenant les transistors T1 et T3, la fonction de contrôler le courant de base IB du transistor T2 et, par suite, son courant de collecteur IC = BI B étant le gain de courant de T2. Le transistor T3 joue le rôle de sonde-de courant, sensible au courant d'émetteur I du transistor T. La base du -E 2 transistor T1 est reliée à la base du transistor T 3.Le collec- teur de T3 est relié à l'émetteur de T2 et directement à la base de ce même transistor T3* Le collecteur de T1est relié à la base de T2, dans laquelle arrive par conséquent le courant- somme du courant d'entrée Ii et du courant de collecteur de T Avec ce schéma, on peut maintenir constant le courant de référence I. Toutefois, étant donné que le courant de E' collecteur de T2, Ic = aIE, est lié au courant d'émetteur par le paramètre qui est fonction de la tension collecteur-émetteur VCE, le courant de sortie I0 = Ic dépend à son tour de la valeur de cette tension. Un tel circuit ne garantit donc pas la constance du courant de sortie I Un générateur de courant idéal est caractérisé par une résistance interne infinie et par une chute de tension interne égale à zéro. Un générateur de courant réel doit avoir des caractéristiques qui s'approchent le mieux possible de celles d'un générateur idéal. Un générateur de courant réel est donc d'autant meilleur que cette approximation est grande. Le circuit d'un générateur de courant réel doit donc présenter à la sortie une impédance élevée et une "perte de tension" très basse, l'expression "perte de tension" désignant ci-après la tension minimale nécessaire pour que le circuit maintienne ses caractéristiques de fonctionnement typiques. Le circuit à "miroir de Wilson" a une impédance de sortie beaucoup plus élevée que celle d'un circuit du type 3 2482382 à "émetteur à la masse" indiqué sur la fig. i dans le rapport B/2: 1, mais sa "perte de tension" est plus élevée; en effet Vmin VCE sat T2 +VBE T - 2 3 VCE sat T étant la tension collecteur-émetteur du transistor T à la limite de la saturation et VBE étant-la tension base- 2 B émetteur du transistor T3. 3 Un circuit suivant le schéma de la fig. 1 a par contre Vmin VCE sat T2 On a donc cherché, avec d'autres schémas connus, à s'approcher davantage des caractéristiques du générateur de courant idéal. On connait par exemple un circuit à miroir de courant semblable à celui qui est représenté sur la-fig. 1, dans lequel des résistances appropriées RE sont montées en série avec les émetteurs des transistors; un tel montage permet d'augmenter l'impédance de sortie d'un facteur (1 + _ /re) par rapport au circuit connu représenté sur la fig. 1, re représen- tant la résistance interne d'émetteur du transistor de la branche de sortie, mais en même temps la chute de tension accrue RIE sur la résistance d'émetteur fait que la perte de.tension aug- mente dans une mesure correspondante. Un autre montage connu est le circuit-à miroirs de courant "en cascade" représenté sur la fig. 3. Dans ce cas, on maintient en zone active le fonctionnement du transistor T2, par l'entremise du transistor T3 monté en diode avec sa base court-circuitée sur le collecteur, et le transistor T1 impose, par l'intermédiaire du transistor T2, le courant d'émetteur du transistor T4, élevant l'impédance de sortie de celui-ci. Cela ne permet toutefois pas de diminuer la perte de, tension au-dessous de la valeur V V _ min BE T2 VCE sat T4 VBE T2 étant la tension base-émetteur du transistor T et VCE sat T4 étant la tension de saturation du transistor T4o 4 2482382 L'amélioration d'impédance de sortie par rapport au circuit de la fig. 1 est le même que celle qui est obtenue avec le miroir de Wilson, c'est-à-dire dans le rapport 5/2: 1. Le but de la présente invention est de réaliser un circuit à miroir de courant qui ait la plus basse perte de tension qu'il soit possible d'obtenir dans un circuit à miroir de courant à transistors et qui ait en même temps une impédance de sortie plus élevée que celle des circuits connus à basse perte -de tension, de telle sorte qu'il se prête particulièrement bien à une utilisation dans des circuits intégrés à basse tension d'alimentation. -Ce but est atteint avec un circuit transducteur de courant comportant une première borne de raccordement à un géné- rateur de courant d'entrée, une deuxième et une troisième bornes de raccordement aux bornes d'un générateur de tension d'alimen- tation, et comprenant un circuit à miroir de courant principal à transistors, caractérisé en ce qu'il comprend un montage compara- teur et amplificateur de courant, circuit à miroir de courant secondaire à transistors, ce circuit à-miroir de-courant compor- tant une branche d'entrée raccordée à l'une des branches de sortie du circuit à-miroir principal, une branche de sortie raccordée à une, première borne d'entrée du montage comparateur et amplifica- teur, ce montage comparateur et amplificateur comportant une seconde borne d'entrée raccordée au générateur de courant d'entrée et une borne de sortie raccordée à la branche d'entrée du circuit à miroir principal. L'invention pourra être bien comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, donnée purement à titre d'exemple et, par conséquent, non limitative, en référence aux dessins annexés qui, pour les trois premiers d'entre eux, ont été déjà pris en considération. La fig. 1 est le schéma d'un circuit à miroir de courant de type connu, dans sa forme la plus simple. La fig. 2 -est le schéma d'un circuit à miroir de courant connu, appelé "miroir de WVilson". La fig. 3 est le schéma d'un circuit connu, comprenant des "miroirs de courant" en cascade. 2482382 La fig. 4 est le schéma d'un circuit à miroir de courant suivant l'invention. Si l'on examine le schéma de circuit de la fig. 4, on voit que celui-ci comprend six transistors désignés par T1, T2, T3, T4, T5 et T6, parmi lesquels T1, T2 et T3 sont du type bipolaire PNP et T4, T5 et T6 sont du type bipolaire NPN. Le transistor T1 est raccordé à la fois à T2 et à T3 suivant le schéma en miroir de courant. Le circuit ainsi consti- tué est délimitésur la fig. 4 par une ligne de tirets et il est désigné par la lettre A. Les transistors T4 et T5 sont reliés entre eux suivant le schéma en miroir de courant désigné par la lettre B. - Le collecteur du transistor T1 et celui du transistor T2 sont connectés respectivement aux collecteurs des transistors T6 et T4. Le collecteur du transistor T5 est relié à un généra- teur de courant d'entrée Ii et à la base du transistor T6 par le point de jonction D. Le circuit constitué par le transistor T6 et le point de jonction D est désigné par la lettre C. Les émetteurs des transistors T1, T2 et T3 sont raccor- dés au pôle positif +Vcc d'un générateur de tension d'alimen- tation, ceux des transistors T4, T5 et T6 sont reliés au pl1e négatif du même générateur de tension. D'après le schéma de la fig. 4, il n'est associé au transistor TL, pour constituer un circuit à miroir de courant, que deux transistors (T2 et T3), mais de façon générale, beau- coup d'autres transistors peuvent être associés au transistor T suivant la même disposition. Chacun des transistors raccordés de cette manière à T1 suivant le schéma en miroir de courant constitue un générateur de courant capable de piloter d'autres circuits. L'un de ces transistors, par exemple T2 dans le cas représenté sur la figure, est raccordé au miroir de courant B qui en détecte le courant de collecteur IC et le transfère à la base de T6, permettant le contrôle du courant IC par rapport au courant d'entrée Ii et, au moyen de T6, sa régulation. De même, le courant de collecteur I de T3 (et des autres transistors éventuellement raccordés de la manière indi- quée) est contrôlé et réglé automatiquement de façon identique. 6 2482382 Ce nouveau circnit à miroir de courant pe/Met donc la régulation du courant de collecteur IC en le contrôlant directe- ment, contrairement à ce qui se produit dans le cas du "miroir de Wilson". Pour faciliter le calcul, on considérera le cas dans lequel il est raccordé à la base de T1, outre les transistors T2 et T3, n-l autres transistors semblables à T2 et à T3, Le courant de base du transistor T est iO i 6 If --- Zc5 =i IB5 (les suffixes indiquant respectivement les courants d'émetteur, de collecteur et de-base IE, Ic, IB, suivis du numéro du transis- tor auquel- ils se rapportent). 15.Le courant de base du transistor T5 est lié au courant Ic par la relation. r = =E5 + IB4 + iC4 = IB5 + IB4 + SI B4 Ic et, en conséquence, -si IB4 = IB5, il en résulte: IB5 = 2+ Le courant de base du transistor T6 est donc (1) iB6 îIi 2+e TC Le courant de collecteur du transistor T6 qui entre dans le miroir de courant A est C6 = i 1 + + 'B2 + n IB IB étant le courant de base du transistor T3 et des.autres transis- tors montés de façon semblable. Pour simplifier l'exemple, on peut poser IB IB2 Par ', on désigne le gain des transistors PNP (en général inférieur au gain des transistors NPN du même circuit intégré). Avec 1B2 - SC-, le courant de base du transis- tor T1 est - -Bl =+ l) C rB1 = (n +) - 7 - i2482382 Le courant de collecteur du transistor a alors pour valeur V "+%1 rC+ (n+1)' T"C ''; Ic6=(n+l) - r+(n) - (n+l) %1a IC (2) et, du fait que IC6 = i6 il résulte de (1) et (2).que: -,, 2 Ii =2+ IC + (n+1) I Etant donné que la valeur du gain est bien supérieure ' à 2, tant pour les transistors NPN que pour les transistors PNP, on peut appliquer l'approximation i = SIc + (n+l) IC Pourvu que le nombre de transistors montés en miroir de courant (A) soit négligeable par rapport à la valeur À, on a Ii CIC (3) Quoi qu'il en soit, avec des dispositions connues des projeteurs de circuits linéaires, l'influence des courants de base sur les courants de collecteur peut être rendue minime et, en conséquence, l'équation (3)-sera valable à plus forte raison. Le circuit de l'invention a une perte de tension égale à 0 min = VCE sat T VCE sat T désignant la tension collecteur-émetteur du transistor T3 lorsquhil fonctionne à la limite de saturation. La perte de tension a donc une valeur constante et égale à la valeur minimale que l'on peut obtenir dans un circuit à miroir de courant à transistors... L'impédance de sortie du circuit de l'invention est plus élevée que celle des circuits connus qui ont eux aussi une perte de tension faible et constante. En effet, le circuit de l'invention a une impédance de sortie. à la fois plus grande -8 2482382 que celle du circuit à miroir de courant à émetteur àla masse (fig. 1), c'est-à-dire que sa -valeur est double de celle de l'impédance de sortie du "miroir de Wilson" et du circuit "à miroirs en cascade". En conséquence, le circuit de l'invention s'approche davantage des caractéristiques d'un générateur de -courant idéal que les montages connus; il se prête donc à l'utilisation de tensions d'alimentation inférieures à celles qu'exigent les circuits des réalisations connues, caractéristique qui est très importante pour certaines applications à basse tension d'alimentation. Bien qu'il ait été- illustré et décrit un seul exemple - d'exécution de l'invention, i; va de soi que de nombreuses variantes sont possibles sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de l'invention. Par exemple, les connexions directes *entre bases et collecteurs des transistors T1 et T4 du circuit de la fig. 4 peuvent être remplacées chacune par une jonction base-émetteur d'un transistor. En outre, les transistors bipo- laires pourraient être remplacés en totalité ou en partie par des transistors à effet de champ, avec des modifications appro- priées du circuit, à la portée du spécialiste en la matière. - 9 -2482382 - REVENDICATIONS - 1. Circuit transducteur de courant, comportant une première borne de raccordement à un générateur de courant d'entrée (Ii), une deuxième et une troisième bornes de raccordement aux bornes d'un générateur de tension d'alimentation,.et comprenant un circuit à miroir de courant principal (A) à transistors, pré- sentant une branche d'entrée et au - moins deux branches de sortie à chacune desquelles peut être connecté un circuit utilisateur, caractérisé en ce qu'il comprend un montage comparateur et amplificateur de courant (C) et un circuit à miroir de courant secondaire (B) à transistors, ce circuit à miroir de courant comportant une branche d'entrée raccordée à l'une des branches de sortie du circuit à miroir principal (A) et une branche de sortie raccordée à une première borne d'entrée du montage compa- rateur et amplificateur (C), ce montage comparateur et amplifi- cateur (C) comportant une seconde borne d'entrée raccordée au géné- rateur de courant d'entrée (Ii) et une borne de sortie raccordée à. la branche d'entrée du circuit à miroir principal (A). 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel le circuit à miroir de courant principal (A) comprend un premier transistor (T1), un deuxième transistor (T2) et au moins un troisième transistor (T3) comportant chacun une premières une seconde bornes et une borne de commande, la borne de commande du second transistor (T2) et la borne de commande du troisième tran- sistor (T3) étant raccordées à la borne de commande du premier transistor (T1), et la première borne du premier transistor (T1), la première borne du deuxième transistor (T2) et la première borne du troisième transistor (T3) étant raccordées à un même pôle d'un générateur de tension, un organe d'accouplement étant interposé entre la seconde borne et la borne de commande du 2482382 premier transistor IT1}) caractérisé en ce que le circuit àmiroir de courant secondaire (E) comprend un quatrième (T4) et un cin- quième (T5) transistors ayant chacun une première, une seconde bornes et une borne de commande, la borne de commande du cinquième S transistor (T5) étant raccordée à la borne de commande du qua- trième transistor (T4), la borne de commande et la seconde borne du quatrième transistor (T4) étant raccordées entre elles par un organe d'accouplement, les premières bornes du quatrième (T4) et du-cinquième (T5) transistors étant connectées au pôle du généra- teur de tension opposé à celui auquel sont raccordés les transis- tors compris dans le circuit à miroir principal (A), la seconde borne du cinquième transistor (T5) étant la branche de sortie du àircuit à miroir de courant secondaire (B) et la seconde borne du quatrième transistor (T4) étant la branche d'entrée du circuit à miroir de courant secondaire (B). 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le montage comparateur et amplificateur de courant (C) comprend un noeud comparateur (D) et un sixième transistor (T6) comportant une première borne raccordée au pôle du générateur de tension auquel sont raccordés le quatrième (T4) et le cinquième (T5) transistors, une seconde borne constituant la branche de sortie du montage et une borne de commande raccordée au noeud compàrateur (D), ce noeud étant raccordé à la première et à la seconde bornes d'entrée du montage comparateur et amplificateur. 4. Circuit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier (T1), le deuxième (T2), le troisième (T3), le quatrième (T4), le cinquième (T5) et le sixième (T6) transis- tors sont des transistors bipolaires, la première borne, la borne de commande et la seconde borne de chacun d'entre eux étant respectivement l'émetteur, la base et le collecteur. 5. Circuit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier (T1), le deuxième (T2), le troisième (T3), le quatrième (T4), le cinquième (T5) et le sixième (T6) transis- tors sont des transistors à effet de champ, la première borne, la borne de commande et la seconde borne de chacun d'entre eux étant respectivement la "source", la gachette" et le "drain". 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que tout le circuit est intégré dans un bloc monolithique de semiconducteur.