Brevet FR2478404A1 — publié le 19810918

La présente invention concerne de façon généra- le les amplificateurs opérationnels et elle porte plus particulièrement sur de tels amplificateurs destines à être incorporés dans des circuits intégrés. Les amplificateurs opérationnels pour circuits intégrés, Conime par exemple l'amplificateur qui est dé- crit par G.M. Jacobs et col. dans l'article TOUCH-TONE Decoder Chip Mates Analog Filters with Digital Logic, Electronics,pages 112, fig. 7,15 Février 1979, sont couramment utilisés en grands nombres dans un seul cir- cuit intégré. Il est donc important que leur taille soit maintenue à un minimum pratique, afin de maintenir au minimum l'airede puce nécessaire. La nécessité de maintenir une petite taille pour les amplificateurs fait qu'il est souvent particulièrement difficile de leur conférer certaines caractéristiques de fonction- nement souhaitables pour une application de circuit don- ne. L'une des caractéristiques de fonctionnement généralement souhaitables des amplificateurs opération- nels utilisés dans des circuits intégrés pour les ap- plications de télécommunications, consiste en une ré- ponse présentant une vitesse d'établissement élevée pour un signal d'entrée en échelon. Pour de petits si- gnaux, cette vitesse d'établissement est fonction de la largeur de bande et des marges de stabilité de l'ampli- ficateur, qui sont elles mêmes généralement déterminées par des paramètres de circuit fixés, imposes par l'ap- plication particulière du circuit. Au contraire, pour des échelons de grand signal, la vitesse d'établisse- ment est essentiellement limitée par la pente de la tension de sortie de l'amplificateur. La pente de la tension de sortie, positive ou négative, est la vites- se maximale à laquelle la tension de sortie peut varier respectivement en sens positif et en sens négatif, et pour les amplificateurs opérationnels en circuit in- tégré, on l'exprime couramment en volts par microse- conde. L'expression "grand signal" utilisée ici dési- gne un signal ayant au moins une amplitude telle que la linéarité de l'amplificateur commence à être dégradée par les limitations de pente de la tension de sortie. Ainsi, pour un amplificateur ayant des contraintes don- nées de largeur de bande et de marges de stabilité, une pente accrue de la tension de sortie constitue une voie d'amélioration de la vitesse d'établissement ppur les signaux d'entrée en échelon de grande amplitude. Bien qu'il soit possible d'augmenter la pente de la tension de sortie par la méthode directe consistant à augmenter la taille des transistors de sortie, une telle solu- tion nécessiterait une airetrès supérieure pour l'am- plificateur et entraînerait selon toute probabilité une augmentation importante de taille ou de consommation d'énergie. L'amplificateur de l'invention comporte un étage d'entrée différentiel connecté à un étage de sor- tie. L'étage de sortie comprend une paire de transis- tors à effet de champ complémentaires, à grille isolée, avec des bornes de drain ayant une connexion commune qui est la sortie de l'amplificateur. Un premier tran- sistor de la paire est le transistor de sortie et le second constitue essentiellement la source classique de courant de polarisation pour le transistor de sor- tie. La grille du transistor de sortie est connectée a une première sortie de l'étage d'entrée pour rece- voir le signal amplifié en tension. La grille du tran- sistor faisant fonction de source de courant de polari- sation est connectée à un noeud de tension de polari- sation d'un réseau de polarisation destiné à l'ampli- ficateur, et cette connexion n'est pas directe mais s'effectue par l'intermédiaire d'un dispositif faisant fonction de barrière pour les signaux qui bloque les signaux supérieurs à une fréquence de seuil choi- sie (ou coude) ou supérieurs à une amplitude de seuil. La grille du transistor source de courant de polarisa- tion est également connectée de façon à recevoir le 2478404O signal provenant de l'une des sorties de l'étage d'entrée, ou des deux-, par l'intermédiaire d'un filtre qui peut comprendre un composant de filtre actif et/ou passif, ou provenant d'un étage d'entrée différentiel séparé, Le composant de filtre passif ne transmet que les signaux dépassant la valeur de fréquence de coude choisie et le composant de fitre actif ne transmet que les signau3x dépassant une certaine valeur d'amplitude de seuilo Le transistor source de courant de polarisation est ainsi actionéol se!ectiement à la manière d'un dispositif de transision de sigrnal afin d2améliorer les marges de stabilité et les pentes de la tension de sortie de Famé plificateleur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un schéma d'un amplificateur opératiornnel de l'art antérieur du type mentionné pré- cédemment, mais redessiné en un schéma présentant une orientation différente des composants pour la commodi- té de la comparaison La figure 2 est un schéma d'un amplificateur opérationnel correspondant à un mode de réalisation préféré de l'inventions présentant des marges de sta- bilité accruespour les signaux de haute fréquence et des pentes de'la tension de sortie modérément accrues; La figure 3 est un schéma d'un amplificateur opérationnel correspondant à un autre mode de réali- sation préféré de l'invention,similaire à l'amplifi- cateur de la figure 2, mais comportant des caracté- ristiques supplémentaires pour améliorer davantage la pente positive de la tension de sortie; et La figure 4 est tu schi éd'un amplificateur opérationnel correspondant à un troisièeme mode de réa- lisation préféré de l'i.vention similaire à de très nombreux égards à l'amplificateur de la figure 35 et comportant un réseau différent de couplage des signaux de grande amplitude connecté à la grille du transistor de sortie faisant fonction de source de cou- rant de polarisation. La figure 1 représente le schéma de principe de ltamplificateur opérationnel de l'art antérieur corres- pondant à l'article précité. On a cependant modifié I'orien- tation physique des composants pour faciliter la compa- raison avec les amplificateurs des modes de réalisation préférés qu'on envisagera ci-après. L'examen du schéma montre que l'amplificateur de la figure 1 est électrique- ment équivalent à celui de l'article précité. Les circuits des modes de réalisation préférés décrits ci-dessous sont réalisés en technologie métal- oxyde sur silicium, de type complémentaire (CMOS) et avec des dispositifs du type MOS à appauvrissement. On utilise les symboles classiques pour les dispositifs MOS et, lorsque c'est approprié et significatif, les men- tions "S" et "D" sont associées à chacun de ces dispo- sitifs, pour permettre de déterminer plus commodément quelles sont les bornes qui font respectivement fone- tion de "source" et de "drain". L'expression "configuration en source commune", utilisée ici pour désigner la manière selon laquelle un transistor MOS est connecté, signifie que la borne de source est connectée à un point à tension fixe et que les tensions de grille et de drain varient avec la ten- sion de signal. La figure 2 représente un mode de réalisation préféré d'un amplificateur opérationnel correspondant à l'invention. L'amplificateur 10 comprend une paire de noeuds d'alimentation 12, 14, un étage d'entrée compor- tant un réseau associé de transistors en configuration miroir de courant, un réseau de polarisation et un éta- ge de sortie. L'étage d'entrée comporte une paire de bor- nes d'entrée 16, 18 connectées aux grilles 20, 22 d'une paire de transistors d'entrée différentiels à canal P, 24, 26. Les sorties (D) des transistors d'en- 24 78404 trée différentiels 24, 26 conduisent à un réseau miroir de courant à canal N comportant des transistors 28, 30. Cet étage d'entrée comporte un noeud de sortie à basse impédance 32 et un noeud de sortie à haute impédance 34. Le réseau de polarisation pour l'amplificateur comprend deux transistors 36, 38 qui fonctionnent con- jointement à la manière d'une résistance pour commander la polarisation au moyen d'un transistor régulateur de tension 40. Le transistor 40 détermine la tension d'un noeud de commande de polarisation 42 et il détermine donc également par une action du type miroir les courants dans les autres transistors. La grille 44 d'un transistor 46, constituant une source de courant de polarisation de l'étage d'entrée, est connectée au noeud de commande de polarisation 42. Le transistor 46 est branché entre le noeud d'alimentation positif 14 et la paire différentiel- le de l'étage d'entrée 24, 26. L'étage de sortie comprend une paire complé- mentaire de transistors MOS, 48, 50. Un transistor de cette paire est un transistor à canal P, 48 faisant fonction de source de courant de polarisation de sor- tie. L'autre est un transistor de sortie à canal N, 50. La borne de grille 52 du transistor source de courant de polarisation 48 est connectée au noeud de commande de polarisation 42 du réseau de polarisation par l'intermédiaire d'un transistor 66 qui est un dis- positif MOS fonctionnant à la manière d'une résistance transparente à la tension continue lorsque son courant de polarisation est nul. Le transistor de sortie 50 est connecté en configuration en source commune, et son drain constitue la borne de sortie 54 de l'amplificateur 10. La grille de commande 56 du transistor de sortie est connectée de façon à recevoir le signal provenant du noeud de sortie à haute impédance 34 de l'étage d'en- trée. Un condensateur principal de mise en forme, 58, branché en série avec une résistance MOS linéarisée formée par deux transistors 60,est connecté en paral- lèle sur le transistor de sortie 50, selon une configu- ration de boucle capacitive de Miller, pour don-rer les marges de phase et de gain nécessaires pour éviter une oscillation. Un condensateur supplémentaire drajuscage de la marge de phase, 62, est branché entre la grille 52 de la source de courant de polarisation de sortie 48 et un point situé entre le condensateur principal de mise en forme 58 et les transistors 60 faisant fonction de résistance MOS linéarisée. Un condensateur de couplage 64 est branché entre le noeud de sortie à haute impédan- ce 34 de l'étage d'entrée et la grille 52 de la source de courant de polarisation de sortie 48. Le noeud de ten- sion de polarisation 42 est isolé du condensateur de cou- plage 64 par un transistor de barrière de signal, 66, qui est transparent pour la tension de polarisation continue mais qui est pratiquement opaque aux signaux élevés ou de haute fréquence. La borne de substrat de ce transis- tor de barrière de signal à canal P, 66, est connectée au noeud d'alimentation positif 14, tandis que sa grille est connectée au noeud d'alimentation négatif 12. Pour les petits signaux de basse fréquence, l'amplificateur 10 fonctionne selon un mode classique et caractéristique, bien connu de l'homme de l'art. Cepen- dant, les signaux de haute fréquence sont transmis par le condensateur-de couplage 64 à la grille de commande 52 de la source de courant de polarisation de sortie 48, et ils attaquent donc à la fois le transistor de sortie 50 et le transistor de source de courant de po- larisation 48. De ce fait, lorsque la tension présente sur la grille 56 du transistor de sortie 50 diminue ra- pidement en se rapprochant de la tension présente au noeud d'alimentation négatif 12, au cours de la montée de la tension de la borne de sortie 54 de l'amplificateur, la tension de la grille 52 de la sourde de courant de polarisation de sortie 48 est tirée vers le bas, ce qui augmente son courant, pour accélérer le processus de variation de la tension de sortie. Le transistor de barrière de signal 66 évite que la tension du noeud de com- mande de polarisation 42 soit notablement affectée par cette action du condensateur de couplage 64. La figure 3 représente un amplificateur 70 qui est une version modifiée de l'amplificateur 10 de la figu- re 2. On utilise pour les éléments de l'amplificateur 70 de la figure 3 les mêmes numéros de référence que pour les éléments correspondants de l'amplificateur 10 de la figu- re 2. l'amplificateur 70 de la figure 3 comporte cepen- dant-outre ces éléments un transistor de couplage de grand signal, 72, à canal N, qui est branché entre les noeuds de sortie 32, 34 de l'étage d'entrée et la grille 52 du transistor de source de courant de polarisation de sortie 48. La grille 74 du transistor de couplage 72 est conec- tée au noeud de sortie à basse impédance 32 de l'étage d'entrée et la source est connectée au noeud de sortie à haute impédance 34 de l'étage d'entrée. Dans l'amplificateur 70, un grand signal fait apparaître entre les noeuds de sortie 32, 34 de l'étage d'entrée un échelon de tension qui est suffisamment grand pour dépasser la tension de seuil du transistor 72. Le transistor 72 ne conduit pas jusqu'à ce que ce niveau de signal soit atteint mais il fournit ensuite un courant élevé de déplacement de niveau vers le bas pour la gril- le 52 du transistor 48. Ce courant de déplacement de ni- veau vers le bas est maintenu pendant tout le temps que prend la borne de sortie 54 pour arriver au voisinage de sa valeur de tension correcte. Un grand signal provenant de l'étage d'entrée fait monter le niveau sur le noeud à basse impédance 32, tandis que le noeud à haute im- pédance 34 descend vers la tension du noeud d'alimen- tation négatif 12 et que la tension de la sortie 54 de l'amplificateur 70 varie en sens montant. Dans ces con- ditions, le transistor 72 déplace vers le bas la tension de la grille 52 de la source de courant de polarisation de sortie 48, ce qui augmente son courant, et il la maintient à un niveau bas afin d'accélérer le proces- sus de variation de la tension de sortie. La figure 4 représente un amplificateur 76 qui est une version modifiée de l'amplificateur 70 de la figu- re 3. On utilise pour les éléments de l'amplificateur 76 de la figure 4 les mêmes numéros de référence que pour les éléments correspondants de l'amplificateur 70 de la figure 3. Cependant, dans l'amplificateur 76 de la figu- re 4, le transistor de couplage 72 est remplacé par un étage d'entrée de signal séparé qui comprend une paire d'entrées différentielle CMOS formée par des transistors 78, 80 dont les grilles de commande respectives sont di- rectement connectées aux bornes d'entrée de signal res- pectives 16, 18 de l'étage d'entrée de l'amplificateur. Le courant de polarisation pour les transistors 78, 80 est obtenu en connectant leuxssources aux transistors de réseau de polarisation 36, 38. Le drain du transis- tor 78 est connecté au noeud de tension de polarisation 42, et celui du transistor 80 est connecté à la grille 52. Un transistor supplémentaire de source de courant de polarisation 86 est branché entre le noeud d'alimen- tation positif 14 et la grille 52 afin de fournir le courant de polarisation qui sera ainsi absorbé par le transistor 80 à partir du noeud correspondant à la gril- le 52. La grille du transistor de polarisation 86 est connectée de façon appropriée au noeud de commande de polarisation 42. Le gain en petit signal dé cet étage d'entrée en dérivation est fixé suffisamment bas pour qu'il n'affecte pratiquement pas les caractéristiques globales en petit signal de l'amplificateur. Ce régla- ge du gain peut nécessiter de'déséquilibrer les tran- sistors d'entrée différentiels 78, 80. L'avantage d'avoir un tel réseau de couplage séparé pour les grands signaux consiste en ce qu'il permet d'obtenir une amélioration de la pente de la tension de sortie plus forte que celle que procure la configuration plus simple de la figure 3. L'homme de l'art spécialiste de la conception des circuits CMOS notera qu'un circuit CMOS donné peut également être réalisé en inversant toutes les polarités, ainsi que le type de conductivité du canal dans les dis- positifs MOS. On considère que ces autres formes possibles des circuits décrits ci-dessus entrent dans le cadre de l'invention. Bien que les amplificateurs 10, 70, 76 décrits ci-dessus soient conçus de façon à avoir un encombrement particulièrement réduit, il existe des variantes de con- figuration pour diverses parties de circuit des amplifi- cateurs 10, 70, 76 ci-dessus,qu'on peut également utili- ser avec les caractéristiques inventives décrites et re- vendiquées ici pour mettre en oeuvre l'invention. On peut par exemple utiliser ces variantes pour l'étage d'entrée, son réseau de transistors miroir de courant et le réseau de polarisation. Les caractéristiques particulièrement importantes associées à l'invention concernentl coupla- ge d'une source d'un signal amplifié à la grille de com- mande du transistor de source de courant de polarisation de sortie associé au transistor de sortie, au moyen d'un dispositif qui transmet sélectivement certains signaux et ne transmet pas d'autres signaux. Un tel dispositif peut 9tre appelé de façon générale un dispositif de fil- trage. Dans l'amplificateur 10 de la figure 2, le dis- positif de filtrage est le condensateur de couplage 64 et la source de signal amplifié est le noeud de sor- tie à haute impédance 34 de l'étage d'entrée. Dans l'am- plificateur 70 de la figure 3, le dispositif de filtra- ge est constitué par la combinaison du condensateur de couplage 64 et du transistor de couplage 72. La source de signal amplifié est maintenant constituée par les deux noeuds de sortie 32, 34 de l'étage d'entrée. Dans l'amplificateur 76 de la figure 4, le dispositif de fil- trage est constitué par la combinaison du condensateur de couplage 64 et de la paire de transistors de cou- plage d'entrée 78, 80 qui agissent conjointement de façon à transmettre les grands signaux. Les moyens de barrière destinés à isoler le noeud de tension de polarisation 42 des effets du signal ampli- fié qui est couplé à la grille 52 par le dispositif de fil- trage doivetEetulement laisser passer des variations très lentes ou des variations de composante continue de la ten- sion de polarisation destinée à la grille 52. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus en considérant des circuits qui utilisent la technologie CMOS, on peut également la mettre en oeuvre avec d'autres dispo- sitifs d'amplification, comme d'autres transistors à ef- fet de champ ou des transistors bipolaires. Les considé- rations qui interviennent dans la conversion des circuits pour passer des uns aux autres de ces différents disposi- tifs d'amplification sont bien connues des spécialistes de la conception des circuits. La valeur de la capacité du condensateur d'ajus- tage de marge de phase est de préférence inférieure d'un ordre de grandeur à celle du condensateur principal de mise en forme 58. Les dimensions particulières et les paramètres de circuit pour les autres composants des am- plificateurs 10, 70, 76 doivent être déterminés de façon générale pour l'application particulière considérée pour le circuit intégré auxquels ces composants appartiennent. On n'indiquera donc pas ici de valeurs particulières. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent tre apportées au dispositif décrit et représen- té, sans sortir du cadre de l'invention. 11, REVENDICATIONS 1. Amplificateur opérationnel (10) comprenant des noeuds d'alimentation positif et négatif (14, 12) un étage d'entrée différentiel comportant des première et seconde entrées (16, 18) et des premier et second noeuds de sortie (34, 32); un étage de sortie compre- nant un premier transistor (50), qui est un transistor de sortie, connecté en configuration en source commune et comportant une première électrode de commande (56) qui est connectée au premier noeud (34) de l'étage d'en- trée; et des moyens de polarisation pour les éléments de l'étage d'entrée et de l'étage de sortie, ces mo- yens de polarisation comprenant un noeud de commande (42) et un second transistor (48) qui est un transistor de source de courant de polarisation, connecté en série avec le transistor de sortie (50) entre les noeuds d'ali- mentation (14, 12) et comportant une seconde électrode de commande (52), caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens faisant fonction de barrière (66) connectés d'un côté à la seconde électrode de commande (52) et d'un autre côté au noeud de commande (42) des moyens de polarisation, pour empacher pratiquement que des signaux atteignant au moins une valeur de seuil d'am- plitude ou de fréquence choisie soient transmis vers d'autres éléments des moyens de polarisation à partir de la seconde électrode de commande (52); et des mo- yens de filtrage (64) connectés entre une source de si- gnal et la seconde électrode de commande (52), ces moyens de filtrage étant conçus de façon à transmettre les signaux ayant au moins la valeur de seuil d'am- plitude ou de fréquence choisies afin de faire cir- culer un courant de sortie supplémentaire dans le tran- sistor de source de courant de polarisation (48). 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens faisant fonction de barrière (66) consistent en un premier dispositif à ré- sistance (66). 3. Amplificateur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le premier dispositif à résistance (66) est un troisième transistor à effet de champ qui compor- te une troisième électrode de commande (68) connectée à l'un des noeuds d'alimentation (12). 4. Amplificateur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un premier condensateur (64) qui est connecté entre les pre- mière et seconde électrodes de commande (56, 52) de façon à transmettre à la seconde électrode de commande les si- gnaux ayant au moins une fréquence de seuil choisie. 5. Amplificateur selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il comprend des second et troisième con- densateurs (58, 62) branchés en série entre les premiè- re et seconde électrodes de commande (56, 52), le point de connexion commun à ces second et troisième condensa- teurs (58, 62) étant connecté par un second dispositif à résistance (60) au point de connexion commun des pre- mier et second transistors (50, 48). 6. Amplificateur selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le second condensateur (58) a une valeur de capacité nominale environ 10 fois supérieure à celle du troisième condensateur (62). 7. Amplificateur selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les moyens de filtrage comprennent des quatrième (80) et cinquième (78) transistors connectés sous la forme d'une paire différentielle avec leurs quatrième (84) et cinquième (82) électrodes de commande respectivement connectées aux première (18) et seconde (16) entrées de signal du premier étage, le quatrième transistor (80) étant connecté entre les moyens de pola- risation (48) et la seconde électrode de commande (52), et les quatrième (80) et cinquième (78) transistors transmettant à leur seconde électrode de commande (52) les signaux ayant au moins une amplitude de seuil choisie. 8. Amplificateur selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un si- xième transistor (72) destiné à transmettre les signaux ayant au moins une amplitude de seuil choisie, ce sixième transistor étant connecté entre les première (56) et se- conde (52) électrodes de commande et comportant une si- xième électrode de commande (74) qui est connectée au second noeud de sortie (32) de l'étage d'entrée.