Brevet FR2486677A1 — publié le 19820115

La présente invention concerne de façon générale les sources de référence de tension comportant une compensation de température, et elle porte plus particulièrement sur les sources de référence de tension comportant une compensation de température qui comprennent des diodes zener. On sait que les sources de référence de tension sont utilisées dans des circuits électroniques très divers, comme par exemple les circuits convertisseurs analogique- numérique et les circuits convertisseurs tension-fréquence. Un type de source de référence de tension comprend une diode zener dont la jonction manifestant le claquage est formée sous la surface d'une couche semiconductrice qui constitue une partie d'un circuit intégré. Une diode zener de ce type est envisagée dans un article intitulé "I2L puts it all together for 10-bit a-d converter chip" par Paul Brokaw, publié dans Electronics, 13 avril 1978, pages 99-105. La diode dite "diode zener enterrée de Kelvin" constitue un type spécial d'une telle diode zener enterrée et elle est caractérisée par le fait qu'elle comporte une borne d'anode de détection et une borne d'anode principale, en plus de son électrode de cathode. Comme il est indiqué dans un article intitulé "Circuit Techniques For Achieving High- Speed Resolution A/D Conversion" par Peter Holloway et Michael Timko, 1979 IBEE International Solid State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pages 136-137, on a constaté qu'une telle diode zener enterrée de Kelvin présente un coefficient de température qui varie en fonction du traitement de fabrication, d'une manière corrélée avec la variation de sa tension de claquage zener, On a utilisé cette relation pour réaliser une source de référence de tension à diode zener enterrée, avec compensation de température. En particulier, comme l'indique le second article précité, on a représenté la variation de la tension de claquage zener en fonction de la température pour un certain nombre de diodes zener et on a déterminé que toutes les courbes se coupent en un même point ou une même "température", TK. On a conçu un réseau de compensation pour additionner une tension V à la tension de claquage zener VZ de telle manière que la tension de sortie résultante VO ait un coefficient de température nul. On a effectué ceci en établissant une famille de courbes de VCOMp en fonction de la température, obtenue par ajustage d'une paire de résistances dans le circuit, de façon que les courbes de compensation aient un point d'intersection commun coîncidant avec le point ou la "température" TK qui correspond au point d'intersection commun des diodes zener mentionné ci-dessus. Le circuit résultant utilise un amplificateur différentiel dont une première entrée est attaquée par l'électrode de détection d'une diode zener enterrée de Kelvin (c'est-à-dire la tension VZ) et dont une seconde entrée est attaquée par le réseau de compensation (c'est-à-dire la tension VCOMp). Bien que le circuit décrit dans le second article précité assure une compensation de température pour la diode zener enterrée, ce circuit est relativement complexe du fait qu'il utilise un amplificateur différentiel et il est en outre limité en ce qui concerne la plage des tensions de référence qu'il est possible d'obtenir. Conformément à l'invention, un circuit de référence de tension comporte un premier circuit qui est destiné à produire une tension de sortie sur une borne de sortie, et ce circuit comprend un dispositif générateur de tension de référence qui est connecté entre un potentiel prédéterminé et la borne de sortie, ce dispositif générateur de tension de référence produisant une tension de référence qui varie en fonction de la température sur une plage de température prédéterminée. Il existe un circuit de compensation de température qui, sous l'effet d'un courant de compensation, produit une tension de compensation, en série avec la tension de -référence et la tension de sortie, cette tension de compensation variant en fonction inverse de la variation de la tension de référence, sur la plage de température prédéterminée, et le courant de compensation circule en série dans le dispositif générateur de tension de référence et dans les moyens qui produisent la tension de compensation. Une telle configuration permet d'obtenir un circuit de référence de tension avec compensation de température, relativement simple, qui est capable de produire une tension de sortie dont la valeur est relativement proche de celle de la tension produite par le dispositif générateur de tension de référence0 Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un tel circuit de référence de tension comporte une source de courant qui est branchée à une première borne de façon à appliquer à cette première borne un niveau de courant prédéterminé. Un élément de génération de tension de sortie, branché entre la première borne et une borne de sortie, produit une tension de sortie qui est liée au niveau du courant qui circule de la première borne vers l'élément de génération de tension de sortie. Un circuit de régulation de courant est branché entre la borne de sortie et la première borne afin de commander le niveau du courant qui circule de la première borne vers l'élément de génération de tension de sortie, conformément à la tension de sortie qui est produite sur la borne de sortie. Le circuit de régulation de courant comprend le circuit générateur de tension de référence branché en série entre la borne de sortie et un potentiel prédéterminé. La tension de sortie est liée à la tension de référence que produit le dispositif générateur de tension de référence. La tension de référence varie en fonction de la température sur une plage de température prédéterminée0 Il existe un circuit de compensation de température qui est branché à la borne de sortie et au dispositif générateur de tension de référence afin de produire une tension de compensation, en série avec la tension de référence produite par le dispositif générateur de tension de référence. La tension de compensation ainsi produite varie en fonction de la température, sur la plage prédéterminée, selon une variation inverse de la variation en fonction de la température du dispositif générateur de tension de référence. La tension de compensation est produite sous l'effet d'un courant de compensation qui circule en série dans le circuit de compensation de température et dans le dispositif générateur de tension de référence. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif générateur de tension de référence est une diode zener enterrée de Kelvin et cette diode zener comporte une cathode et une électrode d' anode de détection branchées en série entre la borne de sortie et un transistoro Le transistor comporte une électrode de bases une électrode d'émetteur et une électrode de collecteur. L'électrode de base et l'une des électrodes d'émetteur et de collecteur sont branchées en série avec l'anode de détection et la cathode de la diode zener. Le circuit de compensation de température comprend: une première résistance qui est branchée en série entre la borne de sortie et une électrode d'anode principale de la diode zener; un second transistor dont les électrodes de collecteur et d'émetteur sont connectées en série à la première résistance et à l'électrode d'anode de détection de la diode zener, elles mimes connectées en série; et une seconde résistance connectée en série aux électrodes de collecteur et d'émetteur, elles mêmes branchées en série, du second transistor. Ces première et seconde résistances sont choisies conformément au coefficient de température de la diode zener. Le circuit de compensation de température comporte un circuit diviseur de tension qui est branché entre la borne de sortie et l'électrode de base du second transistor, ce circuit diviseur de tension comportant un élément résistif qui est choisi de façon à établir une tension de référence pratiquement constante sur la borne de sortie, à une température choisie à l'avance, indépendamment des valeurs des première et seconde résistances. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure t représente le schéma d'un circuit de référence de tension correspondant à l'invention, et La figure 2 représente la tension zener en fonction de la température pour plusieurs diodes zener. On va maintenant considérer la figure 1 sur laquelle on voit un circuit de source de tension avec compensation de température, 10, qui comprend une source de courant 12 branchée entre une source de tension +VCC (ici + 15 V) et une première borne 14, pour faire circuler un courant prédéterminé vers la première borne 14. Un circuit générateur de tension 15, consistant ici en une paire de transistors 16, 18, branchés en paire Darlington, est branché entre la première borne 14 et une borne de sortie , comme il est représenté. Le circuit générateur de tension 15 produit sur la borne de sortie 20 une tension V qui est liée au courant I. qui circule de la première borne 14 vers l'électrode de base du transistor 16. Un circuit de régulation de tension 22 comprenant un transistor 26 et une diode zener enterrée de Kelvin, 28, est branché entre la borne de sortie 20 et la première borne 14, pour commander la valeur du courant qui circule de la première borne 14 vers le circuit de régulation de tension 22, c'est-à-dire le courant I2, conformément à la tension VR qui est produite sur la borne de sortie 20. Du fait que le courant 1 qui circule vers le circuit générateur de tension 15 est égal à Io - 12, le circuit de régulation de tension 22 maintient la tension VR à un niveau constant prédéterminé. Plus particulièrement, si la tension de référence VR tend à diminuer du fait des exigences d'une charge (non représentée) qui est connectée à la borne de sortie 20, le courant I2 qui est dirigé vers l'électrode de collecteur du transistor 26 diminue, Ainsi, du fait que I1 = I - I2, le courant I augmente ce qui rend plus positive la tension sur l'électrode de base du transistor 16, ceci ayant pour effet d'augmenter la tension sur la borne de sortie 20 et de maintenir la tension VR à un niveau prédéterminé constant. Si au contraire la tension VR tend à augmenter, le courant I2 augmente et le courant I1 diminue, ce qui tend à rendre plus négative la tension sur l'électrode de base du transistor 16 et tend donc à diminuer la tension de sortie VR, ce qui a pour effet de maintenir la tension V au niveau constant prédéterminé. La tension sur la borne VR est liée à une tension de référence ou de claquage Vz que produit la diode zener 28 entre ses électrodes d'anode de détection (A) et de cathode (C)o Du fait que cette tension de claquage Vz varie en fonction de la température T,sur une plage de température prédéterminée, il existe un circuit de compensation de température 30 qui est destiné à produire une tension de compensation Vc aux bornes d'une résistance RC, branchée en série par rapport à la tension VRO Cette tension de compensation VC varie en fonction de la température, sur la plage de température, d'une manière inverse dela variation en fonction de la température de la tension de claquage zener Vz. Outre la résistance Rc, le circuit de compensation de température 30 comprend un circuit diviseur de tension et ce circuit diviseur de tension comprend une résistance RA, un transistor 36, un transistor 38 et deux résistances B et RD, comme il est représenté. On va maintenant considérer brièvement la figure 2 qui montre la variation de la tension de claquage Vz en fonction de la température, pour plusieurs diodes zener 28 -284 On notera que chacune des diodes 281 - 284 a pratiquement la même "tension de claquage" Vz(TK) en un point ou "température" TK qui est pratiquement commun. On notera que le point ou "température" commun TK est imaginaire et résulte des prolongements (représentés en pointillés) des courbes de tension zener en fonction de la température (représentées en trait continu). Chaque diode a un coefficient de température Sz différent (désigné ici par Sz1 - SZ4) si bien que la tension de chacune des diodes zener 28 - 284 peut s'exprimer en fonction de la température T sous la forme suivante: Vz (T) = VZ (TK) + SZ (T- TK) (1) avec T > 0K Dans la relation ci-dessus, on a: Vz(TK) = 4,8 volts et TK = -2500 K et les coefficients de température Sz sont les suivants: - Sz? = 1,753 mV/OK; SZ2 = 1,46î mV/oK; SZ3 = 1,292 mV/4K; SZ4 = 1,223 mV/OK pour les diodes respectives 281 - 284. En se reportant à nouveau à la figure T, on note que la tension de sortie VR peut s'exprimer en fonction de la température (T) sous la forme suivante: VR(T) = vC(T) + V1(T) + Vz(T) (2) dans laquelle: V1(T) = tension aux bornes de la jonction base - émetteur du transistor 26, en fonction de la température T; et VC(T) = tension développée aux bornes de la résistance RC en fonction de la température T. Du fait que les transistors 16, 18, 26, 36 et 38 sont appariés, puisqu'ils sont formés sur le même substrat monocristallin qui est ici un substrat de silicium (non représenté), en utilisant les techniques classiques des circuits intégrés, les tensions des jonctions base-émetteur des transistors 18 et 36 sont mutuellement égales, ce qui fait que la tension sur l'électrode de base du transistor 38 est approximativement égale à VR(R/R ), en désignant par RA la valeur de la résistance RA qui est connectée entre l'émetteur du transistor 36, dont l'électrode de base est mise à la masse, et la base du transistor 38, et par RB la valeur d'une résistance R. qui est connectée entre une alimentation -Vcc (soit ici - 15 V) et les électrodes de base et de collecteur des transistors 38, 36, comme il est représenté. Il s'ensuit que la tension qui est développée aux bornes de la résistance % (c'est-à-rdire la résistance qui est connectée entre l'électrode d'émetteur du transistor 38 et l'alimentation -Vcc) peut s'exprimer sous la forme suivante: VD = IVR (RB/RA) - V2(T)] (3) dans laquelle V2(T) est la tension qui est produite aux bornes de la jonction base-émetteur du transistor 38, en fonction de la température. Il s'ensuit donc que le courant qui circule dans la résistance RD (qui est pratiquement égal au courant de compensation circulant dans l'électrode de collecteur, soit ici IC, du fait que le courant de base du transistor 38 est pratiquement nul), peut être représenté sous la forme: C VD/RD = [VR(RB/RA) - 2 (T)) /R (4) En outre, du fait que le courant qui entre dans l'électrode de base du transistor 26 est pratiquement nul, la quasi-totalité du courant IC circule en série dans la résistance RC et la diode zener 28 (c'est-à-dire entre l'électrode de cathode et l'électrode d'anode principale (P)), ce qui fait qu'on peut exprimer la tension Vc sous la forme: vC = ICRC = RC (VR(RB/RA) - V2(T)) /RD (5) En outre, du fait que les transistors 26 et 38 sont appariés: Vx(T) = V2(T) = VI(TK) + ST (T-TK) (6) en désignant par Vi(TK.) la tension aux bornes de la jonction base-émetteur de chacun des transistors 26 et 38, et par ST le coefficient de température de cette jonction base- émetteuro En reportant les équations (1), (5) et (6) dans l'équation (2), on peut récrire cette dernière sous la forme: 2 R = RC [(RB/RA) V - V(TK) - ST (T - TK) /RD + V(TK) + ST (T'TK) + Vz(TK) + sz(T-TK) (7) L'équation (7) conduit à la condition suivante pour que VR soit invariant vis-à-vis de la température: -RC ST/RD + ST = -Sz (8) soit, en récrivant l'équation (8): RC/RD = [ST + SZI /ST (9) Ainsi, d'après l'équation (8), du fait que le coefficient de température ST a une valeur pratiquement constante indépendante du traitement de fabrication, soit ST = -2,0 mV/OK, une fois qu'on a mesuré le coefficient de température SZ, on choisit le rapport des résistances Rc/RD de façon à satisfaire l'équation (9)* La condition suivante consiste à faire en sorte que le circuit 10 produise la même tension de référence choisie à l'avance VR, indépendamment du coefficient de température Sz de la diode zener 28. Par conséquent, si le rapport RC/RD est choisi conformément à l'équation (9), la tension de référence VR, telle que l'exprime l'équation (7),est invariante vis-à-vis de la température, et on peut donc récrire l'équation (7) sous la forme suivante: VR = (RC RB VR/RD RA) - (RC VI(TK)/RD) + VI(TK) + VZ(T) (10) L'équation (10) permet de voir que VR est fonction de RB/RA et RC/RD. On désire cependant choisir le rapport RB/RA de façon que la tension de référence VR soit indépendante du rapport RC/RD. De cette manierg,on peut régler la résistance Rc, comme par exemple avec les techniques classiques d'ajustage par laser, de façon que pour un rapport RB/RA donné (et pour une valeur RD fixe), on puisse changer la valeur de cette résistance sans affecter la tension de référence VRo On choisit donc la valeur de RC en fonction seulement du coefficient de température de la diode zener, c'està-dire SZ, de la manière décrite en relation avec l'équation (9). Par conséquent, en récrivant l'équation (10) en fonction de RB/RA, on obtient: RB/RA = fVR + (RC/RD) Vz(TK) - V1 (TK)-Vz) /(RC/RD) VR (11) L'équation (ll) permet de voir que si: VR-V1(TK)-VZ(TK) = O, on a alors: RB/RA = VZ(TK)/VR (12) et ce rapport RB/RA est indépendant de la valeur de la résistance Rc. Ainsi, si RB/RA = Vz(TK)/VR, la tension de référence VR est indépendante de la valeur de la résistance Rc. Par conséquent, lorsque le circuit 10 représenté sur la figure 1 est fabriqué sous la forme d'un circuit intégré, on mesure le coefficient de température de la diode zener Sz et on ajuste de façon correspondante la valeur de la résistance Rc, en employant par exemple les techniques classiques d'ajustage par laser, pour satisfaire l'équation (9). Plus précisément, lorsque par exemple VR = 7,0 V, alors que la valeur déterminée pour Vz(TK) est de 1,75 V, le rapport RB/RA donné par l'équation (12) est: RB/Ri = 0,25. On prend donc ici RA = 36,5 kt.- et RB = 9,5 k-L. En outres RD est égal ici à 2,0 k.fL, si bien que, conformément à l'équation (9): RC = 2 k. -2, 0 mV/ K + Sz)/(-2,O mV/OK) Dans l'expression ci-dessus, SZ est déterminé à partir des courbes représentées sur la figure 2 et la valeur RC est ajustée au coefficient de température Sz de la diode zener qui est fabriquée dans le circuit 10o On notera que le circuit décrit ci-dessus présente une structure relativement simple du fait qu'il n'utilise qu'un seul transistor 26 entre la diode zener 28 et la première borne 14 pour commander ou réguler le niveau de la tension de sortie sur la borne de sortie 20 En outre, du fait que le courant de compensation IC circule à la fois dans la résistance de compensation RC et dans la diode zener 28, la configuration du circuit 10 permet de produire une tension de sortie de valeur relativement proche de la tension de claquage zenere Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de référence de tension comportant une compensation de température, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) des moyens (15) destinés à produire une tension de sortie sur une borne de sortie (20) comprenant un dispositif générateur de tension de référence (28) branché entre un potentiel prédéterminé et la borne de sortie, ce dispositif générateur de tension de référence produisant une tension de référence qui varie en fonction de la température sur une plage de température prédéterminée; et (b) des moyens (30) qui réagissent à un courant de compensation (Iv) en produisant une tension de compensation, en série avec la tension de référence et la tension de sortie, cette tension de compensation variant à l'inverse de la variation de la tension deréférence sur la plage de température prédéterminée, et le courant de compensation circulant en série dans le dispositif générateur de tension de référence et les moyens de génération d'une tension de compensation. 2. Circuit de référence de tension comportant une compensation de température, caractérisé en ce qu'il comprend:(a) une source de courant (12) branchée à une première borne (14) afin de faire circuler un courant prédéterminé vers cette première borne; (b) des moyens de génération de tension de sortie (15) branchés.entre la première borne et une borne de sortie (20),de façon à produire une tension de sortie liée à la valeur du courant qui circule de la première borne vers les moyens de génération de tension de sortie; (c) un circuit de régulation de courant (22), branché entre la borne de sortie et la première borne, dans le but de commander la valeur du courant qui circule de la première borne vers les moyens de génération de tension de sortie, conformément à la tension de sortie qui est produite sur la borne de sortie, ce circuit de régulation de courant comprenant un dispositif générateur de tension de référence (28) branché en série entre la borne de sortie et un potentiel prédéterminé, la tension de sortie étant liée à la tension de référence que produit le dispositif générateur de tension de référence et la tension de référence variant en fonction de la température sur une plage de température prédéterminée; et (d) un circuit de compensation de température (30) branché à la borne de sortie et au dispositif générateur de tension de référence, comprenant des moyens destinés à produire une tension de compensation, en série avec la tension de référence que produit le dispositif générateur de tension de référence, sous l'effet d'un courant de compensation, cette tension de compensation produite variant en fonction de la température sur la plage prédéterminée d'une manière inverse de la variation de la tension de référence en fonction de la température,et le courant de compensation circulant en série dans les moyens de génération de tension de compensation et dans le dispositif générateur de tension de référence. 3. Circuit de référence de tension comportant une compensation de température, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif générateur de tension de référence comprend une diode zener (28). 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de génération de tension de compensation comprennent des moyens résistifs. 5. Circuit de référence de tension comportant une compensation de température, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une source de courant (12) branchée à une première borne (14), de façon à faire circuler un courant prédéterminé vers cette première borne ? (b) des moyens de génération de tension de sortie (15), branchés entre la première borne et une borne de sortie (20), de façon à produire une tension de sortie liée à la valeur du courant qui circule de la première borne vers les moyens de génération de tension de sortie; (c) une première résistance (RC) connectée à la borne de sortie; (d) un dispositif générateur de tension de référence (28) branché en série à la résistance; (e) un premier transistor (26) qui comporte une électrode de base connectée au dispositif générateur de tension de référence, une électrode d'émetteur connectée de façon à recevoir un potentiel prédéterminé et une électrode de collecteur connectée à la première borne; (î) un second transistor (36) qui comporte une électrode d'émetteur connectée aux moyens de génération de tension de sortie, une électrode de base connectée de façon à recevoir le potentiel prédéterminé et une électrode de collecteur connectée à une seconde borne; (g) un troisième transistor (38) qui comporte une électrode de base connectée à la seconde borne et une électrode de collecteur connectée au dispositif générateur de tension de référence (28) ; (h) une seconde résistance (RB) connectée entre la seconde borne et un second potentiel prédéterminé; et (i) une troisième résistance (R) connectée entre une électrode d'émetteur du troisième transistor et le second potentiel prédéterminé. 6. Circuit de référence de tension avec compensation de température selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif générateur de tension de référence est une diode zener (28) qui comporte: des électrodes d'anode de détection (A) et de cathode (C) connectées en série entre l'électrode de base du premier transistor et la première résistance; et une électrode d'anode principale (F) connectée à l'électrode de collecteur du troisième transistor. 7. Circuit de référence de tension comportant une compensation de température selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de génération de tension de sortie (15) comprennent un quatrième transistor (16) et un cinquième transistor (18) qui comportent des électrodes de collecteur qui sont connectées à un troisième potentiel prédéterminé; le quatrième transistor comporte une électrode d'émetteur connectée à la fois à une électrode de base du cinquième transistor et à l'électrode d'émetteur du second transistor, et une électrode d'émetteur du cinquième transistor est connectée à la borne de sortie. 8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend une quatrième résistance (RA) qui est connectée entre l'électrode d'émetteur du quatrième transistor et l'électrode d'émetteur du second transistor.