Brevet FR2495409A1 — publié le 19820604

Etat de la technique - L'invention part d'un commutateur à valeur de seuil avec un amplificateur différentiel et avec au moins une valeur de seuil,. De tels commutateurs à valeur de seuil sont connus. On connatt en outre des branchements de comparaison avec un amplificateur opérationnel susceptible d' tre intégré, dans lesquels, par l'intermédiaire d'un couplage à l'aide d'au moins une résistance, qui va de la sortie à l'entrée non inversante, une hystérisis est mise en oeuvre. On connait en outre de nom- breux branchements permettant d'obtenir une tension de référence fixe comme tension d'intervalles de bande. Partant de cet état de la technique l'invention concerne un commutateur caractérisé en ce que la valeur de seuil est obtenue par un désaccord défini des transistors constituant l'amplificateur différentiel, des moyens étant prévus pour le désaccord défini de ces transistors, moyens qui sont disposés dans le branchement de désaccouplement de l'amplificateur diffé- rentiel. Le commutateur à valeur de qeuil conforme à l'in- vention défini ci-dessus présente par rapport aux solutions con- nues l'avantage que l'on peut commuter la sortie ou les sorties du branchement d'amplificateur différentiel pour un désaccord défini des transistors d'entrée (courant d'émetteur non identi- que dans les transistors de l'amplificateur différentiel). Ainsi la tension différentielle d'entrée nécessaire pour la commuta- tion des sorties conserve une portion proportionnelle à la ten- sion fonction de la température UT. En outre, en série sur les émetteurs des transistors d'entrée précités, il est prévu des résistances qui sont parcourues par des courants, proportion- nels à une tension de diodes (tension base-émetteur d'un tran- sistor) UBE (Io). Arpoints de commutation, ces portions peuvent tre définies par un dimensionnement approprié de ces résistan- ces. Comme dans les sources de référence d'intervalle de bande connues, les parties proportionnelles UT d'une part, UE(I0) d'autre part, sont amenées dans un rapport tel que leur somme, à savoir la tension d'interrogation d'entrée est indépendante de la température.' Les tensions de seuil d'entrée peuvent d'après ce principe, être rendues symétriques ou dLasymétriques par rap- port à une tension de référence à l'une des entrées. Elles peu- 1.- 249540'9 vent en outre être rendues grandes ou petites, en tout cas non égales à la tension d'intervalle de bande. Les tensions de seuil d'entrée peuvent en outre, par un décalage défini à partir de la répartition proportionnelle des deux parties par rapport à la tension d'intervalle de bande, être également réalisées avec un coefficient de température prédéterminé différent de zéro. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'hystérésis entre les deux tensions de seuil d'entrée définies est obtenue par une bascule dans le circuit de sortie. Ceci présente par rapport au branchement connu de comparaison ou d'une valeur de seuil avec l'hystérésis, l'avantage que l'hystérésis est obtenue sans action perturbant la précision du seuil de commutation d'en- trée. En outre, dans cette méthode, les problèmes dynamiques tels qu'ils se présentent dans le cas d'un couplage entre sortie et entrée, du fait de l'amplification élevée de circuit et des retards à travers plusieurs étages d'amplification, sont à prio- ri évités. Un autre avantage du branchement de base selon la figure 2, réside en outre en ce que le branchement de sortie peut être établi librement, soit avec des sorties individuelles, soit comme comparateur à fenêtre. D'autres combinaisons logiques sont également possibles entre les sorties disponibles du bran- chement de baset ces combinaisons n'étant pas prévues dans les exemples de réalisation. Dessins - Des exemples de réalisation du commutateur à va- leur de seuil conforme à l'invention sont représentés sur les dessins ci-joints et exposés plus en détail dans la descrip- tion qui va suivre. - la figure 1 montre le branchement de base d'un commutateur à valeur de seuil symétrique conforme à l'invention, selon le principe de l'intervalle de bande avec deux transistors de sortie, - la figure 2 montre la dépendance de la ten- sion d'entrée des courants déterminant pour le fonctionnement de ce branchement de base, - la figure 3 montre un branchement analogue à celui de la figure 1, mais cependant avec un autre branchement des sources de courant et avec des sources de courant de fonc- tionnement pour les sorties distinctes. 2.- - la figure 4 montre la dépendance des tensions de sortie de la tension d'entrée dans le branchement selon la figure 3, - la figure 5 représente un branchement analogue à celui de la figure 3, toutefois avec un assemblage des sorties constituant une porte NON-OU un "comparateur à fenêtre" étant ainsi créé. - la figure 6 montre la dépendance existant en- tre la tension de sortie et la tension d'entrée dans le branche- ment selon la figure 5, - la figure 7 représente un branchement analogue à celui de la figure 3 mais avec la combinaison des transistors de sortie à l'aide de deux autres transistors pour constituer une bascule, grâce à quoi un commutateur à valeur de seuil symé- trique avec hystérésis est créé. - la ffigure 8 montre la dépendance entre les tensions de sortie de la bascule dans le branchement selon la figure 7, et la tension d'entrée, la figure 9 représente un branchement analogue à celui de la figure 7, mais toutefois complété par des transis- tors à substrat branchés en amont des entrées selon un montage à suiveur d'émetteur avec des sources de courant auxiliaires. Ainsi le potentiel de référence à l'une des nouvelles entrées peut être mis à la masse. En outre, les courants d'entrée sont réduits. - la figure 10 montre une variante par rapport au branchement de base selon la figure 1, variante dans laquelle les longueurs différentes de bord de collecteur des transistors latéraux d'entrée, nécessaires pour l'établissement de la ten- sion de seuil d'entrée, sont remplacées par des surfaces d'émet- teur différentes dans les transistors du miroir de courant. - la figure 11 montre une autre variante dans laquelle, en amont de la base de chacun des deux transistors latéraux pnp constituant l'amplificateur différentiel, est res- pectivement branché un étage constituant un suiveur d'émetteur. Chacun de ces deux transistors latéraux pnp possède dans ce cas, encore un troisième collecteur partiel relié à sa base. Description des exemples de réalisation - Les exemples de réalisation sont dans l'ensemble décrits pour être réalisés en technique planaire monolithique 4.- intégrée. Bien entendu, les branchements donnés à titre d'exem- ple ainsi que d'autres branchements, correspondant aux caracté- ristiques de l'invention, peuvent être réalisés dans d'autres techniques dans lesquelles on a un couplage thermique des prin- cipaux éléments, par exemple dans la technique hybride. Sur la figure 1 est représenté le branchement de base du commutateur à valeur de seuil conforme à l'invention. Ce commutateur à valeur de seuil comprend un amplificateur dif- férentiel constitué de deux transistors latéraux pnp T1, T2. Les émetteurs de ces deux transistors T1, T2 sont dans ce cas reliés galvaniquement ensemble. le point de Jonction de ces deux émet- teurs est raccordé par l'intermédiaire d'une source de courant au conducteur positif de courant de fonctionnement. La source de courant est dans ce cas constituée des éléments de commuta- tion T'3 et R2, la source de référence par rapport à la source d'alimentation en courant est constituée des éléments de commu- tation T'4, T'5, R3. Les collecteurs des deux transistors laté- raux pnp TI, T2 sont respectivement subdivisée en deux collec- teurs partiels a, b. le second collecteur partiel a est alors relié respectivement à l'entrée d'un miroir de courant npn T3, T4 ou bien T5, T6, dont la sortie est respectivement reliée au premier collecteur partiel b de l'autre des deux transistors latéraux pnp T1, T2 et à la base d'un transistor de sortie T7, T8. Dans le conducteur d'émetteur de chacun des deux transistors latéraux pnp T1, T2 est respectivement branchée une résistance R1, R'1. Ces résistances, dans les considérations mathématiques sui vont suivre, sont considérées comme identiques et désignées par R1. Dans le branchement selon la figure 1, le tran- sistor de sortie T8 est alors précisément commandé (courant de base du transistor T8 tout d'abord négligé) lorsque on a s A. b. 11 = A. a. 12 (la) oh l'amplification du courant collecteur-émetteur des transis- tors latéraux pnp T1, T2 est désignée par A = B / (B + 1) et à cause de l'alignement (tracking) dans le cas des circuits inté- grés est considérée comme égale pour les deux transistors. les transistors d'entrée T1, T2 possèdent des collecteurs partiels pour lesquels le rapport de leurelongueusde bord efficace est caractérisé par le nombre proportionnel a: b (avec a + b = 1). De l'égalité (la) on déduit: ,- 2495409 a - = -(lb) 12 b on a en outre, selon la règle des noeuds s 11 + 12 = Io (2) Le courant amont Io, dans le branchement de source de courant représenté sur la figure 1 ou bien sur la figure 2, s'établit à s U (= o) B (3) IO = Des égalités (lb), (2) et (3) on déduit pour la différence des courants I1, 12 s I -I a a-b À(I) (4) i1 i2 a + b S-o a+b R La tension d'entrée nécessaire pour commander le transistor de sortie I8 est s r, = (i1 - I2). Ri + U ln l (5) ou bien avec l'égalité (4) et l'égalité (lb) t U =a- b. R1 UEB (Io) + U ln-a (6a) a+b 1 a + b R3 Si l'on veut rendre UE1 indépendant de la tempé- rature, on doit répartir les deux portions (la proportionnelle UB et la proportionnelle UT)de façon appropriée selon le prin- cipe de l'intervalle de bande. Pour rendre ceci plus clair, on multiplie dans l'égalité (6a) par le facteur (a + b). R3 / (a - b). R1 et on obtient: UB. a + b * 3 Um (Io) + a + b * R_. U_ ln (6b) a - Ri a - b R1 b Cette tension est indépendante de la température si on la rend tout juste égale à une tension UGO, qui est légé- rement supérieure à la tension physique d'intervalle de bande UGO pour le silicium, afin de tenir compte des coefficients positifs de température des résistances intégrées R1, R2, R3. On a ainsi s a + b a UGO, UÉ * a -b * R3 (7a) 4O0l *a -b R1 et 6.- 6.- 2495409 a+ b R a UGO,= u (Io) +. .3 T. - (7b) a -b R1 b En combinant les égalités (7a) et (7b) on a: UO' = U (Io) + GO' T. n a (7c) A partir de l'égalité (7c) on peut déterminer le rapport efficace des longueurs de bord des collecteurs des transistors T1, T2 pour la tension d'entrée Ui1 précédement explicitées i%. o', - UBE (Io) (8) a 1s= e UT UGOI exemple s UGO = 1216 mV, Io = 100 A, uB (Io) = 680 mv, UT = 26 mV, UE = 35 mV ce qui donne: (a/b) = 1,81 A partir de là, et compte tenu que a + b = 1, on obtient s a = 0t64 et b = 0936. A l'aide du rapport a/b déterminé à partir de l'égalité (8), on peut déterminer en outre à partir de l'égalité (7a) le rapport des résistances R/R3 R 1 a + 'I E1 = b (9)_ b, UGO Dans l'exemple précédent, on a (R1/R3) = 0,1. Si l'on part de: R3= UBE (Io) / Io = 680 mV/ A = 6,8 k f, on doit prendre: R1 = 680.. Afin d'illustrer le mode de fonctionnement du branchement selon la figure 1, les évblutions des principaux courants dans ce branchement, sont schématiquement représentées sur la figure 2 en fonction de la tension différentielle d'entrée U. On voit que dans la zone oh U' UBIE1 le courant AbI1 dépasse le courant AaI2, grâce à quoi le transistor TA devient conduc- teur. Dans la zone oh UE- UE1 on a par contre AaI2: AbI1, grâce à quoi le transistor T5 est saturé et le transistor T8 bloqué. On voit également, que du fait de la symétrie 7.- du dispositif, le point de commutation pour l'autre transistor de sortie T7 se situe à: UB = -E1. Sur la figure 1 sont uniquement représentés les transistors de sortie T7, T8 eux-mêmes (appelés sorties "open- collector"). Sur la figure 3 sont ajoutés, pour compléter les circuits de sortie, des courants "pull-up" qui sont prélevés sur le transistor à double collecteur T10. On choisit avantageu- sement ces courants à peu près égaux à la moitié de Io, de façon qu'ils correspondent à peu près au point d'entrée à la somme des courants de collecteur des transistors du miroir de courant T3, T4 ou bien TS, T6. Ainsi, du fait du "tracking" des amplifica- tions de courant des transistors T3, T4, T7 ou bien TS, T6, T8 leur courant de base se compense à peu de chose près, grâce à quoi les tensions correspondantes d'entrée UE1, -UE1 sont à peu près indépendantes de l'amplification de courant et de l'évolu- tion de sa température. Sur la figure 3 est prévue simultanément une au- tre forme de la source générale d'alimentation en courant, qui est avantageuse pour des adjonctions, telles que celles faites dans le présent exemple par le transistor T10. Cette source d'a- limentation en courant est constituée, conformément à la figure 3, par les éléments de commutation R2, R3, T11, T12, T13, T14, T15. La figure 4 montre schématiquement la dépendance entre les tensions de sortie TJU11 et U12 et la tension différen- tielle d'entrée UE pour le branchement selon la figure 3. Pour une amplification élevée de courant des transistors de sortie T7, T8 ceux-ci deviennent conducteurs auxpoints + Ui1 et -U1. Sur la figure 5, par rassemblement des collec- teurs des transistors de sortie T7, T8 en une sortie A commune, il est créé un branchement NON-OU (lorsque le transistor T7 ou bien le transistor T8 est conducteur, la sortie A est "basse"). Comme on le voit sur la figure 6, le branchement selon la figure 5 est ainsi devenu un "comparateur à fenêtre" avec une fenêtre compensée en température, symétrique par rap- port à UE = O, et avec une largeur 2 UE1. Pinalement, la figure 7 représente un branchement dans lequel, par rapport à la figure 3, les transistors de sor- tie T7, T8 selon une autre caractéristique de l'invention, par adjonction des transistors T16, T17, sont complétés pour consti- 8.- 2495409 tuer deux branchements NON-OU couplés ensemble en croix, c'est- à-dire pour constituer une bascule RS simple. La figure 8 illustre le mode de fonctionnement de ce branchement. Les sorties A1, A2 de la bascule commutent aux points de commutation UE1 et UE1 avec hystérésis. Le bran- chement selon la figure 8 offre ainsi la possibilité de convertir des tensions d'entrée sinusoldales en tensions de sortie de for- me rectangulaire. Les deux sorties A1, A2 peuvent être ainsi au choix adaptées à ce but éventuellement après une amplification appropriée des signaux. Le branchement selon la figure 7 est prévu pour le cas spécial o le potentiel de référence doit être à zéro (à la masse) à l'une des entrées E1 ou E2 (par exemple par ce qu'un détecteur inductif est de son c8té à la masse), sans pouvoir être utilisé en l'état, car alors les transistors d'entrée T1, T2 devraient en pratique fonctionner dans la zone de saturation. Cette difficulté est évitée comme le représente la figure 9 par le branchement en amont de transistors d'entrée T18, T19 qui sont avantageusement réalisés sous forme de transis- tors à substrat pnp en technique (bipolaire-planaire) intégrée. Si l'on veut éviter que des courants de base différents des transistors T1, T2 suscitent, danp les sections base-émetteur des transistors T18, T19, une tension supplémentaire décalée cor- respondante (assymétrie des points de commutation) on doit, com- me le montre la figure 9, acheminer les courants amont I3, qui sont relativement importants par rapport aux courants de base des transistors T1, T2 à l'aide d'un autre transistor - source de courant T20 avec double collecteur. Du fait de l'amplifica- tion élevée de courant des transistors à substrat T18, T19 on arrive cependant à des courants d'entrée IE1 IE2 plus faibles que dans le cas du branchement simple de la figure 7. Cela con- tribue à cause de l'imprécision de la résistance interne du dé- tecteur, à la symétrie des points de commutation. la résistance R5 représentée sur la figure 9, qui est reliée à l'émetteur du transistor T20 sert à l'ajustement de ce courant amont I. En outre, sur la figure 9, sont représentées des résistances R4 de stabilisation, qui améliorent la précision des courants de- vant être ainsi réglés. Sur la figure 10 est représenté un autre exemple de réalisation en variante par rapport au branchement de base de la figure 1. A la différence du branchement de la figure 1, les transistors d'entrée T1, T2 possèdent des collecteurs par- tiels identiques (répartition par moitié). Par contre, les sur- faces d'émetteurs des transistors du miroir de courant npn T3, T4 ou bien T4, T5 sont réalisées dans le rapport a: b. Ainsi, le eoncept de l'invention, à savoir que les sorties du branche- ment commutent pour un rapport défini I1: 12 des courants d'é- metteurs des transistors d'entrée T1, T2t peut être appliqué. Au lieu de l'égalité (la), on a dans cette version: -. A. 1l = 1 A * a (la) ce qui donne à nouveau: I a = (lb) 12 b Si bien que toutes les autres égalités qui ont. été établies pour le branchement de la figure 1, sont également valables pour cette version. Bien entendu les deux méthodes (selon la figure 1 et selon la figure 10) peuvent être aussi combinées pour obte- nir le rapport souhaité I1 S 12 au point de commutation. Cela peut être avantageux pour des raisons de construction (dans la disposition topologique). Sur la figure 11 est représentée une modifica- tion du dispositif de branchement de la figure 9. Chacun des deux transistors latéraux pnp T1, T2 constituant l'amplificateur différentiel, possède ici un troislme collecteur partiel sup- plémentaire c qui est relié à la base de ce transistor T1 ou bien T2. De ce fait, la source de courant R5, T20 de la figure 9 devient inutile. Pour terminer il y a lieu de mentionner que l'on peut aussi selon le principe de l'invention, obtenir égale- ment le résultat avec des points de commutation différents U"1 - UE2 (avec 1 UB2 j, 1) A cet effet, les longueurs de bord des collecteurs des transistors T1, T2 et/ou les surfaces d'é- metteurs des transistors T3, T4 ou bien T 5, T6 doivent être réparties de façon asymétrique. Dans le cas du transistor T1 et/ou dans le cas du transistor T2, un autre collecteur partiel pour évacuer à la masse une partie excédentaire du courant, peut être alors nécessaire. En outre, les résistances R1, R'1 consi- dérées sur la figure 1 comme identiques doivent être alors di- 10.- 2495409 mensionnées en conséquence de façon différente. L'un des points de commutation UE1' -UE2 peut également être pris à zéro. Bien entendu, les branchements qui ont été dé- crits peuvent également être réalisés en technique complémentaire, (permutation des transistors pnp et npn). Il y a alors lieu de veiller à ce que, à la place de la subdivision des collecteurs dans le cas des transistors latéraux pnp, le branchement en paral- lèle de transistors npn avec des surfaces d'émetteurs identiques ou non identiques, et vice versa, intervienne. 11.- 2495409 REV1ENDICATI0NS R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Commutateur à valeur de seuil avec un ampli- ficateur différentiel et avec au moins une valeur de seuil, com- mutateur caractérisé en ce que la valeur de seuil est obtenue par un désaccord défini des transistors (T1, T2) constituant l'amplificateur différentiel, des moyens étant prévus pour le désaccord défini de ces transistors (T1, T2), moyens qui sont disposés dans le branchement de désaccouplement de l'amplifica- teur différentiel. 2.- Commutateur à valeur de seuil selon la re- vendication 1, avec un amplificateur différentiel constitué de deux transistors latéraux pnp (T1, T2), dont les émetteurs sont reliés galvaniquement l'un à l'autre et sont raccordés par l'intermédiaire d'une source de courant au conducteur positif de courant de fonctionnement, commutateur caractérisé en ce que les collecteurs des deux transistors latéraux pnp (T1, T2) sont respectivement subdivisés en deux collecteurs partiels (a, b) le second collecteur partiel (a) des deux transistors latéraux pnp (T1, T2) étant relié à l'entrée d'un miroir de courant npn (T3, T4 ou bien T5, T6), dont la sortie est reliée avec le pre- mier collecteur partiel (b) de l'autre des deux transistors la- téraux pnp (T1, T2), et avec la base d'un transistor de sortie (T7, T8). 3.- Commutateur à valeur de seuil selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que pour obtenir des tensions de seuil (UE1, -UE1) compensées en température, une résistance (R1, R'1) est branchée sur le conducteur arrivant à l'émetteur de chacun des deux transistors latéraux pnp (Tl, T2), le courant d'alimentation (Io) de l'amplificateur différentiel étant pro- portionnel à une tension de flux de diodes. 4.- Commutateur à valeur de seuil selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les deux sorties des deux transistors de sortie (T7, T8) sont reliées ensemble par un branchement logique. 5.- Commutateur à valeur de seuil selon la re- vendication 4, caractérisé en ce que les deux transistors de sortie (T7, T8) font partie d'une bascule RS. 6.- Commutateur à valeur de seuil selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'un étage (T18, T19) constituant un suiveur d'émetteur est respec- tivement branché en amont de la base de chacun des deux transis- tors latéraux pnp (T1 T2) constituant l'amplificateur différen- tiel. 7.- Commutateur à valeur de seuil selon la re- vendication 6, caractérisé en ce que des sources de courant (I3 en provenance de T20) sont reliées à chacune des deux bases des deux transistors latéraux pnp (T1, T2) constituant l'ampli- ficateur différentiel. 8.- Commutateur à valeur de seuil selon la re- vendication 6, caractérisé en ce que, chacun des deux transis- tors latéraux pnp (T1, T2) constituant l'amplificateur opéra- tionnel, possède encore un troisième collecteur partiel (c) relié à sa base. 9.- Commutateur à valeur de seuil selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les deux transistors (T3, T4 ou bien T5, T6) constituant le miroir de courant npn ont des surfaces d'émetteur (a, b) différentes. 10.- Commutateur à valeur de seuil selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il est réalisé en technique complémentaire (transistors pnp et transis- tors npn permutés), grâce à quoi à la place de la subdivision des collecteurs dans le cas de transistors latéraux pnp, inter- vient le branchement en parallèle de transistors pnp avec une surface d'émetteur identique ou non identique, et vice versa. 12.-