Brevet FR2509102A1 — publié le 19830107

COMMUTATEUR ANALOGIQUE DE COURANT EN TECHNOLOGIE BIPOLAIRE A INJECTION. L'invention concerne un commutateur analogique de cou- rant obtenu à partir d'éléments commutateurs constitués par des portes logiques intégrées à injection de courant de type I 2 L, chaque élément commutateur ayant une entrée de signal sur l'émetteur du transistor in- jecteur, une entrée de signal de commutation sur la base du transistor commutateur, ce dernier comportant m collecteurs dont l'un est rétrocou- plé sur sa base et les m 1 autres sont reliés respectivement à m l entrées de courant, ledit signal de commutation imposant audit transis- tor commutateur soit l'état conducteur pour lequel le courant d'une sour- ce de courant injecté sur ladite entrée de signal se retrouve réfléchi auxdites m 1 entrées de courant, soit l'état non conducteur pour lequel ledit courant injecté est dérivé vers l'entrée de signal de commutation. Un tel dispositif dans lequel l'une des commandes de signal de commutation se traduit par une réflexion de courant dans les multi- collecteurs de la porte I L est connu par le brevet français n 2 316 804 intitulé "dispositif semiconducteur à logique d'injection plu- rivalente" qui décrit la réalisation de fonctions logiques spéciales en- tre autres celle du genre mentionné dans le préambule Cette fonction de réflexion trouve des applications notamment dans la formation de miroirs de courant (voir le brevet japonais N O 53 147 892). Mais la fonction de transmission du courant injecté n'est pas remplie par les dispositifs logiques auxquels se réfère l'art antérieur Le but de l'invention est de remédier à cette lacune en for- mant toujours à partir de la porte 12 L un élément commutateur analogique qui sous une forme simplifiée présente par rapport aux multiples variantes connues de commutateurs à transistors l'avantage d'une transmission in- tégrale du courant injecté Cet avantage joint à ceux inhérents aux cir- cuits intégrés I 2 L à savoir leur forte densité d'intégration et leur fai- ble dissipation, permet d'étendre encore leur domaine d'applications par exemple au traitement numérique-analogique du signal. Conformément à l'invention, ledit élément commutateur comporte de plus une sortie de signal à l'interconnexion de la base dudit transistor injecteur et de l'émetteur dudit transistor commutateur, de sorte que dans ledit état conducteur, ledit courant injecté se retrouve transmis vers ladite sortie de signal avec un coefficient de transmission déterminé fonction des caractéristiques desdits transistors de la porte Le calcul qui sera développé dans la partie descriptive montre que ledit coefficient de transmission devient rigoureusement égal à l'unité lorsque le transistor commutateur ne comporte qu'un seul col- lecteur ce qui s'avère particulièrement intéressant pour l'utilisation de l'élément commutateur ainsi formé par exemple dans la réalisation de con- vertisseursnumériques-analogiques. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple fera bien comprendre comment l'invention peut étre réalisée. La figure 1 représente le schéma de l'élément commuta- teur analogique de courant conforme à l'invention. La figure 2 montre le schéma d'une forme simplifiée de l'élément commutateur de la figure 1. La figure 3 montre le schéma d'un commutateur consti- tué par la mise en cascade de N éléments commutateurs identiques confor- mes au schéma de la figure 2. La figure 4 illustre à titre d'exemple d'application l'échantillonnage d'une fonction sinusoïdale synthétisée au moyen d'un convertisseur numérique-analogique équipé d'éléments commutateurs confor- mes au schéma simplifié de la figure 2 J La figure 5 donne en fonction du temps la variation des signaux numériques appliqués au convertisseur. La figure 6 est le schéma d'un mode de réalisation de ce convertisseur numérique-analogique. Sur la figure 1, la porte logique intégrée à injec- tion de courant, de type I 2 L comporte un transistor T 1 de type PNP et un transistor T 2 de type NPN, l'émetteur et le collecteur de T étant constitués respectivement par deux zones P diffusées simultanément dans une zone épitaxiée N de manière à former un transistor latéral, ladite zone épitaxiée constituant la base de T 1 et l'émetteur de T 2, ce der- nier comportant m collecteurs obtenus par des diffusions N+ dans la zo- ne de collecteur P de Tl qui constitue ainsi dans les parties sous-jacen- tes auxdites m diffusions N+ les zones de base de T 2 Si l'un quelconque desdits m collecteurs est rétrocouplé sur la base de T 2, les m 1 autres collecteurs étant reliés aux entrées de courant C 21 C 3 Cm sur les- quelles aboutissent des injecteurs de courant non représentés sur la fi- gure, le courant Ie d'une source de courant S reliée à l'entrée du signal e 1 sur l'émetteur de T se retrouve réfléchi en I 2, Im dans lesdits m collecteurs lorsqu'une commande logique appliquée à l'entrée du signal de commutation e 2 sur la base de T 2 rend ce dernier conducteur Les dif- fusions des m collecteurs de T 2 étant très voisines l'une de l'autre on peut admettre que les caractéristiques des m transistors partiels corres- pondants sont identiques si les surfaces des m collecteurs le sont égale- ment; il en résulte l'égalité des courants Il, 12, Im Le calcul montre qu'ils ont pour valeur: I = I I= l I 1 2 m SP IN étant le gain de courant en émetteur commun de T 1 et e N le gain de courant en émetteur commun de chaque transistor partiel de T 2 Si ep et BN sont élevés, les courants Il, I 2, 1 m sont sensiblement égaux au courant injecté I qui se retrouve donc réfléchi dans chacun des collec- teurs de T 2. Afin d'obtenir également la transmission du courant injecté lorsque le signal de commutation *rend le transistor T 2 conduc- teur, l'élément commutateur de courant de la figure 1 comporte de plus, conformément à l'invention, une sortie de signal S à l'interconnexion de la base de T 1 et de l'émetteur de T 2 Le courant transmis en sortie de signal S est alors la somme des différents courants émetteurs de T 2 cor- respondant à ses m collecteurs et du courant base de Tl Par ailleurs, le courant collecteur de T est la somme du courant Il dans le collecteur de T 2 rétrocouplé sur la base de ce transistor et des courants base cor- respondant aux m 1 autres collecteurs de T 2 ( 2 Encombinant N 2 NM ces résultats, on parvient à l'expression du courant transmis I sous sa forme la plus générale: n; T = m 1 + ki i = 2 m k. i 1 1 + 1 +{ i = 2 ' Ni + I s e Pl e courant émetteur correspondant au collecteur i a courant émetteur correspondant au collecteur i 1 courant émetteur correspondant au collecteur 1 e Ni = gain de courant du transistor T 2 correspondant au collecteur i, le collecteur 1 étant celui qui se trouve rétrocouplé sur la base de T 2. Si le rapport k est mis sous la forme Ki = 1 + i, le terme c traduit la dispersion du courant émetteur correspondant au col- lecteur i par rapport au 'courant émetteur correspondant au collecteur 1. Le courant I s'écrit alors: m m + ci i=_ 2 1 ni l+c + 1 + $ p 1 + M 8 N + ci 1 i' = '2 1 + pp BP Les termes ci deviennent sensiblement nuls si les m collecteurs sont iden- tiques et le coefficient de transmission a pour valeur: I s I e m 1 1 + m 1 + p e N + 1 1 + i p Lorsque le signal de commutation rend le transistor T 2 non conducteur, la partie du courant injecté constituée par le courant de collecteur ap Ie de T 1 (ap étant le gain en base commune) se retrouve dérivée vers l'entrée de signal de commutation e 2, tandis que l'autre partie du courant injecté constituée par le courant de base ( 1 ap)Ie de T 1 donne lieu à une transmission indésirable sur la sortie de signal s. 09102 La figure 2 représente le schéma d'un commutateur ana- logique de courant dans lequel le transistor T 2 ne comporte qu'un seul collecteur rétrocouplé sur sa base L'expression ci-dessus du coefficient de transmission montre qu'il devient indépendant des gains de courant et égal à l'unité Le courant Ie injecté à l'entrée de signal e 1 se retrouve donc transmis intégralement à la sortie de signal s, résultat qui peut être avantageusement exploité dans le traitement numérique-analogique du signal. Un moyen de réduire la transmission indésirable du courant de base de T 1 dans l'état non conducteur de T 2 consiste à réali- ser un commutateur schématisé sur la figure 3 et constitué par la mise en cascade de N éléments commutateurs identiques conformes par exemple au schéma de la figure 2, chaque élément i ayant son entrée de signal eîl reliée à la sortie de signal si 1 de l'élément précédent, l'entrée de signal se trouvant sur l'entrée de signal eil du premier élément, la sor- tie de signal sur la sortie de signal S du nème élément et les N sor- n ties de signal de commutation e 21, e 22, e 2 N recevant simultanément la même valeur de signal Ainsi dans l'état conducteur des N transistors commutateurs, le courant injecté Ie est intégralement transmis en sortie de signal tandis que dans leur état non conducteur, le signal indésira- ble transmis a pour valeur ( 1 ctp)nle Pour une valeur moyenne ep = 10 du gain en courant d'un transistor PNP latéral, la transmission indési- rable d'un élément commutateur est sensiblement égale au dixième du cou- rant injecté, ce qui dans l'utilisation d'un tel élément commutateur pour la réalisation de convertisseurs numériques-analogiques fausse notable- ment les grandeurs analogiques correspondant aux faibles poids du signal numérique La mise en cascade de trois éléments commutateurs réduit le signal indésirable dans le rapport 120 Il faut noter que les N éléments commutateurs I 2 L doivent être réalisés dans des caissons isolés les uns des autres. Un exemple d'utilisation est donné par la synthèse d'une fonction sinusoïdale réalisée au moyen d'un convertisseur numéri- que-analogique équipé d'éléments commutateurs conformes au modèle simpli- fié de la figure 2 La figure 4 représente la variation des niveaux syn- thétisés N d'une telle fonction avec la variable angulaire mise sous la forme 1 N + K 8 ' K étant un nombre entier positif ou négatif Ces niveaux synthétisés sont obtenus à partir du tableau I ci-dessous de la façon suivante La deuxième colonne de ce tableau donne les valeurs de sin( l + K ôI) pour K = 0, 1, 2 et 3 On a inscrit dans la troisième co- lonne les niveaux calculés de la fonction obtenus en multipliant les dif- férentes valeurs de sin( 1 + K J) par le facteur 33,3 et dans la quatriè- me colonne du tableau les niveaux synthétisés correspondants avec le chiffre des dixièmes approximé à 5 De cette façon, si l'on se fixe une origine à (K = 1), les différences des niveaux synthétisés succes- sifs ont pour Valeurs les nombres entiers 13, 12, 9 et 5 qui peuvent être reproduits au moyen de la fonction a + b 4 + c 4 + d 4 dans laquelle a, b et c peuvent prendre les valeurs O ou 1 et d a la valeur 1 Par raison de symétrie, ces différences de niveaux obtenues dans le premier quadrant de la variable angulaire se retrouvent identiques au signe près dans les trois autres Elles s'ajoutent successivement dans les zones croissantes de la fonction sinusoïdale et se retranchent de même dans les zones dé- croissantes suivant les seize niveaux d'échantillonnage répartis sur une période, de manière à restituer une variation approchée de la fonction. TABLEAU I K sin( U + K ô) Niveau Niveau 16 8 calculé synthétisé O 0,195 6,5 6,5 1 0,555 18,5 18,5 2 0,B 31 27,9 27,5 3 0,950 32,6 32,5 La figure 5 donne la variation en fonction du temps marqué par un signal d'horloge h des coefficients de pondération a, b, c et d de la fonction définie ci-dessus Chaque période du signal d'horloge correspond à une variation angulaire de J entre deux niveaux consécutifs d'échantillonnage Le signal f et son-complément e sont utilisés pour af- fecter aux différences de niveaux synthétisés le signe + ou le signe - selon que la fonction sinusoïdale est croissante ou décroissante. Le convertisseur numérique-analogique réalisant la synthèse de la fonction sinusoïdale représentée sur la figure 3 est sché- matisé sur la figure 6 Une source de courant 15 alimente un ensemble d'éléments commutateurs identiques conformes au schéma simplifié de la figure 2 et repérés de 1 à 14 Les entrées de signal e de chaque élément commutateur sont interconnectées sur la source de courant 15 de telle sorte que le courant I fourni par cette source se partage également entre les entrées de signal de chaque élément commutateur qui reçoivent chacune un courant i Le dispositif logique I 2 L 16 alimenté par la source de e courant 17 et piloté par le signal d'horloge h issu du générateur-d'horlo- ge 18 élabore les signaux a, b, c, e et f représentés sur la figure 4. L'élément commutateur 1 a son entrée de signal de commutation e 2 reliée au dispositif logique 16 qui lui applique le signal a Les éléments com- mutateurs 2 à 13 sont constitués en trois groupes de quatre, chacun d'eux ayant leurs entrées de signal de commutation e 2 interconnectées et le dis- positif logique 16 appliquant respectivement aux premier et deuxième grou- pes d'entrée e 2 ainsi formés les signaux b et c, tandis qu'un niveau cons- tant d = 1 est appliqué au troisième groupe Le commutateur 14 non utili- sé mais technologiquement implanté avec le précédent est neutralisé en reliant directement à la masse son entrée de signal de commutation Les sorties de signal S des commutateurs 1 à 14 sont de même interconnectées de manière à recueillir la somme pondérée des courantsy ie = a ie + b 4 ie + c 4 ie + d 4 ie proportionnelle à la fonction définie ci- dessus A chaque combinaison des coefficients de pondération a, b, c et d correspond donc la différence de deux niveaux synthétisés consécutifs On obtient ainsi successivement les valeurs 13 ie,-12 ie, 9 ie et 5 i corres- pondant à une variation angulaire par pas de 11/8 dans le premier quadrant de la variable o la fonction sinusoïdale est croissante Lorsque cette fonction devient décroissante dans les second et troisième quadrants, on retrouve les mêmes valeurs de différences de niveaux synthétisés mais af- fectées du signe moins On les retrouve encore mais affectées du signe plus lorsque la fonction redevient croissante dans le quatrième quadrant. Afin d'opérer la transformation de T i e en + E ie, la somme pondérée des courants traverse d'abord un circuit intermédiaire 19 qui sous la forme représentée est un miroir de courant constitué par la paire de transistors T 3 T'3 connectée comme l'indique la figure La somme E 3 ie est transmise ensuite par le collecteur du transistor T'3 sur les émetteurs interconnectés de la paire de transistors T 4 T'4 apparte- nant au circuit 20 qui fonctionne de la façon suivante Lorsque la dif- férence entre deux niveaux synthétisés consécutifs est positive, le si- gnal f est appliqué sur la base du transistor T 4 de façon à le rendre conducteur et le signal e sur la base du transistor T'4 de façon à le rendre non conducteur Par le jeu de miroir de courant formé par les transistors T 5 et T'5, la somme pondérée des courants 3 ie circule sui- vant les flèches indiquées en trait plein à travers les transistors TI 5, T 5 et le transistor T 6 de la paire T 6 TI 6 dont les émetteurs sont in- terconnectés et reliés au collecteur de T 5 De même, lorsque la différen- ce entre deux niveaux synthétisés consécutifs est négative, le signal e rend T'4 passant, tandis que le signal f bloque T 4 Par le jeu de miroir de courant formé par les transistors T 5 et T 15, 5 E e circule suivant les flèches indiquées en pointillés à travers les transistors T" 5, Tl, T'6 et grâce au miroir de courant formé par la paire de transistors T 7 T' à travers le transistor T 8 * On remarque que les flèches en trait plein et en pointillés sont en sens inverse aux bornes du condensateur r connecté entre la masse et le point commun aux collecteurs des transistors T 6 et T 8, ce qui réalise bien le changement de signe escompté lorsque la somma- tion des différences de niveaux synthétisés successives ≥Z ( 7 ie)k effectuée aux bornes de ce condensateur reconstitue la grandeur analogique, k étant un entier compris entre 1 et le nombre de niveaux d'échantillonnage répartis sur une période de la fonction sinusoi- dale. REVENDICATIONS 1 Elément commutateur analogique de courant constitué par une porte logique intégrée à injection de courant de type I 2 L, ayant une entrée de signal sur l'émetteur du transistor injecteur, une entrée de signal de commutation sur la base du transistor commutateur, ce dernier comportant N collecteurs dont l'un est rétrocouplé sur sa base et les n 1 autres sont reliés respectivement à N 1 entrées de courant, ledit signal de commutation imposant audit transistor commutateur soit l'état conducteur pour lequel le courant d'une source de courant injecté sur la- dite entrée de signal se retrouve réfléchi auxdites N 1 entrées de cou- rant, soit l'état non conducteur pour lequel ledit courant injecté est dérivé vers l'entrée de signal de commutation, caractérisé en ce que le- dit élément commutateur comporte de plus une sortie de signal à l'inter- connexion de la base dudit transistor injecteur et de l'émetteur dudit transistor commutateur, de sorte que dans ledit état conducteur, ledit courant injecté se retrouve transmis vers ladite sortie de signal avec un coefficient de transmission déterminé fonction des caractéristiques des- dits transistors de la porte I 2 L. 2 Elément commutateur selon la revendication 1 caractéri- sé en ce que ledit coefficient de transmission devient égal à l'unité lorsque ledit transistor commutateur ne comporte qu'un seul collecteur rétrocouplé sur sa base. 3 Commutateur analogique obtenu à partir de N éléments commutateurs selon les revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ces n éléments commutateurs identiques sont disposés en cascade, chaque élément ayant son entrée de signal reliée à la sortie de signal de l'élément pré- cédent, l'entrée et la sortie de signal dudit commutateur se trouvant respectivement sur l'entrée de signal du premier élément et sur la sortie de signal du nème élément, les N entrées de signal de commutation recevant simultanément la même valeur de signal.