Brevet FR2506043A1 — publié le 19821119

REGULATEUR DE TENSION INTEGRE, A COEFFICIENT DE TEDPERATURE NUL OU IiPOSE. La présente invention concerne les circuits intégrés dans lesquels on a besoin de références de tension stables en température, et elle a pour objet un élément de circuit de régulation intégré pour fournir une telle référence de tension. On a déjà proposé d'utiliser comme régulateur un circuit représenté à la figure 1, qui comprend essentiellement un. transistor bipolaire Q monté en diode, en série avec une résistance R, le tout alimenté par une source de courant produisant un courant I proportionnel a la température absolue T et inversement proportionnel à une autre résistance R'. On sait réaliser un tel courant de la forme I = KT/R' (K étant une constante), en circuit intégré au silicium. I1 apparatt alors aux bornes de l'ensemble en série du transistor Q et de la résistance R alimentés par le courant I, une tension Vr égale à Vbe + KTR/R' si Vbe est la tension émetteurbase du transistor Q. Dans un circuit intégré au silicium, R et R' peuvent dépendre de la température, mais, si elles sont de même nature, leur rapport reste constant. Quant à Vbe, qui est la tension aux bornes d'une jonction n-p au silicium polarisée en direct, elle varie pratiquement de manière constante (environ - 2 mV/OC à température ordinaire). te coefficient de température de Vr, qui est dVr/dT=dVbe/dT + KR/R', s'annule donc pour KRfR'= environ 2mVO/C ; à température ordinaire d'environ 3000K, KTR/R' devra donc être environ égal a 0,60 volt si on s'impose un coefficient de température nul pour Vr ; quant à Vbe, c'est la tension directe d'une jonction au silicium, soit environ 0,65 volts (à titre d'exemple). On constate donc qu'il n'y a qu'une valeur de Vr pour laquelle le coefficient de température est nul : c'est Vr = 0,60 + 0,65 volts environ, donc 1,25 volts. On arrive donc a réaliser un régulateur de tension à 1,25 volts, stable en température, avec le montage de la figure 1, en choisissant convenablement I et R pour que RI, donc KTR/R' soit é- gal à 0,60 volt (par exemple I - 100 microampères, R = 6000 ohms). On pourrait de la même façon réaliser un régulateur ayant un coef escient de température désiré non nul, mais pour une autre valeur de Vr. Ce circuit de principe a été largement utilisé avec divers agencements permettant de produire le courant I proportionnel à la température absolue et inversement proportionnel à une résistance. Mais les schémas de circuits proposés ne permettent pas de réaliser un régulateur de type shunt à deux bornes comportant un petit nombre de composants donc peu encombrant dans un circuit intégré. On rappelle qu'un régulateur shunt à deux bornes est un élément de circuit que l'on peut insérer entre deux points d'une autre partie de circuit et qui impose entre ces deux points une différence de potentiel fixe indépendante du courant qui traverse le régulateur.On voit bien sur le sehéma de la figure 1 que si A et B sont les deux bornes du régulateur, il est difficile d'imposer dans le transistor Q et la résistance R un courant KT/R' indépendamment du courant qui peut être injecté à partir des bornes A et B. Un des buts de la présente invention est de proposer un circuit très simple permettant en particulier de réaliser un régulateur shunt à deux bornes à partir d'un petit nombre de transistors et de résistances intégrés. Un autre but de la présente invention est de proposer un circuit qui permette d'obtenir une tension de référence différente de 1,25 volts ; en effet, le circuit de la figure 1 ne fournit une tension stable en température que si on impose le courant I et la résistance R de manière à avoir Vr = 1,25 volts. A la rigueur, on peut multiplier cette tension par un nombre entier en mettant en série deux transistors. La présente invention permet au contraire d'obtenir une. tension de référence quelconque supérieure, égale ou inférieure à 1,25 volt et ayant malgré tout un coefficient de température nul, ou plus généralement un coefficient de température souhaité, positif ou négatif. Le circuit de base de l'invention comprend, entre une première et une seconde borne, une première résistance en série avec un premier transistor monté en diode, un deuxième transistor ayant sa base reliée à celle du premier, son émetteur relié par une deuxième résistance à la deuxième borne à laquelle est aussi relié ltémetteur du premier transistor, et son collecteur relié au collecteur d'un troisième transistor monté en diode et ayant son émetteur relie à la première borne, le deuxième transistor ayant une surface d'émetteur dans un rapport connu supérieur à 1 avec celle du premier, un quatrième et un cinquième transistors étant prévus pour recopier respectivement les courants du premier et du troisième transistors, le quatrième ayant sa base et son émetteur reliés à la base et à ltémetteur du premier, son collecteur relié au collecteur du cinquième, ltémetteur et la base du cinquième transistor étant reliés à l'émetteur et à la base du troisième, un amplificateur ayant son entrée reliée au collecteur du quatrième transistor pour recevoir la différence entre les courants dans les quatrième et cinquième transistors et ayant sa sortie reliée à l'une des bornes du circuit pour dériver vers l'autre borne un courant variant en fonction du signe du déséquilibre des courants dans les quatrième et cinquième transistors, dans un sens tendant à annuler ce déséquilibre. Le circuit de régulation très simple qui vient d'être décrit permet théoriquement de définir une tension de référence quelconque entre les deux bornes : c'est la tension, qui s'établit automatiquement, pour laquelle les courants dans les quatrième et cinquième transistors sont égaux. Mais, cette tension ne présente un coefficient de température nul que si on choisit convenablement le rapport des deux résistances mentionnées (compte tenu du rapport entre les surfaces d'émetteur des premier et deuxième transistors). Le rapport des résistances qu'on est amené à choisir pour remplir cette condition fixe encore la valeur de référence Vr à 1,25 volts (avec un circuit toutefois très simple et tres performant). Pour diminuer la tension de référence Vr en gardant la possibilité d'agir sur le coefficient de température, on ajoute au circuit de base une troisième résistance reliée entre l'émetteur du deuxième transistor et la première borne du circuit. Le coefficient de température sera nul pour une valeur choisie de Vr à condition de choisir convenablement les rapports entre les deuxième et première résistances, d'une part. et entre les troisième et première résistances, d'autre part. Au contraire, pour augmenter la tension de référence Vr en gardant la possibilité de régler le coefficient de température, on ajoute au circuit de base une quatrième résistance en parallèle sur le premier transistor monté en diode. Le coefficient de température sera nul pour une valeur choisie de Vr à condition de choisir convenablement les rapports entre les premiere et quatrième résistances, d'une part, et les première et deuxième résistances, d'autre part. Plus généralement d'ailleurs, le choix approprié des rapports de résistances mentionnés permet, aussi bien dans le circuit de base que dans les circuits comportant la troisième ou la quatrième résistance, d'obtenir à la fois une tension de référence désirée et un coefficient de température souhaité, pas forcément nul. Si la troisième et la quatrième résistances sont simultanément présentes, on peut aussi les choisir convenablement pour obtenir à la fois une tension de référence désirée et un coefficient de température désiré, nul ou non. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 déjà décrite montre un circuit de principe pour l'obtention d'un régulateur à coefficient de température nul, - la figure 2 montre le circuit selon l'invention. Le circuit de la figure 2 est un régulateur shunt à deux bornes A et B, qui peut être connecté entre deux points d'un circuit entre lesquels il imposera une différence de potentiel fixe. Le circuit comprend un premier transistor Q1 de type NPN (émetteur relié à B, base et collecteur réunis à une première résistance R1 reliée par ailleurs a A), et un deuxième transistor NPN, Q2 (base reliée à celle de Ql, émetteur relie a une deuxième résistance R2 elle-m8me reliée à B, collecteur relié au collecteur et à la base d'un troisième transistor PNP, Q3, monté en diode, ayant son émetteur relié à A). Si la surface d'émetteur du transistor Q1 est SE, celle de Q2 est supérieure à SE (dans la pratique un multiple p de SE, p pouvant être de l'ordre de 8 à 10). Un quatrième transistor Q4, NPN, a sa base et son émetteur reliés à ceux de QI, et son collecteur relié au collecteur d'un cinquième transistor, Q5, PNP, dont la base et ltémetteur sont reliés à ceux de Q3. La surface d'émetteur du transistor Q4 peut être différente de SE, mais il faut que le rapport entre les surfaces d'émetteur de Q3 et Q5 soit le meme que le rapport entre les surfaces d'émetteur de Q4 et Q1. Enfin, un amplificateur Am a une entrée reliée au point de jonction entre les collecteurs des transistors Q4 et Q5 et a ses bornes de sortie reliées en parallèle entre les bornes A et B, pour dériver entre ces bornes un courant variable en- fonction du courant qu'il reçoit sur son entre, c'est-à-dire en fonction de la différence entre le courant I4 dans le collecteur du transistor Q4 et le courant I5 dans le collecteur du transistor Q5. Le circuit ainsi décrit constitue le circuit de base auquel on peut adjoindre soit une résistance R3 (entre la borne A et ltémetteur du transistor Q2), soit une résistance R4 (en parallèle sur le transistor Q1), soit même les deux. Le principe de fonctionnement du circuit est le suivant l'existence d'une tension aux bornes A et B provoque le passage d'un courant dans la résistance R1 et dans le transistor Q1. Soit I le courant dans le transistor Q1. On sait qu'on peut exprimer alors la tension émetteur-base Vbel de ce transistor sous la forme approchée suivante kT I kT Vbel = Vgo ±Log - - n -Log T q hSE q ou : - Vgo est la largeur de bande interdite extrapolée linéaire ment à Oc Kelvin, - k est la constante de Boltzmann, - q est la charge de l'électron, - T la température absolue, - h une constante liée à la technologie, - SE la surface d'émetteur du transistor, - n une constante liée à la technologie. Le transistor Q4 est monté de manière à recopier le courant de Q1. Le transistor Q5 recopie le courant du transistor Q3 qui est justement le courant dans le transistor Q2 puisque les collecteurs des transistors Q3 et Q2 sont reliés en série. L'amplificateur Am reçoit la différence entre les courants I4 dans Q4 et I5 dans Q5 et agit pour augmenter ou diminuer son courant de sortie selon le signe et l'amplitude de la différence des courants I4 et I5. L'amplificateur Am agit donc comme une boucle de contre-réaction pour modifier le courant global consommé par le régulateur entre les bornes A et B, dans un sens tel que la différence entre I4 et I5 tende toujours à revenir vers zéro (ou vers une valeur d'autant plus proche de zéro que le gain de l'amplificateur Am es-t plus grand). A ltéquilibre par conséquent on doit avoir pratiquement I4 = I5 ce qui correspond à une égalité des courants dans les transistors Q1 et Q2 puisque I4 et I5 sont des courants de recopie des courants dans Q1 et Q2. On a donc un courant I dans le transistor Q2 comme dans le transistor Q1. On peut donc écrire la tension émetteur-base Vbe2 du transistor Q2 sous la même forme approchée que Vbel kT I kT Vbe2 = Vgo + -Log - n - Log T q hxpxSE q Il en résulte immédiatement que la différence des tensions Vbel et Vbe2 est Vbel - Vbe2 = (k T/q)Log p où p est le rapport entre les surfaces d'émetteur du transistor Q2 et du transistor Q1. Cette tension est la tension Vd qui apparaît aux bornes de la résistance R2 qui, elle, est justement connectée entre les émetteurs de Q1 et Q2. A partir de là on peut calculer la tension Vr qui apparaîtra automatiquement entre les bornes A et B, grâce à l'asservissement par l'amplificateur Am, lorsque le régulateur sera inséré dans un circuit. Vr est la somme de la tension Vbel et de la chute de tension dans R1. Cette dernière est le produit de la résistance R1 par le courant qui la parcourt donc par la somme des courants dans Q1 (I) et dans R4 (Vbel/R4). Vr = Vbel + R1 (I + Vbel/R4) Or I est la différence entre le courant dans R2 : Vd/R2 et celui dans R3 : (Vr-Vd)/R3 I = Vd/R2 -(Vr-Vd)/R3 En eliminant I entre les deux dernières équations, on obtient (R1/R2 + R1/R3) (1 + R1/R4) Vr = Vd ------ + Vbel - ----------- (1) 1 + R1/R3 1 + R1/R3 avec Vd = (kT/q) Log p Vr est donc de la forme Vr = CVd + D Vbel (2) ou Vd est une fonction (linéaire) de la température uniquement et Vbel est une tension directe de diode ayant donc un coefficient de température négatif que l'on peut calculer ; sans rentrer dans le détail de ce calcul, on peut montrer que dVbel/dT est peu différent de (Vbel - Vx) / T ou Vx est de la forme Vx = Vgo - (r - n) kT/q, r et n étant deux constantes liées a la technologie. En fait, à une température ordinaire d'environ 300 Kelvin, Vx est justement égal à 1,25 volts environ et dVbel/dT à - 2m V/ C environ. C et D sont des coefficients dépendant uniquement de rapports de résistances donc indépendants de la température. Le coefficient de température de la tension de référence Vr est dVr/dT = C dVd/dT + D dVbel/dT = (C(k/q)Log p + D (Vbel - Vx))/ T = (C(kT/q) Log p -+ D Vbel - DVx) / T = (CVd + D Vbel - DVx) / T (Vr - DVx) / T Il s'annule pour Vr = DVx. On peut donc déterminer la valeur de D qui permet d'obtenir un coefficient de température nul pour une valeur désirée de tension de référence Vr 1 + R1/R4 D = Vr / Vx avec D = ----- (3) 1 + R1/R3 Si on s'impose un rapport donné, R1/R4 ou R1/R3, on en déduit 1'autre. Puis, on se reporte à l'équation (2) pour calculer C qui est C = (Vr - D Vbel)/Vd = D (Vx - Vbel)/Vd (4) avec C = (R1/R2 + R1/R3) / (1 + R1/R3) (5) Vbel est environ 0,65 volt (et sa valeur peut d'ailleurs être précisée mieux après un premier calcul approché). Vd est connu à température ordinaire compte tenu du rapport p des surfaces d'émetteur de Q2 et Q1. Vr est la valeur désirée pour la tension de révérence. On calcule donc C et, comme on a déjà calculé R1/R3, on en déduit immédiatement R1/R2 par l'équation (5). Les trois rapports R1/R2, R1/R3 et R1/R4 étant choisis de manière à satisfaire sensiblement aux équations (3) à (5), il suffit de s'imposer la valeur de l'une des résistances (par exemple R1) pour avoir les autres. On peut choisir R1 en fonction du courant I que l'on souhaite dans les transistors Ql et Q2. De la valeur de I on peut d'ailleurs déterminer plus précisément Vbel pour une jonction au silicium à température ordinaire et affiner le calcul fait précédemment. Ayant exposé le cas général du calcul, on peut mentionner maintenant que trois cas sont particulièrement simples 1") si on veut Vr = Vx on ne mettra pas de résistances R3 et R4 dans le circuit (R3 et R4 infinies) : ctest le circuit de base alors, D=l, et Rl/R2=(Vx - Vbel)/Vd ou Pl/R2=(Vx-Vbel)/(kT/q)Log p 2") si on veut VrV Vx, D > l, on pourra supprimer R3 (R3 infini) ; on trouve immédiatement R1/R4 = Vr/Vx - 1 (éq.(3)) avec Vx = 1,25 volt environ ; on en déduit C (en général plus grand que 1) par ltéquation (4) avec R1/R2 = C puisque R3 est infini (éq.(5)) ; on choisit R1 et on en déduit R2 et R4. 3 ) si on veut Vr D = Vr / Vx, avec D = 1 / (1 + R1/R3) (Vx = 1,25 volt environ), ce qui permet de calculer R1/R3 = (1,25 / Vr) - 1 ; De la valeur de D, on calcule celle de C ; or, C = (R1/R3 + R1/R2) / (1 + R1/R3). On déduit donc R1/R2 ; on choisit R1 et on trouve R3 et R2. En résumé, le calcul est plus simple dans ces cas particuliers et on peut donc avoir avantage à choisir une résistance R3 ou R4 infinie selon qu'on veut Vr supérieur ou inférieur à 1,25 volts. Cependant, on peut obtenir le meme résultat (à savoir une tension de référence quelconque avec un coefficient de température nul) avec quatre résistances non infinies. On pourrait faire un calcul des coefficients C et D, donc des valeurs de rapports de résistances RI/R3, R1/R4 et R1/R2 nécessaires pour obtenir, pour une tension de référence souhaitée Vr, un coefficient de température non pas nul mais ayant une valeur imposée. La démarche de calcul est la même excepté pour le fait que D n'est plus égal à Vr/Vx mais à Vr/Vx - (T/Vx) (dVr/dT). La encore, le calcul est plus simple si R3 ou R4 est infinie. On a ainsi décrit un circuit de constitution très simple, parfaitement adapté à une intégration, ayant cinq transistors (plus un ou plusieurs transistors dans l'amplificateur Am), et quatre résistances dont une ou deux peuvent etre supprimées, et qui permet, grâce à un choix approprié des rapports de ces résistances, d'obtenir une tension régulée à coefficient de température nul ou imposé, pouvant aller aussi bas que 0,8 à 0,9 volts. REVENDICATIONS. 1. Circuit de régulation de tension earactérisé par le fait qu'il comprend, entre une premiere et une seconde borne (A, B), une première résistance (R1) en série avec un premier transistor (Q1) monté en diode, un deuxième transistor ayant sa base reliée à celle du premier, son émetteur relié par une deuxième résistance (R2) à la deuxième borne (B) a laquelle est aussi relié l'émetteur du premier transistor (Q1), et son collecteur relié au collecteur d'un troisième transistor (Q3) monté en diode et ayant son émetteur relié à la première borne (A), le deuxième transistor (Q2) ayant une surface d'émetteur dans un rapport connu p supérieur à 1 avec celle du premier, un quatrième et un cinquième transistors (Q4, Q5) étant prévus pour recopier respectivement les courants du premier et du troisième transistors, le quatrième ayant sa base et son émetteur reliés à ceux du premier et son collecteur relié au collecteur du cinquième, ltémetteur et la base du cinquième étant reliés à ceux du troisième, un amplificateur ayant son entrée reliée au collecteur du quatrième transistor pour recevoir la différence entre les courants dans les quatrième et cinquième transistors et ayant sa sortie reliée à l'une des bornes du circuit pour dériver vers l'autre borne un courant variant en fonction du signe de cette différence de courants, dans un sens tendant à annuler ce déséquilibre. 2. Circuit deUrégulation de tension selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les premier, deuxième et cinquième transistors sont des transistors NPN et les troisième et quatrième transistors sont des transistors PNP, et que le rapport p entre les surfaces du deuxième et du premier est d'environ 8 à 10. 3. Circuit de régulation de tension selon l'une des revendications 1 et 2, caracterisé par le fait que le rapport entre les valeurs des première et deuxième résistances est sensiblement R1/R2 = (Vx - Vbel) / (kTjq) Log p où Vx est environ égal à 1,25 volts Vbel est environ égal à 0,65 volts k est la constante de Boltzmann q la charge de ltélectron et par le fait que la tension apparaissant entre les bornes du circuit est d'environ 1,25 volts. 4. Circuit de régulation de tension selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'une troisième résistance (R3) est prévue entre la première borne du circuit et ltémetteur du deuxième transistor, que la tension Vr apparaissant aux bornes du circuit est inférieure à 1,25 volts, que le rapport entre les première et troisième résistances est sensiblement R1/R3 = (1,25 / Vr) - 1. 5. Circuit de régulation de tension selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le rapport entre les première et deuxième résistances remplit sensiblement la condition R1/R3 + RljR2 Vr (Vx - Vbel) 1 + R1/R3 Vx (kT/q) Log p ou R1/R3 = (1,25 / Vr) - 1 Vx est environ 1,25 volts Vbel environ 0,65 volt k la constante de Boltzmann et q la charge de ltélectron, T la température absolue. 6. Circuit de régulation de tension selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'une quatrième résistance (R4) est prévue en parallèle sur le premier transistor, que la tension Vr apparaissant aux bornes du circuit est supérieure à 1,25 volts, que le rapport entre la première et la quatrième résistance est sensiblement R1/R4 = (Vr / 1,25) - 1. 7. Circuit de régulation de tension selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le rapport entre les première et deuxième résistances est Vr (Vx - Vbel) R1/R2 = - ------- Vx (kT/q) Log p où les définitions sont les mêmes que la revendication 5. 8. Circuit de régulation de tension selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'une troisième résistance (R3) est connectée entre la première borne (A) et l'émetteur du deuxième transistor (Q2), qu'une quatrième résistance (R4) est prévue en parallèle sur le premier transistor (Q1) et que les rapports entre les résistances satisfont sensiblement aux conditions 1 + R1/R4 - = Vr / Vx et 1 + R1/R3 Rl/R2 + R1/R3 Vr (Vx - Vbel) 1 + R1/R3 Vx (kT/q) Log p ou les définitions sont les mêmes qura la revendication 5.