Brevet FR2534086A1 — publié le 19840406

La présente invention concerne des circuits gênérateurs de courant constant et, plus précisément, un circuit générateur de courant constant indépendant de la tension d'alimentation, sus-,- ceptible d'être utilisé dans des circuits intégrés linéaires à basse tension d'alimentation. Comme on le sait, une source de courant constant peut être réalisée simplement en appliquant une tension constante à une résistance suffisamment élevée. Dans les circuits intégrés, o l'on cherche à limiter le plus possible les valeurs des résistances utilisées, les généra- teurs de courant constant sont réalisés avec des circuits qui comprennent, en plus d'une ou de plusieurs résistances de valeur limitée, des éléments actifs tels que les transistors. Un circuit générateur de courant constant de ce type, cou- ramment utilisé par les spécialistes dans ce domaine, comprend un premier transistor de type NPN, monté entre les deux pôles d'un générateur de tension d'alimentation suivant la disposition à émetteur commun. La base du transistor est reliée au pôle positif par l'inter- médiaire d'une résistance et au pôle négatif au moyen d'une diode Zener qui fixe le potentiel de base par rapport au pôle négatif lui-même L'émetteur du transistor est raccordé au pôle négatif à travers une résistance d'émetteur appropriée, tandis que le collecteur est relié au pôle positif au moyen d'une diode qui, avec un second transistor compris dans le circuit, constitue un miroir de courant, dans la branche de sortie duquel est reflété le courant de collecteur du premier transistor. En raison du fait que la diode Zener fixe le potentiel de base du premier transistor et du fait que la tension base-émetteur de ce trana-Istor peut egtre Considirée comme constante, il est appliqué, à la résistance d'émetteur, une tension constante qui détermine un courant d'émetteur et, par suite, de collecteur constant. Le courant constant de collecteur est reflété dans la bran- che de sortie du miroir de courant, sur laquelle peut être bràn- ché un circuit utilisateur. La résistance interne de la diode Zener étant très petite, négligeable par rapport à la résistance à travers laquelle la base du premier transistor est raccordée au pôle positif du géné- rateur de tension d'alimentation, d'éventuelles variations de la tension d'alimentation ne provoquent pas de variations apprécia- bles de la tension entre la base du premier transistor et le pôle négatif, grâce au diviseur de tension constitué par la résistance et par la diode Zener Pour cette raison, on peut, en première approximation, considérer comme constant et indépendant de la tension d'alimentation le courant de collecteur du premier transis- tor. En réalité, la tension sur la résistance d'émetteur étant constante, les variations de la tension d*'alimentation produisent. des variations correspondantes de la tension collecteur-émetteur du premier transistor et, par suite, des variations du courant de collecteur par effet Early. Le circuit décrit ne peut donc être utilisé comme générateur de courant constant que quand la tension d'alimentation est sujette à de petites variations. Une technique connue, qui permet d'obtenir un générateur de courant constant intégrable monolithiquement sans utiliser des références de tension constante, consiste à coupler de manière appropriée deux circuits ayant une structure en miroir de courant. Un circuit générateur de courant constant ainsi obtenu, connu des spécialistes de l'art, comprend un premier circuit en miroir de courant qui contient un premier et un second transistors de type NPN, dont les bases sont reliées entre elles et dont les émetteurs ont des aires différentes l'une de l'autre. L'un des transistors a sa base et son collecteur connectés en diode et une résistance est raccordée à l'émetteur du transis- tor dont l'aire d'émetteur est la plus grande; cette résistance et le rapport entre les aires d'émetteur des deux transistors sont dimensionnés judicieusement, de telle manière que des courants de. grandeur égale passent dans les collecteurs des deux transistors. Le circuit comprend un second -circuit en miroir de courant, constitué par deux transistors de type Pu P, dont l'un a sa base et son collecteur connectés en diode, les bases des deux transis- tors étant reliées entre elles et leurs émetteurs ayant-des aires égales. le circuit comprend également un ou plusieurs transistors de sortie, convenablement accouplés, par exemple suivant une structu- re en miroir de courant, au premier ou au second circuit en miroir de courant qui en font partie. le premier et le second miroirs de courant, montés entre les deux pôles d'un générateur de tension d'alimentation, peuvent avoir les collecteurs des deux transistors de type ?RP reliés direc- tement aux collecteurs des deux transistors de type i PN, suivant une structure en anneau simple, ou accouplés au moyen d'autres transistors "en cascade", suivant des structures connues plus complexes, dans le but d'obtenir une plus grande précision et une meilleure stabilité, au besoin avec l'exigence d'une tension mini- male d'alimentation plus élevée, à cause de la plus grande perte de tension. La technique connue qui vient d'être décrite et un circuit générateur de courant constant, obtenu par cette technique, sont indiqués dans un article de Th Jo van Eessel et RAJ van de Plas- sche intitulé "Integrated linear basic circuits" et publié dans la revue "Philips Technical Review" (vol 32, 1971, n R l, pp 1 à 12, avec référence particulière à la fig 10 de la page 7). Mais il convient de faire observer qu'à cause de l'effet Early, ce type de circuit générateur de courant ne fournit lui aussi un courant constant, indépendant de la tension d'alimenta- * tion, que dans une gamme limitée de variations possibles de cette tension, bien que cette gamme soit beaucoup plus large que celle qui est admise avec le circuit à référence de tension précédemment décrit. Le but de la présente invention est d e réaliser un circuit à basse tension d'alimentation et intégrable monolithiquement_ qui produise un courant constant, réellement indépendant de la tension d'alimentation, et qui soit simple et économique. Dans un circuit générateur de courant constant, à basse tension d'alimentation, intégrable monolithiquement, comportant au moins une première et une seconde bornes de jonction aux pôles d'un générateur de tension d'alimentation et comportant au moins une borne de sortie sur laquelle peut être branché un circuit utilisateur, comprenant un élément de circuit générateur de cou- rant qui présente au moins une borne de commande et présente au moins une première et une seconde bornes, les valeurs des courants de sortie sur cette première et cette seconde bornes étant liées entre elles par un rapport constant de proportionnalité, et com- portant un élément de circuit en miroir de courant qui présente une branche d'entrée, reliée à la première borne de l'élément de circuit générateur de courant, et une branche de sortie, le gain de courant de cet élément de circuit en miroir de courant étant variable avec le niveau de courant, la borne de sortie du circuit étant couplée à l'un au moins de ces éléments de circuit, ce but est atteint par le fait qu'il est prévu un élément de circuit com- paratenr et amplificateur de courant, ayant une première et une seconde bornes d'entrée reliées respectivement à la seconde borne de l'élément de circuit générateur de courant et à la branche de sortie de l'élément de circuit en miroir de courant, et ayant une borne de sortie qui est reliée à une borne de commande de l'élé- ment de circuit générateur de courant. L'invention pourra être bien comprise à l'aide de la descrip- tion détaillée qui suit, donnée purement à titre d'exemple et, par suite, non limitative, en référence au dessin ci-annexé dont l'unique figure est le schéma d'un circuit générateur de courant constant suivant l'invention. Le schéma de circuit générateur de courant constant suivant l'invention qui est représenté sur la figure comprend un premier et un second transistors bipolaires, Tl et T 2, de type P P, dont les bases sont reliées entre elles et dont les émetteurs sont raccordées au pôle positif +Vcc d'un générateur de tension d'ali- mentation. Le circuit comprend aussi un troisième, T 3, un quatrième T 4 et un cinquième T 5 transistors bipolaires, de type MIN Le collec- teur de T 3 est relié au collecteur de Tl; le collecteur de T 2, le lo collecteur de T 4 et la base de T 5 sont reliés entre eux en un noeud de circuit C. La base de T 3 est connectée au collecteur de ce transistor et elle est reliée à la base de T 4. Les émetteurs de T 3 et T 5 sont reliés au pâle négatif -V ce du générateur de tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une même résistance R; l'émetteur de T 4 est également branché sur -V ce Le collecteur de T 5 est relié aux bases de T 2 et Tl, auxquel- les est également raccordée la base d'un sixième transistor bipolai- re T 6 de type NPN, dont l'émetteur est relié à +Vc et dont le collecteur constitue la borne de sortie du circuit Aux bases de Tl et Â 2 est aussi raccordée la borne de sortie d'un circuit d'allumage, non indiqué sur la figure, qui sert à fournir le courant initial minimal pour le fonctionnement du circuit et qui est aussitôt déconnecté On a indiqué en tirets sur la figure un condensateur Cl qui peut être inséré entre le noeud C et le point de jonction des collecteurs de Tl et T 3 pour améliorer les carac- téristiques de stabilité du circuit. On considérera maintenant le fonctionnement du circuit dont le schéma est représenté sur la figure. Les bases des transistors T 1 et T 2 sont reliées entre elles, ce qui fait que les valeiqgs des courants de collecteur de ces transistors sont liées par un rapport constant de proportionnalité. Le transistor X 3, monté en diode, et le transistor T 4 consti- tuent un circuit en miroir de courant qui, à cause de la résistance R, à travers laquelle passe également le courant de collecteur du transistor T 5, a un gain de courant qui varie non linéairement avec le niveau de ce courant La branche d'entrée est la jonction entre la base et le collecteur de T 3, dans laquelle passe, à partir du collecteur de Tl, un courant qui est reflété dans la branche de sortie, constituée par le collecteur de I 5 Au noeud 0, le courant de collecteur de T 4, qui est fonction du courant de collecteur de T 1, est "confronté" au courant de référence qui provient du collecteur de T 2 et le courant "erreur" ou "différence" est amplifié par le transistor T 5 et utilisé pour commander à la base T 1 et T 2, de manière à régler les courants de collecteur de Tl et T 2. En dimensionnant convenablement le circuit, on peut obtenir le réglage automatique du courant de collecteur de Tl, qui est reflété en sortie, à une valeur constante préalablement fixée. Le dimensionnement du circuit suivant l'invention qui est représenté sur la figure est très simple et cette simplicité per- met d'obtenir facilement une précision élevée de fonctionnement, surtout quand le circuit est intégré monolithiquement. On supposera que le circuit est dans des conditions de fonc-. tionnement normal stable, propres à déterminer un courant constant de collecteur II dans le transistor T 1 = const = KI 2 I 2 étant le courant de collecteur de T 2 et K la constante de pro- portionnalité entre les deux courants Du fait que les transistors Tl et T 2 sont commandés par le transistor T 5, qui en règle la conduction, le courant de base de T 5 doit avoir une valeur égale à i = '2 + IB 5 P 5 P 5 h 1 N 5 * 92 il t 5 e 02 15 étant le courant de collecteur de T 5 et,' 2 ' é 5 étant les gains de courant de T 1, T 2 et T 5 respectivement. le courant de base de T 5, dont la valeur doit être celle qui est calculée en premier pour pouvoir régler le courant de collec- teur de Tl à la valeur Il, est, comme on l'a vu, le courant 7 2534086 "erreur" résultant de la comparaison entre le courant de collec- teur I 2 de T 2, proportionnel à k, et le courant de collecteur 14 de T qui est fonction du courant de collecteur I de T 3; il faut donc que soient simultanément satisfaites deux conditions: 1) I 4 = i B 5 i (l K 2) 1 î)= ( (Ki î 3 42)= (l) 3 4 2 I 3) 3 et V 4 étant les gains de courant de T 3 et T 4 respectivemento De l'équation 2), on tire la relation 14 I 3 qui, introduite dans l'équation 1), donne: 14 = (d + + r 4-) ( 1 1) 4 F 35 ' (î 4 & 5 755 ( 12 Pour un gain de courant suffisamment élevé des transistors T 1, T 2, T 3 et T 4 et pour des valeurs pas trop grandes de K, les derniers termes de chaque parenthèse sont négligeables, ce qui fait que l'unique condition pour le dimensionnement du circuit dans des conditions de fonctionnement stable et de courants cons- tants est la suivante: 3) I 3 K I 4 x 4 indépendamment de la tension d'alimentation et du gain du tran- sistor T 5, si celui-ci est au moins égal à 1 ou très proche de 1. Du fait que le courant de collecteur de T 1 dépend à la fois du rapport des aires d'émetteur de T 3 et T 4 et de la valeur de la résistance R, il est toujours possible de fixer préalablement I 1 et, en même temps, de satisfaire la condition 3) ou la condition 3 I 2 14 Le dimensionnement du circuit se révèle particulièrement sim- ple dans le cas o les aires d'émetteur de Tl et T 2 sont égales et, par suite, i = 12 Bn effet, la chute de tension VR à travers la résistance R étant égale à -la différence entre les tensions base-émetteur de T 4 et T 3, VB et VB, avec la relation connue T 4 T 3 BEBE ln Y-3,o me V Bff 4 2 VB^ 3 1 I 3 + 43 comme I) 3 I 4 ? il reste une seule condition pour le dimensionnement: VR ln q Ai On supposera maintenant que, dans le circuit représenté sur la figure, convenablement dimensionné pour une valeur déterminée du courant Il, il se produise une variation de celle-ci par rap- port à la valeur prdétablie (par exemple une augmentation due, par effet Barly, à une augmentation de la tension d'alimentation). La-chute de tension à travers la résistance R augmente, ce qui fait que la tension base-émetteur V de T 4 augmente aussi; il se produit alors une augmentation du courant I absorbé par T 4, supérieure à la variation de I et, par suite, une diminu- tion du courant de base de T 5. Les courants de collecteur et d'émetteur de T 5 décroissent et, en conséquence, il se produit en même temps une diminution de la conduction de T 2 et de Tl et de la chute de tension à travers R, de telle manière que les conditions stables initiales soient rétablies. Il se produit l'inverse pour une diminution de la valeur de h par rapport à la valeur pré-établie et, dans ce cas, le courant h est également ramené à cette valeur pré-établie. C'est ce qui a lieu par exemple à ltallumage du circuit, lorsque le petit courant initial, du au circuit d'allumage, aussi- t 8 t déconnecté, est porté rapidement au niveau voulu. Afin d'éviter des oscillations nuisibles du système pendant le contrôle et le réglage du courant généré, il est en général intercalé, entre le noeud C et le point de jonction des collecteurs de Tl et ? 3, un condensateur approprié comme on l'a indiqué en tirets sur la figure ou une résistance plus économique, quoique aux dépens de la précision du réglage. Un circuit générateur de courant suivant l'invention se prête particulièrement bien à une intégration monolithique: dans ce cas. en effet, il est économique industriellement, en raison de la simplicité de réalisation et en raison du nombre réduit de compo- sants. I 1 est également très avantageux par le fait qu'il exige une basse tensionminimnale d'alimentation ( 0,8 V environ), tout en présentant une précision élevée de fonctionnement avec toutes les valeurs de tension d'alimentation, sa "perte de tension" (ou la tension minimale nécessaire afin que le circuit conserve Bse caractéristiques de fonctionnement typiques) étant seulement égale à la somme d'une tension base-émetteur et d'une tension de satu- ration collecteur-émetteur. Etant donné qu'il n'a été illustré et décrit qu'un seul exem- ple d'exécution de l'invention, il va de soi que de nombreuses variantes sont possibles, sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de l'invention. Par exemple, l'émetteur du transistor T 5 pourrait 8 tre relié directement au pôle négatif -V * Bn outre, les deux types de - ce transistors pourraient être interchangés, sans que cela nuise au fonctionnement du circuit. Le transistor de sortie T 6 pourrait être également raccordé au transistor X 4, plutôt qu'au transistor T 1. J REVENDICATIONS 1 Circuit générateur de courant constant à basse tension d'alimentation, intégrable monolithiquement, comportant au moins une première et une seconde bornes de jonction aux pâles d'un générateur de tension d'alimentation et comportant au moins une borne de sortie sur laquelle peut être branché un circuit utili- sateur, comprenant un élément de circuit générateur de courant qui présente au moins une borne de commande et présente au moins une première et une seconde bornes, les valeurs des courants de sortie sur cette première et cette seconde bornes étant liées entre elles par un rapport constant de proportionnalité, et com- prenant un élément de circuit en miroir de courant qui présente une branche d'entrée, reliée à la première borne de l'élément de circuit générateur de courant, et une branche de sortie, le gain de courant de cet élément de circuit en miroir de courant étant variable avec le niveau de courant, la borne de sortie du circuit étant couplée à l'un au moins de ces éléments de circuit, carac- térisé en ce qu'il comprend un élément de circuit comparateur et amplificateur de courant, ayant une première et une seconde bornes d'entrée reliées respectivement à la seconde borne de l'élément de circuit générateur de courant et à la branche de sortie de l'élément de circuit en miroir de courant, et ayant une borne de sortie qui est reliée à une borne de commande de l'élé- ment de circuit générateur de courant. 2 Circuit générateur de courant constant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de circuit générateur de courant comprend un premier fi Tl) et un second (T 2) transistors, présentant un premier type de conductivité et comportant chacun une première, une seconde bornes et une-borne de commande, la première borne du premier (TI 1) et du second (T 2) transistors étant reliée à un pre- nier pôle (+Vcc) du générateur de tension d'alimentation, la seconde borne du premier transistor (T 1) et la seconde borne du second transistor (T 2) étant respectivement la première et la seconde bornes de sortie de l'élément de circuit, la borne de commande du premier transistor (TI 1) étant reliée à la borne de commande du second transistor (T 2), cette jonction constituant la borne de commande de l'élément de circuit générateur de courant, caractérisé en outre en ce que l'élément de circuit en miroir de courant comprend un troisième ( 23) et un quatrième (T 4) transis- tors, présentant un second type de conductivité opposé au premier et comportant chacun-une première, une seconde bornes et une borne de commande, la première borne du troisième transistor (T 3) étant reliée, par l'intermédiaire d'une résistance (R), au second pôle (-V c) du générateur de tension d'alimentation, à laquelle est également reliée la première borne -du quatrième transistor (T 4), la borne de commande du quatri Sème transistor (T 4) étant reliée à la borne de commande du troisième transistor (o 3) qui -est connec- tée à la seconde borne du-même troisième transistor (T 3), cette 2 D jonction entre la borne de commande et la seconde borne du troi- sième transistor (T 3) constituant la branche d'entrée de l'élément de' circuit en miroir de courant, dont la branche de sortie est constituée par la seconde borne du quatrième transistor (T 4), et en ce que l'élément de circuit comparateur et amplificateur de courant comprend un noeud comparateur (a)> relié à la seconde borne de sortie de l'élément de circuit générateur de courant et à la branche de sortie de l'élément de circuit en miroir de cou- rant, et un cinquième transistor ( 25) ayant une première borne branchée sur le second p 8 le (-V c) du générateur de tension d'ali- mentation, une seconde borne relide à la borne de commande de l'élément de circuit générateur de courant et une borne de commande reliée au noeud comparateur ( 0). Circuit générateur de courant constant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première borne du cinquième transistor (T 5) est reliée au second pôle (a Vïe) du générateur de tension il d'alimentation par l'intermédiaire de la même résistance (R) à travers laquelle la première borne du troisième transistor (T 3) est reliée à ce pôle, et en ce que le cinquième transistor (T 5) a une conductivité du second type. 4 Circuit générateur de courant constant selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il compreind un sixième transistor (T 6), raccordé au moyen d'une borne de com- mande à la borne de commarne du premier transistor (T 1), ayant une première borne reliée au premier pôle (+Vco) du générateur de tension d'alimentation et ayant une seconde borne qui constitue le borne de sortie du circuit. Circuit générateur de courant constant selon l'une quelcon- que des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les transis- tors compris dans le circuit sont des transistors bipolaires, la première borne, la borne de commande et la seconde borne de chacun desquels étant respectivement l'émetteur, la base et le collecteur. 6 Circuit générateur de courant constant selon la revendication , caractérisé en ce que le premier (T 1) et le second (R 2) tran- sistors ont des aires dtémetteur égales, tandis que l'aire d'émetteur du troisième transistor (T 3) est plus grande que l'aire d'émetteur du quatrième transistor (T 4), le rapport entre les aires d'émetteur du troisième (T 3) et du quatrième (T 4) transis- tors et la valeur de la résistance (R) étant choisis de manière à déterminer, dans les collecteurs du trpisième (T 3) et du quatriè- me (T 4) transistors, le passage de courants de grandeur égale.