Brevet FR2542891A1 — publié le 19840921

' La présente invention concerne des circuits élec- triques destinés à produire des signaux de sortie selon une fonction logarithmique L'invention porte plus particuliè- rement sur un circuit perfectionné destiné à produire un signal de sortie logarithmique indépendant de la températu- re. Diverses sortes de circuits logarithmiques analo- giques ont été utilisés industriellement depuis de nombreu- ses années Parmi ces circuits figurent des amplificateurs logarithmiques (ayant un seul signal d'entrée variable) et des circuits à rapport logarithmique (ayant deux signaux d'entrée variables) la fonction logarithmique est établie de façon générale par une paire de jonctions PN opposées acheminant des courants respectifs Il, I 2, et la tension différentielle k T/q (in 1/I 2) est utilisée en tant que si- gnal de sortie fondamental Du fait que le signal de sortie est proportionnel à la température absolue, il est évident qu'une certaine forme de compensation dé température doit 9 tre accomplie pour tout circuit de ce type devant fonc- tionner de façon précise à des températures variables. Il est apparu un problème dans la réalisation de circuits logarithmiques compensés en température qui con- viennent pour la fabrication sous forme monolithique, c'est- à-dire sous forme de puces de circuit intégré Dans des cir- cuits antérieurs, on utilise couramment une résistance ayant un coefficient de température élevé pour effectuer la com- pensation de température nécessaire Il est cependant dif- ficile de fabriquer une telle résistance sous forme monoli- thique Il en résulte qu'on utilise généralement une résis- tance externe à coefficient de température élevé Ceci n'est pas satisfaisant du fait que le produit doit alors être fa- briqué sous la forme d'un module au lieu de l'être sous une forme totalement monolithique. Conformément à l'invention, on réalise des cir- cuits logarithmiques (du type amplificateur logarithmique 2542891 - ou du type à rappocrt logarithmioue) dans lesquels la nécessi- té de composants spéciaux, tels qu'une résistance de compen- sation de température, est éliminée par l'utilisation d'un circuit de compensation basé uniquement sur le comportement de jonctions Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on applique des courants d'entrée Il 12, à une paire de jonctions P-N opposées, pour produire la relation logarithmique fondamentale Le signal de rapport logarith- mique résultant est appliqué à un circuit de compensation comprenant une seconde paire de jonctions P-N dont les émet- teurs communs sont alimentés par une source de courant pro- duisant un courant proportionnel à la température absolue (ou en abrégé PTA). Le courant PTA qui est divisé entre les jonctions de la seconde paire est modulé conformément auv rapport lo- garithmique (ln I 1/I 2);Iet les variations induites par la température qui sont introduites dans la première paire de jonctions sont compensées par des variations égales et op- posées, induites par la température, qui sont introduites par la source de courant PTA Un signal de sortie final proportionnel au facteur de modulation est produit dans la seconde paire de jonctions, et ce ignal de sortie est indé- pendant de la température. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'une version relative- ment simple du circuit de base, illustrant les principes de l'invention; La figure 2 représente un mode de réalisation mo- difié utilisant une configuration de circuit équilibrée; La figure 3 est une représentation plus détaillée d'un circuit du type représenté sur la figure 2; et La figure 4 montre une version modifiée de la partie centrale du circuit de la figure 2. On va maintenant considérer la figure 1 qui mon- tre une version relativement simple d'un circuit logarith- mique comprenant une paire de transistors appariés Q 1, Q 2 ayant une connexion d'émetteurs commune pour former des jonctions P-N opposées La base de Q 1 est mise à la masse et son collecteur est connecté à une borne d'entrée 10 pour recevoir un courant d'entrée variable Il Cette borne d'en- trée est également connectée à l'entrée d'un amplificateur inverseur de gain élevé, 12, dont la sortie attaque la con- nexion d'émetteurs commune de Q 1, Q 2, ce qui impose la cir- culation du courant Il dans Q 1. le collecteur de Q 2 reçoit un courant provenant d'une source I 2 qui est un courant constant dans le cas d'une application correspondant à un amplificateur logarith- mique, ou un courant variable dans le cas d'une application correspondant à un rapport logarithmique L'amplificateur 12 fournit le courant I 2 à la demande. La base de Q 2 est connectée à la masse par une résistance R et elle est également connectée au collecteur d'un transistor Q 3 La base de Q 3 est connectée à la masse et son émetteur est connecté à l'émetteur d'un transistor apparié Q 4 dont le collecteur est connecté à la masse les émetteurs communs de Q 3, Q 4 sont connectés à une source de courant IT qui produit un courant PTA (c'est-à-dire propor- tionnel à la température absolue) Q 3 achemine une fraction x IT du courant PTA, tandis que Q 4 achemine le courant res- tant (l-x) k TE On voit que le courant de collecteur de Q 3 tra- verse également la résistance R La tension à l'extrémité supérieure de la résistance est donc -x ITR par rapport à la masse Par conséquent; l'équation de maille de la base connectée à la masse de Q 1 jusqu'à la base connectée à la masse de Q 3 peut s'écrire sous la forme suivante: k T ln Il = k T q N2 ITR ( 1) q S q I en désignant par Is le courant de saturation de jonction. Pour simplifier l'analyse, uniquement dans un but d'exposi- tion, on supposera que le produit ITR est fixé à la valeur k T/q En reportant ceci dans l'équation ( 1), on obtient: I k T 12 k T q q q 2 1 N À_ lar N + x-k ( 2) En combinant les ternes et en divisant par k T/q, on obtient: I 1 I 2 ln in = x ( 3) Is Is s s ou x = N ( 4) le facteur de modulation "x" est ainsi directement propor- tionnel au rapport logarithmique désiré, et est exempt d'effets de température Pour obtenir un signal de sortie correspondant, il suffit de produire un signal de sortie correspondant à "x" On peut accomplir ceci, comme le montre la figure 1, en employant une troisième paire de jonctions P-N appa- riées, Q 5 ' Q 6 ' connectées à la base de Q 4 et branchées se- lon une configuration symétrique Une source à courant constant IR est connectée aux émetteurs communs de Q 5, Q 6 On voit que le courant traversant Q 6 est égal à x I Ri, et est donc utilisable en tant que courant de sortie IS Pour pro- duire une tension correspondante, on peut connecter le col- lecteur de Q 6 à un amplificateur inverseur de gain élevé, , ayant une résistance de réaction Rse la tension de sor- tie est alors: ES = IR Rs ln ( 5) I 2 On voit ainsi que la tension de sortie est indépendante de la température et est produite sans nécessiter de-composants spéciaux tels que des résistances à coefficient de tempéra- _ 30 ture élevé Un tel circuit peut donc être réalisé aisément 2542891: entièrement sous forme monolithique. Dans une application d'amplificateur logarithmique, dans laquelle I 2 est fixe, la tension d'erreur au noeud N n'est pas très importante, du fait de la possibilité d'une commande par courant; les courants de base faibles pour QV Q 5 peuvent être négligeables Le courant I' est produit ai- sément par un circuit Ego par exemple du type général qui est représenté sur la figure 2 du brevet US 3 940 760 On peut également noter que si IR et IT sont presque identiques, le circuit ne nécessite même pas une bonne conformité loga- rithmique de Q 3 à Q 6, du fait que leurs erreurs ohmiques sont similaires. Pour établir une Lasse virtuelle bien définie au noeud N, par exemple pour réaliser un circuit à rapport lo- garithmique de haute précision, on pourrait intercaler un amplificateur non inverseur ayant un gain faible au point de circuit marqué A sur la figure 1 La figure 2 montre une autre configuration de circuit dans laquelle le noeud N est très proche de la masse pour Il = I 20 L'analyse de ce cir- cuit équilibré n'offre aucune difficulté et montre que: ( 2 x-1)= ln ( 6) Simplement à titre d'exemple, la figure 3 montre comment on peut réaliser certains des détails d'un circuit pratique basé sur la configuration de la figure 2 Le fonc- tionnement du circuit ne présente en majeure partie aucune difficulté de compréhension Q 7 et Q 8 remplissent une dou- ble fonction, en réduisant les courants de base de Q 4 à QG, et en établissant une certaine marge supérieure pour les collecteurs des quatre transistors I' et IR sont fixés à des valeurs relativement élevées Ceci permet à la résis- tance R d' tre suffisamment faible pour que des erreurs de courant de base dans Q 1 à l'extrémité supérieure de la gam- me de signal d'entrée produisent une erreur négligeable à la sortie. En retournant à la figure 2, on note qu'un bêta fini dans les transistors "centraux" Q 1 et Q 2 aura un cer- tain effet défavorable Plus précisément, bien que les cou- rants de base de Q 1 et Q 2 ne modifient pas la tension aux bornes des résistances R (du fait que le circuit de réaction force cette dernière à être toujours égale à VT ln (I 1/12)), ils modifient effectivement la valeur du facteur de modula- tion x qui est nécessaire pour établir cette tension, et ils introduisent donc une erreur dans le signal de sortie final La figure 4 montre une modification supplémentaire apportée à la partie centrale de la configuration de la fi- gure 2, qui élimine ce problème de la manière suivante Q 14 produit un courant de base égal aux courants de base totaux de Q 1 et Q 2 Q 12 et Q 1) forment une paire à couplage d'émet- teurs qui proportionne ce courant de la même manière que Q 1 et Q 2 proportionnent le courant d'émetteur total Il + 120 Du fait des connexions croisées, et en supposant que le fac- teur de défaut de courant de base S ( 1/ p)soit faible, le courant de collecteur de Q 12 est étroitement égal au courant de base de Q 2; de façon similaire, le courant de collecteur de Q 13 est étroitement égal au courant de base de Q 1 Le courant de base dans chaque résistance est donc & (Il + 12), et l'erreur différentielle résultante est égale à zéro. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent 9 tre apportées au dispositif décrit et repré- senté, sans sortir du cadre de l'invention. 2 i 4289 1 REVENDICATIONS io Circuit logarithmique destiné à produire un si- gnal de sortie (ES) proportionnel au logarithme d'un si- gnal d'entrée (Il) et exempt de variations induites par la température, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens d'entrée (Q 1, Q 2) réagissant au signal d'entrée (Il) et con- prenant des moyens capables de produire un premier signal proportionnel au produit des grandeurs suivantes: ( 1) le logarithme du signal d'entrée et ( 2) la température absolue; un élément de circuit (R, QY, 4 p IT) comprenant une source de courant proportionnel à la température absolue (IT)' qui produit un second-signal et qui est connecté aux moyens d'entrée (Q 1, Q 2); cet élément de circuit (R,, Q 4, IJ) comprenant des moyens pour moduler la valeur du second si- gnal conformément audit logarithme, tout en annulant les facteurs liés à la température des deux signaux; et des moyens de sortie (Q 5, Q 6, 20) destinés à produire un signal de sortie (Es) qui correspond à la modulation du second si- gnal. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'entrée comprennent des moyens diffé- rentiels (Q 1, Q 2) qui réagissent au signal d'entrée (Il) et à un signal de référence (I 2) en produisant le premier si- gnal de façon qu'il soit proportionnel au logarithme du rapport des signaux d'entrée (h 1) et de référence ( 12). 3 Dircuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens différentiels comprennent des premier et second transistors (Q 1, Q 2) ayant des émetteurs communs; et les signaux d'entrée (Il) et de référence (I 2) consistent en courants traversant respectivement ces transistors. 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que-l'élément de circuit comprend une résistance (R) connectée à la base du second transistor (Q 2); et des moyens (Q 3, Q 4) connectant la source de courant proportion- nel à la température absolue (IT) à la résistance, pour 254 $ 301; faire circuler dans cette dernière un courant proportionnel à la température absolue. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de connexion comprennent des troisième et quatrième transistors (Q 3, Q 4) dont les émetteurs sont connectés ensemble; la résistance (R) est connectée entre le collecteur et la base du troisième transistor (Q 3); et la source de courant proportionnel à la température absolue (I) est connectée aux émetteurs des troisième et quatrième transistors (Q 3, Q 4). 6 Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que la base du premier transistor (Q 1) est connectée à un potentiel de référence; la base du second transistor (Q 2) est connectée au collecteur du troisième transistor (Q 3) et la base du troisième transistor (Q 3) est connec- tée à un potentiel de référence. 7 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que la base du premier transistor (Q 1) est connectée à un potentiel de référence; l'élément de circuit comprend une résistance (R) connectée entre La base du second tran- sistor (Q 2) et un potentiel de référence; la source de courant proportionnel à la température absolue (IT) est connectée à la résistance (R) pour faire circuler dans cet- te dernière un courant proportionnel à la température abso- lue, afin de produire le second signal. 8 Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un amplificateur à gain élevé ( 12) dont la sortie -est connectée aux émetteurs communs des premier et second transistors (Q 1 ' Q 2) et dont l'entrée est connectée au collecteur du premier transistor (Q 1); et l'entrée de cet amplificateur est également connectée à une borne d'entrée ( 10) qui reçoit le courant d'entrée (I 1) et force la circulation de ce courant dans le premier transis- tor (Q 1)0 9 Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce que le signal de référence (I 2) est fourni par une source de courant (I 2) qui est connectée au collecteur du second transistor (Q 2) Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément de circuit comprend en outre des troi- sième (Q 3) et quatrième (Q 4) transistors, avec une conne- xion d'émetteurs commune; le troisième transistor (Q 3) est connecté à la résistance (R) pour acheminer le courant de cette dernière; et l'élément de circuit divise entre les troisième (Q 3) et quatrième (Q 4) transistors le courant qui provient de la source de courant proportionnel à la tempé- rature absolue (IT), et la proportion de courant qui tra- verse le troisième transistor (Q 3) constitue le facteur de modulation qui est fonction du rapport de courants. 11 Circuit selon la revendication 10, caractéri- sé en ce qu'il comprend des cinquième (Q 5) et sixième (Q 6) transistors dont les émetteurs sont connectés ensemble; ces cinquième et sixième transistors (Q 5, Q 6) sont connec- tés aux troisième et quatrième transistors (Q 3, Q 4); les moyens de sortie comprennent des moyens (IR) pour repro- duire dans le sixième transistor (Q 6) une modulation de courant qui correspond à celle du courant traversant le troisième transistor (Q 3); et les moyens de sortie com- prennent en outre des moyens ( 20) qui réagissent au courant circulant dans le sixième transistor (Q 6) en produisant un signal de sortie (Es) - 12 Circuit à rapport logarithmique de type équi- libré caractérisé en ce qu'il comprend: une première paire de transistors appariés (Q 1 ' Q 2) branchés avec leurs émet- teurs communs; les collecteurs de ces transistors étant connectés à des bornes d'entrée respectives ( 10, N) pour recevoir des courants d'entrée (I 1, 12); un amplificateur ( 12) dont l'entrée est connectée à l'une des bornes d'en- trée ( 10) et dont la sortie est connectée aux émetteurs communs; une paire de résistances (R 1, R 2), chacune d'el- 254 '2891 les étant connectée à l'une de ses extrémités à une base respective de la paire de transistors (Q 1 l Q 2); les autres extrémités (R 1, R 2) des résistances étant connectées ensem- ble à un potentiel de référence; une seconde paire de transistors appariés (Q 3, Q 4) dont les collecteurs sont respectivement connectés aux bases de la première paire de transistors (Qle Q 2) et dont les émetteurs sont connectés ensemble; une source de courant proportionnel à la tempé- rature absolue (I,) connectée aux émetteurs de la seconde paire de transistors, pour faire circuler dans ceux-ci et dans les résistances respectives (R 1, R 2) un courant modulé conformément au logarithme du rapport des courants d'entrée (Il, I 2); et des moyens de sortie (Q 5, Q 6, 20) destinés à produire un signal de sortie (ES) conformément à la modula- tion du courant proportionnel à la température absolue (IT^)o^ 13 Circuit selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que les moyens de sortie comprennent une troisième paire de transistors (Q 51 Q 6) appariés à la seconde paire (Q 3, Q 4); les émetteurs de la troisième paire de transis- tors sont connectés ensemble à une source de courant cons- tant (IR); la troisième paire de transistors (Q 5, Q 6) est connectée à la seconde paire (Q 3, Q 4) pour faire en sorte que le courant qui traverse la troisième paire soit modulé en correspondance avec la modulation du courant dans la se- conde paire; et les moyens de sortie comprennent des moyens ( 20) qui réagissent au courant circulant dans l'un des transistors (Q 5, Q 6) de la troisième paire. 14 Circuit selon la revendication 13, caractéri- se en ce qu'il comprend un circuit miroir de courant con- necté aux Collecteurs de la troisième paire de transistors (Q 5, Q 6); et les moyens de sortie ( 20) sont connectés au collecteur de l'un des transistors (Q 5 QG) de la troisième paire. Procédé pour produire un signal indépendant 254 ï 891 1 1 de la température qui correspond au logarithme d'un signal d'entrée (Il), caractérisé en ce que: on produit un pre- mier signal représentant le produit des grandeurs suivan- tes: ( 1) le logarithme du signal d'entrée (Il) et-( 2) la température absolue; on produit un second signal à partir d'une source de courant proportionnel à la température absolue (I); on combine les premier et second signaux on fixe la valeur du second signal de façon à annuler les facteurs dépendant de la température dans les deux signaux; or module la valeur du second signal conformément au loga- rithme du rapport entre le signal d'entrée (Il) et un si- gnal de référence (I 2); et on produit un signal de sortie* (Es) conformément à la modulation du second signal. 16 Circuit selon la revendication 15, caracté- risé en ce que le premier signal est produit par une paire de jonctions PN opposées (Q 11 Q 2) dont l'une est traversée par un premier courant correspondant au signal d'entrée (Il) et l'autre est traversée par un second courant (I 2). 17 Circuit selon la revendication 16, caracté- risé en ce que la modulation du second signal est effectuée par une seconde paire de jonctions P-N opposées (Q 3, Q 4)0 18 Circuit selon la revendication 12, comprenant des moyens destinés à éviter les effets d'un beta fini dans la première paire de transistors (Q 1, Q 2), caractérisé en ce qu'il comprend: une troisième paire de transistors (Q 12 ' Q 13) couplés par les émetteurs, dont les collecteurs sont respectivement connectés aux bases de la première paire de transistors (Q 1,' Q 2);>et en ce que le collecteur de chaque transistor de la troisième paire (Q 12, Q 1) est connecté à la base de l'autre transistor de la troisième paire; et le collecteur d'un transistor supplémentaire (Q 14) est con- necté aux émetteurs de la première paire de transistors (Qlî Q 2) et sa base est connectée aux émetteurs de la troi- sième paire de transistors (Q 12 ' Q 13)0