Brevet FR2538191A1 — publié le 19840622

La présente invention concerne de façon générale des amplificateurs électroniques qui utilisent des transis- tors à effet de champ, et elle porte plus particulierement sur ceux utilisant des TEC MOS (transistors à effet de champ métal-oxyde-silicium). On peut connecter des dispositifs TEC MOS indivi- duels en amplificateurs de diverses manières connues, par exemple en source commune, en grille commune, en drain com- mun, avec une charge de source, etc, pour procurer diffé- rentes caractéristiques de fonctionnement, en fonction de ce qu'on désire pour un but particulier On peut également connecter ensemble deux dispositifs de ce type pour disposer de diverses caractéristiques d'entrée et de sortie possibles qu'on ne peut pas obtenir avec un seul dispositif Un exem- ple de ceci consiste dans la configuration "cascode" cou- ramment utilisée, dans laquelle un dispositif de premier étage est connecté en une configuration à source commune,- avec sa sortie dirigée vers l'entrée d'un second dispositif connecté en une configuration à grille commune La structure résultante est un amplificateur ayant une impédance d'entrée élevée, un faible bruit et un gain élevé. Lorsqu'on connecte une paire de dispositifs TEC Iv IOS pour réaliser une amplification, la grille de l'un des dispositifs doit généralement recevoir une tension de pola- risation produite sur la puce mgme, pour faire en sorte que la tension drain-source de l'autre dispositif soit suffisam- ment élevée pour placer cet autre dispositif dans une condi- tion de fonctionnement active dans laquelle il présente un gain notable La nécessité d'un réseau générateur de tension sur la même puce conduit à une complexité de circuit accrue et dégrade les performances de l'amplificateur à plusieurs égards. Conformément à l'invention, un transistor à effet de champ à mode d'enrichissement est connecté avec un tran- sistor à effet de champ à mode de déplétion pour donner une combinaison originale Les grilles des deux dispositifs sont connectées ensemble pour former un noeud d'entrée* Les che- i:ins de conduction drain-source des dispositifs sont connec- tés en série l'un avec l'autre et à une source de courant de polarisation. Dans le mode d'enrichissement, il n'y a pas de porteurs majoritaires, c'est-à-dire d'électrons, dans le ca- nal N entre la source et le drain, pour une tension-de gril- le égale à zéro Au contraire, dans le mode de déplétion, des électrons sont présents librement dans le canal pour une tension de grille égale à zéro Par conséquent, une tension de grille positive attire des électrons dans un dispositif à mode d'enrichissement à canal n pour produire un effet de commutation Dans un dispositif à mode de déplétion, des tensions positives et négatives commandent la circulation d'électrons sans interrompre cette circulation. La structure résultante consistant en une paire de transistors couplés par les grilles peut avantageusement *etre connectée en amplificateur à charge de source, avec la sortie sur la source du dispositif à mode d'enrichissement; en amplificateur à source commune, avec la sortie sur le drain du dispositif à mode de déplétion; en association avec une autre paire semblable pour former un étage amplifi- cateur à entrée différentielle; et en association avec un transistor supplémentaire à mode d'enrichissement, pour for- mer un circuit miroir de courant. 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'un circuit amplifica- teur à charge de source qui comprend un transistor à mode d'enrichissement et un transistor à mode de déplétion con- nectés ensemble conformément à un exemple de l'invention. la figure 2 est un schéma d'un circuit amplifica- teur à source commune qui correspond à un second exemple de l'invention. la figure 3 est un schéma d'un circuit d'étage d'entrée différentiel qui correspond à un troisième exemple de l'invention* la figure 4 est un schéma d'un circuit miroir de courant qui correspond à un quatrième exemple de l'invention O Sur les figures considérées ci-après, on suppose que tous les transistors sont des dispositifs à effet de champ MOS à canal N la tension d'entrée ou de sortie d'un circuit provenant d'un noeud approprié est exprimée par rap- port à une certaine tension de référence, comme le potentiel de la masse O Les dispositifs à mode de déplétion sont indi- qués par le canal épaissi entre les électrodes de source et de drain. Exemple de la figure 1 La figure 1 montre un amplificateur à charge de source 100 (analogue à un amplificateur à charge de cathode dans des circuits utilisant des tubes électroniques) confor- me à un mode de réalisation de l'invention, qui comprend une paire de transistors IIOS 102, 104, de dimensions similaires, dont-les grilles sont connectées ensemble de façon à former un noeud d'entrée de signal 106 Le premier transistor, ou transistor supérieurs 102, de la paire 102, 104 est un dis- positif à mode de déplétion dont le drain 108 est connecté à une source de tension d'alimentation positive VDD La source du transistor à mode de déplétion 102 est connectée au niveau d'un noeud commun 114 au drain 112 du second transis- tor, ou transistor inférieur, 104, qui est un dispositif à mode d'enrichissement La source 116 du transistor à mode d'enrichissement 104 est un noeud de signal de sortie 118 de l'amplificateur 100 et elle est connectée en série avec une source de courant de polarisation 120 Les régions de substrat des deux transistors 102, 104 sont connectées à leurs sources respectives 110, 116 Cependant, la'région de substrat du transistor à mode de déplétion 102 peut 4 tre connectée à la place à la source 116 du transistor à mode d' enrichissement 104. l'amplificateur 100 présente les caractéristiques generales d' une configuration à charge de source * Alors que le gain nominal est égal à l'unité, la valeur caractéristi- que qui a été mesurée est de 0,9999,, ce qui se compare fa- vorablement au gain caractéristique de 0,9900 qu'on pourrait attendre pour une configuration à charge de source simple, En outre, les caractéristiques de réjection du bruit d'ali- mentation sont fortement am 6 liorées par rapport à celles d' un seul transistor connecté en une configuration à charge de source,, du fait que la résistance relativement élevée qui est présentée à la source de tension d'alimentation V Dau niveau du drain 108 du transistor à mode de déplétion 102 atténue fortement tout couplage du bruit d'alimentation vers le noeud commun 114, ce bruit subissant une atténuation supplémentaire avant d'atteindre le noeud de sortie 118. Exemple de la figure 2 la figure 2 montre, conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, un amplificateur à source commune 200 qui comprend un transistor supérieur à mode de déplétion 202 et un transistor inférieur à mode d'enrichis- sement 204, dont les grilles sont connectées ensemble pour former un noeud d'entrée 206 Le drain 208 du transistor à mode de déplétion 202 forme un noeud de sortie 218 et il est connecté en série avec une source de courant 220 Sa source 210 est connectée au drain 212 du transistor à mode d'enri- chissement; 204 au niveau d'un noeud commun 214 La source 216 du transistor à mode d'enrichissement 204 est connectée à une source de tension d'alimentation négative VSSO les régions de substrat des deux transistors 202, 204 sont con- nectées à leurs sources respectives 210, 216 Ici encore, la région de substrat du transistor à mode de déplétion peut ttre connectée à% la place à la source 216 du transistor à mode d'enrichissement 204. L'amplificateur 200 présente les caractéristiques générales d'une configuration à source commune Il a un gain élevé, à cause de la conduotance de sortie fortement réduite au noeud de sortie 218, et une réjection très efficace du bruit d'alimentation, du fait que la tension drain-source du transistor à enrichissement 204 est très bien définie, à cau- se de son couplage de grilles avec le transistor à mode de. déplétion 202. Exemp 2 le -de la figure 3 la figure 3 montre, conformément à un troisième mode de réalisation de l'invention, un étage amplificateur de tension à entrée différentielle 300 qui comprend deux paires de transistors couplés par les grilles, 302, 304, du type décrit dans l'exemple de la figure i ci-dessus, qui sont connectées en parallèle l'une par rapport à l'autre et en série avec une source de courant,306, qui connecte les sources de leurs transistors à mode d'enrichissement à une tension d'alimentation négative VSS qui correspond à la mas- se les noeuds correspondant aux entrées différentielles 308, 310 sont les paires de grilles couplées les noeuds de sortie 312, 314 correspondent aux drains des transistors à mode de déplétioni le signal de sortie est un courant dif- férentiel. L'étage d'entrée différentiel 300 procure des avantagessimilaires à ceux obtenus avec l'amplificateur à source commune 200 pour chacune des entrées différentielles. les amplificateurs 302, 304, consistant en paires couplées par les grilles, sont avantageux par rapport à des configu- rations couramment utilisées dans la mesure o ils augmen- tent l'impédance de sortie en mode différentiel. Exemple de la figure 4 la figure 4 montre, conformément à un quatrième mode de réalisation de l'invention, un circuit miroir de courant 400 qui comporte une paire de transistors à mode de déplétion et à mode d'enrichissement, portant respectivement lea 3 réfrences 402, 404, qui sont couplés par les grilles et sont associés à un transistor à mode d'enrichissement supplen Ztaire 406 Les grilles des transistors 402, 404 sont conrmectées l'une à l'autre et à la grille et au drain du transisuor à mode d'enrichissement supplémentaire 406. La région de substrat du transistor à mode d'enrichissement supplémentaire 406 est connectée à sa source et sa source est connectée à la source du premier transistor à mode d'erichissement 404, au niveau d'un noeud commun connecté à une source de tension d'alimentation négative VSS Le drain du transistor à mode d'enrichissement supplémentaire 406 est connecté en série avec une source de courant 408 à un noeud de courant d'entrée 410 Le drain du transistor à mode de déplétion 402 est connecté à un noeud de courant de sortie 412 - Sous l'effet d'un courant d'entrée au noeud 410, le circuit miroir de courant 400 produit au noeud 412 un courant de sortie amplifié qui suit exactement le courant d'entrée, dans un rapport fixe choisi, avec une réfection particulièrement efficace du bruit d'alimentation La paire à couplage de grilles 402, 404 augmente notablement la ré- J sistance de sortie du circuit miroir de courant 400. Les signaux de sortie des modes de réalisation décrits ci-dessus sont pris de façon caractéristique par rapport au potentiel de masse On utilise ici le terme "mas- se" dans un sens désignant n'importe quel potentiel de ré- férence approprié. En général, dans toutes les paires de transistors à couplage de grilles conformes à l'invention, la région de substrat du transistor à mode de déplétion peut être con- nectée soit à la source de ce transistor, soit à la source du transistor à mode d'enrichissement Le choix d'un cir- cuit particulier dépend essentiellement de l'aire disponi- ble sur la puce de circuit. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 8 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Combinaison en cascade d'un premier et d'un second transistors à effet de champ de même conductivité, ayant chacun des électrodes de source, de drain et de gril- le, caractérisée en ce que le premier transistor fonctionne dans le mode de déplétion, le second transistor fonctionne dans le mode d'enrichissement, l'électrode de drain du pre- mier transistor est connectée à une source d'alimentation à courant continu, l'électrode de source du premier transis- tor est connectée à l'électrode de drain du second transis- tors l'électrode de drain du second transistor est connectée à une source de courant constant reliée à la masse, les électrodes de grille des premier et second transistors sont connectées ensemble et à une source de signal d'entrée à haute impédance, et un signal de sortie proportionnel au signal d'entrée est obtenu sur la source du second transis- tor, 2 Combinaison selon la revendication 1, caracté- risée en ce que l'électrode de drain du premier transistor est connectée à une source de courant constant, et un signal de sortie proportionnel au signal d'entrée appliqué au noeud commun à haute impédance correspondant aux électrodes de grille des premier et second transistors, est obtenu sur l'électrode de drain du premier transistor. 3 Combinaison selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'une combinaison semblable de transistors à effet de champ branchés en cascade est connectée par l'in- termédiaire de l'électrode de source du transistor à mode d'enrichissement à la source de courant constant reliée à la masse, des signaux d'entrée à comparer sont appliqués aux électrodes de grille respectives, connectées par paires, des combinaisons branchées en cascade, et un signal de sor- tie égal à la différence entre les signaux d'entrée est obtenu entre les électrodes de drain des transistors à mode de déplétion dans chaque combinaison branchée en cascade. 4 Combinaison selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'un transistor à mode d'enrichissement sup- plémentaire est connecté par ses électrodes de grille et de drain à une source de polarisation à courant constant et aux électrodes de grille de la combinaison branchée en cas- cade des premier et second transistors à effet de champ, et est connecté par son électrode de source à un potentiel de référence et à l'électrode de source d-u second transistor à effet de champ; et la nouvelle combinaison fonctionne en circuit miroir de courant pour des-signaux d'entrée appli- qués à ce transistor supplémentaire, en produisant des si- gnaux de sortie dans les chemins source-drain des premier et second transistors.