Brevet FR2588431A1 — publié le 19870410

"CIRCUIT REGULATEUR DE TENSION". La présente invention concerne un circuit régulateur de tension, muni d'une source interne de référence de tension faible, circuit délivrant une tension plus grande que celle de ladite source, et réalisable exclusivement è l'aide de tran- sistors et de résistances. Une source de tension faible et de grande stabilité est procurée notamment par un montage connu constitué exclussivement de transistors et de résistances, dé- signé généralement par le vocable en langue anglaise: "band- gap reference". Ce montage est habituellement conçu pour déli- vrer une tension de 1,26 volt, tension pour laquelle son coef- ficient de température est nul. Des modes de réalisation d'une telle source sont dé- crits dans le livre "Analysis & Design of analog integrated circuits" de Gray & Meyer chez Wiley & Sons, pages 258-261. Lorsqu'on désire obtenir une tension régulée de plusieurs volts, il entre dans les compétences normales de l'homme du métier de compléter le circuit par un pont diviseur connecté à la sortie de la tension régulée de plusieurs volts, afin d'ob- tenir une tension divisée de 1,262 volt que l'on peut alors comparer à la tension de référence au moyen d'un circuit dif- férentiel pour réguler la tension de sortie. Toutefois un tel diviseur de rapport 1/n divise aussi la tension d'erreur par n, et diminue d'autant le degré de régulation. L'invention se propose de fournir un circuit régula- teur de tension dans lequel les variations de la tension de sortie sont directement comparées à la tension de référence et dont la stabilité est donc du même ordre que celle de la réfé- rence, circuit qui n'utilise pas de diode zener, et est réali- sé à partir de transistors et de résistances exclusivement, les transistors étant en outre tous de même polaritê, par - 2 - exemple dans une technologie de circuit intégré à isolation par oxyde. Un tel régulateur de tension réalisable en circuit intégré est utile par exemple pour alimenter des oscillateurs à grande stabilité de fréquence, notamment ceux utilisés dans les magnétoscopes avec les modulateurs sur porteuse haute fré- quence de signal vidéo. Selon l'invention, un tel circuit régulateur de ten- sion, comprenant une source de tension de référence plus fai- ble que la tension à fournir, connectée à une borne commune, et un élément ballast qui est inséré entre une borne d'entrée et une borne de sortie, cet élément étant commandé par un pre- mier circuit de comparaison entre la tension de référence et une tension qui dépend de la tension sur la borne de sortie, est notamment remarquable en ce qu'il comporte en outre un pont de résistances disposé entre la source de tension de ré- férence et la borne commune et un circuit différentiel dont un premier transistor a sa base reliée à une extrémité d'une des résistances dudit pont et son émetteur relié à une source de courant, et dont un deuxième transistor a sa base reliée à l'autre extrémité de la susdite résistance dudit pont et son émetteur relié par une résistance à celui du premier transis- tor, et en ce que le collecteur du deuxième transistor est re- lié par une résistance à la borne de sortie et fournit la sus- dite tension qui dépend de la tension sur la borne de sortie. On entend par "circuit différentiel" un montage de deux tran- sistors NPN dont les émetteurs sont reliés ensemble, soit di- rectement soit via une résistance, et auxquels une source de courant, par exemple reliée à la masse, fournit un courant qui est partagé entre les deux transistors. En outre, le premier circuit de comparaison n'est pas un véritable amplificateur opérationnel, du fait qu'on dé- sire le réaliser avec des transistors d'une seule polarité, et il a donc des performances limitées; de ce fait la régulation n'est pas parfaite lorsque la tension d'entrée varie. Pour éliminer cet inconvénient la source de tension selon l'inven- -3- tion est notamment remarquable en ce qu'elle comporte un deuxième circuit de comparaison entre une fraction de la ten- sion d'entrée et la tension de référence, ce deuxième circuit de comparaison fournissant à l'élément ballast un courant qui est fonction de la tension sur la borne d'entrée. En outre le collecteur du premier transistor du sus- dit circuit différentiel est avantageusement relié au deuxième circuit de comparaison pour l'alimenter en courant constant. D'autres explications indiquant comment les disposi- tions remarquables décrites ci-dessus procurent des avanta- ges, on éliminent les inconvénients des circuits de l'art an- térieur, seront données plus loin à l'occasion de la descrip- tion détaillée d'un exemple préféré de réalisation pratique du circuit selon l'invention, qui est représenté sur la figure unique. Le circuit représenté comporte une structure de base connueconstituée par une source de tension de référence 1, du type dit "band-gap reference" dans le langage habituel du mé- tier. Elle est connectée à une borne commune 0, prise comme référence de potentiel nul, dite masse. Elle est constituée essentiellement par quatre transistors T1, T2, T3, T18 tous de type NPN associés à quatre résistances R1, R2, R3, R18. Le transistor T1, est monté en diode dont la cathode est reliée à la masse, et l'anode alimentée via la résistance R1. La tension d'anode est appliquée à la base de T2, dont l'émetteur est relié à la masse via R3 et le collecteur est alimenté via R2. Le collecteur de T2 est relié à la base de T3. Le collecteur de T3 est alimenté par une source de courant. Comme il n'est pas facile de réaliser une telle sour- ce, de la polarité requise, sans transistors PNP, elle est simplement constituée par une résistance R18 reliée à une source de tension. Cette résistance fournit en outre du cou- rant à la base du transistor T18, dont le collecteur est relié à une source de tension et dont l'émetteur fournit du courant aux résistances Rl et R2. Puisque la simple résistance R18 - 4 - n'est pas une source de courant constant, le courant est sus- ceptible de varier dans T3, et par suite le courant de base de T3 peut varier aussi, ce qui déstabiliserait la source de ré- férence. Pour diminuer cet effet, on réduit le courant de ba- se en utilisant pour constituer le transistor T3 un montage Darlington T5, T3, dont le transistor T3 est le transistor de sortie. Ceci introduit un décalage de tension base-émetteur supplémentaire. Pour le compenser, on utilise un transistor T6 dont la jonction base-émetteur est introduite en série avec R1. La tension de référence d'environ 2,65 volts est fournie au point commun de l'émetteur de T18 et de la résis- tance R2, alimentant une connexion à la tension de référence, qui est soulignée sur la figure par un trait plus épais. Cette tension est plus élevée que la tension de 1.62 volt mentionnée plus haut, du fait de la présence des transistors T5 et T6. On souhaite obtenir une tension bien supérieure à la tension de 2,65 volts fournie par la référence. A cet effet, on utilise un transistor T4 dont le collecteur est connecté à une borne de tension d'entrée Vi, dont la base est reliée par une résistance R4 à Vi, et dont l'émetteur est connecté à une borne de sortie Vo. Ce transistor constitue un élément ballast qui est inséré entre la borne d'entrée Vi et la borne de sor- tie Vo. Cet élément ballast est commandé par un circuit diffê- rentiel T16, T17. Le premier transistor T16 a sa base reliée par une résistance R16 à ladite borne de sortie Vo. Le deuxiè- me transistor T17 a sa base reliée à la tension de référence. Ce circuit différentiel réalise une comparaison de deux ten- sions, à savoir la tension de référence d'une part, et la ten- sion au point commun R16/base de T16 d'autre part, tension qui est fonction de la tension de sortie sur Vao. Habituellement ce point commun est lui-même réuni à la masse par une résistance qui, avec R16, forme un pont divi- seur. Le collecteur du premier transistor T16 est relié à la -5-- base du transistor ballast T4, ce qui réalise la commande de ce dernier. Ainsi lorsque la tension de sortie sur Vo tend à augmenter, le courant augmente dans le transistor T16, et par suite dans la résistance R4, connectée à la base de T4, ce qui abaisse la tension sur la base de T4, et fait redescendre la tension de sortie. Néanmoins, comme on l'a indiqué plus haut, ce circuit a l'inconvénient de fournir, pour la comparaison avec la référence, une tension d'erreur divisée dans le rap- port de division du pont diviseur. L'idéal serait de disposer, à la place de R16, d'un élément produisant une chute de ten- sion fixe. On pourait songer à utiliser une diode zener. Mal- heureusement un tel élément, d'une part n'est stable que pour une certaine valeur de ladite chute de tension fixe, ce qui impose la tension de sortie, et surtout n'est pas toujours réalisable dans les technologies de circuits intégrés. L'invention procure l'équivalent d'une diode zener parfaite, et ceci pour n'importe quelle valeur de tension dé- sirée, aux bornes de R16. A cet effet, un pont de trois résis- tances R19, R20, R21 est disposé dans cet ordre entre la con- nexion de tension de référence et la masse, et un circuit dif- férentiel Tll, T12 est utilisé, dont le premier transistor Tll a sa base reliée à l'extrémité inférieure de la résistance R20 et son émetteur relié à une source de courant T15, et dont le deuxième transistor T12 a sa base reliée à l'autre extrémité, supérieure, de la résistance R20, et son émetteur relié par une résistance Rll à celui de Tll. Enfin, le collecteur du deuxième transistor T12 est relié à la borne de sortie Vo par la résistance 16 et fournit ainsi à la base de T16 la susdite tension qui dépend de la tension sur la borne de sortie. Le circuit fonctionne de la manière suivante: une fraction de la tension de référence est présente aux bornes de la résistance R20. Le potentiel du point haut de cette résis- tance R20 est transmis avec un décalage, dû à la tension base- émetteur de T12, à l'extrémité gauche de Rll, et le potentiel du point bas de R20, via la jonction base-émetteur de Tll est -6- transmis avec le même décalage à l'autre extrémité de Rll. Du fait que les deux tensions base-émetteur sont égales, la ten- sion de R20 se retrouve exactement aux bornes de Rll. Les deux transistors Tii et T12 sont dimensionnés de façon à avoir la même tension base-émetteur. De même le pont R19, R20, R21 est calculé pour que l'échauffement par effet Joule y soit identi- que dans les 3 résistances. Le courant qui passe dans Rll pas- se aussi dans R16, sauf la fraction de ce courant qui s'écoule dans les bases de T12 et T16. Ces deux courants sont faibles si le gain des transistors est grand, et de plus ils sont de sens opposé et le circuit peut être dimensionné pour qu'ils soient égaux et s'annulent. En fin de compte, la tension aux bornes de R16 est égale à R16/Rll (ici les références R16 et Rll indiquent les valeurs ohmiques des résistances) fois la tension aux bornes de R20, qui est elle-même une fraction de la tension de référence. Toutes les résistances doivent être réalisées avec des largeurs de diffusion égales, pour avoir exactement le même coefficient de température. Dès lors la tension aux bornes de R16 peut reproduire quasi-parfaitement un multiple de la tension de référence, c'est-à-dire qu'elle procure l'équivalent d'une diode zener parfaite, dont la va- leur peut être choisie aisément, et indépendante de la tempé- rature. La tension sur la base de T16 suit donc parfaitement les variations de tension sur la borne Vo, mais il reste une source d'erreur, parceque lorsque la tension d'entrée varie, le courant dans R4 et dans le collecteur de T16 varie aussi, et donc la tension base-émetteur de T16 varie et fausse la comparaison avec la tension de référence appliquée à la base de T17. Pour diminuer grandement cet effet, un deuxième pont de résistances R6 à R9 est placé entre la borne de tension d'entrée Vi et la masse. Un point à potentiel intermédiaire, ici le point commun des résistances R7 et R8, est appliqué à la base d'un transistor T10 formant circuit différentiel avec un autre transistor T9, qui a sa base reliée à la connexion de tension de référence. L'émetteur de T9 est relié directement à -7- une source de courant, et l'émetteur de TlO est relié à celui de T9 par une résistance RlO. Le collecteur de 11T0 est connec- té à la base de T4 et donc aussi relié à la borne d'entrée via la résistance R4. Ce circuit fonctionne de la façon suivante: lorsque la tension d'entrée, par exemple, augmente, le pont diviseur transmet aussi l'augmentation de tension d'entrée à TiO dont le courant collecteur augmente. Le collecteur de TO10 transmet donc l'augmentation de courant dans R4 et empêche ainsi que celle-ci ne soit répercutée sur le courant de T16. Il est fa- cile à l'homme du métier de calculer, en négligeant les cou- rants de base des transistors, et en supposant constantes les tensions base-émetteur, que le rapport de division du pont R6-R9 doit être sensiblement égal à VlO/V4, o VlO et V4 sont les tensions aux bornes de RiO et R4, respectivement. Alors les variations de courant dans R4, does aux variations de ten- sion sur Vi, sont compensées par le courant absorbé dans le collecteur de TlO (aux approximations près). Le circuit T9, TlO constitue donc un deuxième cir- cuit de comparaison, entre une fraction de la tension d'entrée sur la borne Vi et la tension de référence sur la connexion de tension de référence, ce circuit de comparaison fournissant à l'élément ballast, plus précisément à l'ensemble R4/base de T4, un courant qui est fonction de la tension sur la borne d'entrée. Puisque le collecteur de 11T du circuit différentiel décrit plus haut délivre un courant qui n'a pas de rôle déter- miné dans le fonctionnement de ce circuit, il peut avantageu- sement être utilisé comme source de courant constant pour le circuit différentiel T9, TlO, ce qui est obtenu en connectant ledit collecteur de Tll, premier transistor du susdit circuit différentiel, à l'émetteur du transistor T9 du deuxième cir- cuit de comparaison. Le transistor T7 a pour but de réduire la tension appliquée à T6, T9 et T18, quand la technologie utilisée per- met seulement d'appliquer de faibles tensions aux transis- -- 8 -- tors. On utilise le pont R6-R9 déjà présent, pour alimenter la base de T7. Pour améliorer la stabilité de la source de tension de référence 1, la résistance R18 est branchée à la borne de sortie Vo, dont la tension est stabilisée. Pour aider le démarrage du circuit lors de la mise sous tension Vi, le transistor 18 monté en diode fournit un courant à la connexion de référence de tension; lorsque celle-ci a atteint sa tension normale, la diode T8 est blo- quée. La encore on utilise le pont R6-R9 pour alimenter la diode T8. L'ensemble R12, T13 monté en diode, R13 définit un courant; l'ensemble T13, R13, T14, R14 est un miroir de courant qui constitue une source de courant pour alimenter les émetteurs, reliés ensemble, des transistors T16, T17; l'en- semble T13, R13, T15, R15 est un autre miroir de courant qui constitue une source de courant pour alimenter l'émetteur du transistor Tii et la résistance Rll. Certaines dispositions de ce circuit peuvent être remplacées par d'autres sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple le pont R19-R21 pourrait ne comporter que les ré- sistances R20-R21, la base de T12 étant reliée directement b la connexion de réféence. On pourrait aussi remplacer les ré- sistances R8,R9 par un générateur de courant, constitué par un miroir de courant lié à T13, R13. Alors ce qu'on a appelé plus haut "rapport de division du pont" serait égal à un, et les résistances R4 et RlO devraient avoir la même valeur. On pour- rait aussi, bien entendu, remplacer tous les transistors NPN par des transistors PNP, dans le cas ou Vi et Vo seraient des tensions négatives par rapport à la masse. -9 - REVENDICATIONS: 1. Circuit régulateur de tension réalisable au moyen de transistors d'une seule polarité et de résistances, compre- nant: - une source de tension de référence (1) plus faible que la tension à fournir, connectée à une borne commune (0), - un élément ballast (T4) qui est inséré entre une borne d'entrée (Vi) et une borne de sortie (Vo), cet élément étant commandé par - un premier circuit de comparaison (T16, T17) entre la tension de référence et une tension qui est fonction de la tension sur la borne de sortie, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - un pont de résistances (Ri9, R20, R21) disposé en- tre la source de tension de référence et la borne commune - un circuit différentiel (Tll, T12) dont un premier transistor (Tll) a sa base reliée à une extrémité d'une des résistances (R20) dudit pont et son émetteur relié à une pre- mière source de courant (T15), et dont un deuxième transistor (T12) a sa base reliée à l'autre extrémité de la susdite ré- sistance (R20) dudit pont et son émetteur relié par une résis- tance (Rll) à celui du premier transistor, et en ce que le collecteur du deuxième transistor (T12) est relié par une résistance à la borne de sortie et fournit la susdite tension qui dépend de la tension sur la borne de sor- tie. 2. Circuit régulateur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième circuit de comparaison (T9, T10) entre une fraction de la tension d'en- trée et la tension de référence, ce deuxième circuit de compa- raison étant relié à l'élément ballast (T4, R') pour lui fou- rnir un courant qui est fonction de la tension sur la borne d'entrée. 3. Circuit régulateur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le collecteur du premier transistor (Tll) du susdit circuit différentiel est relié au deuxième circuit de comparaison (T9, T10) pour l'alimenter en courant constant.