Brevet FR2586148A1 — publié le 19870213

Circuit d'antisaturation pour transistor p-n-p intégré La présente invention concerne un circuit d'anti- saturation pour transistors p-n-p dans des circuits intégrés monolithiques. Ces circuits intégrés sont for- més sur une seule puce en matériau semiconducteur, le plus souvent du silicium, par une suite appropriée de phases de fabrication comportant une oxydation superfi- cielle, une photolithographie, une croissance ëpitaxiale, une diffusion d'impuretés, des métallisations. Grace à ces processus, des diodes, des transistors et des compo- sants passifs sont réalisés et interconnectés sur la puce-même au moyen de couches successives de métallisa- tion et d'isolation. Pendant leur fonctionnement, les transistors p-n-p intégrés, c'est-à-dire formés sur la puce de semiconduc- teur, présentent un problème particulier. Dans certaines conditions, quand le transistor p-n-p travaille dans la zone de saturation de sa caractéristique, il peut donner naissance à un courant de fuite vers le substrat, qui peut s'avérer intolérable pour le bon fonctionnement de l'ensemble du circuit intégré. En état de saturation, c'est-à-dire quand la tension VCE du transistor p-n-p est sensiblement tombée à zéro, il se peut par exemple que sa base vienne à se trouver à un potentiel inférieur au potentiel de son collecteur, et la jonction base- collecteur risque donc de devenir polarisée en sens direct. -86148 Ceci donne lieu à la création d'un "transistor p-n-p parasite" sur la jonction base-collecteur du transistor réel dont le collecteur sert "démetteur" du "transistor parasite" dont le "collecteur" est représenté par le sub- strat en matériau semiconducteur de la puce. Naturellement, on ressent particulièrement ce pro- blème dans le cas de transistors p-n-p intégrés, à la fois en raison de l'intensité des courants et à cause du plus grand risque que ces transistors ne soient accidentelle- ment excités dans leur zone de saturation, par exemple quand varie l'impédance de charge du transistor. Dans une demande de brevet italien n 21272 A/85 déposée le 24 juin 1985 par le même demandeur, SGS- MICROELETTRONICA S.p.A., un circuit d'antisaturation simple et efficace a été proposé afin de limiter le degré de saturation d'un transistor p-n-p intégré et, donc, du courant de fuite vers le substrat. Néanmoins, un tel circuit ne se prête pas à faciliter une caractéristique spécifique d'intervention qui est souvent souhaitable dans certaines applications des transistors p-n-p. La présente invention vise donc à réaliser un circuit d'antisaturation pour transistor p-n-p intégré qui per- mette des courants de fuite appréciables vers le substrat et qui intervienne selon une certaine caractéristique prédéterminée. Ces objectifs et d'autres avantages sont obtenus au moyen du circuit d'antisaturation de l'invention qui s'intègre facilement dans la puce contenant le transis- tor p-n-p qui, de préférence, ne doit pas être saturé ou ne doit pas être trop profondément saturé quand sur- viennent des conditions qui, autrement, donneraient lieu à une grave saturation avec des courants de fuites into- lérables vers le substrat. Le circuit de la présente invention pour empêcher ou limiter la saturation d'un transistor p-n-p intégré est caractérisé en ce que ledit circuit comporte un circuit comparateur comprenant au moins deux transistors et au moins un générateur de courant générique capable de déterminer un courant de seuil maximal préétabli passant à travers lui-même et donc à travers le transis- tor conducteur dudit circuit comparateur; une résistance R de régulation montée entre l'émetteur du transistor p-n-p et au moins un générateur d'un courant variable qui est une fonction préétablie du courant émetteur du transistor p-n-p; le circuit comparateur changeant d'état quand apparaît la condition donnée par la relation: VCE o VcE est la tension collecteur-émetteur du transistor p-n-p et AV est une chute de tension sur la résistance R déterminée par le passage par R d'un courant qui est la somme d'un courant constant préréglé et dudit courant variable produit par ledit générateur; le changement d'état du circuit comparateur, dont la caractéristique est déterminée par ladite fonction préétablie, détermi- nant une conduction croissante du transistor du circuit comparateur qui, dans des conditions de fonctionnement normal du transistor p-n-p, est nonconducteur; des moyens, commandés par le courant de conduction dudit transistor du circuit comparateur qui dépasse le courant de seuil maximal préétabli par ledit générateur de courant, pour accroître le 3 forcé du transistor p-n-p et donc réduire le courant de fuite vers le substrat. Globalement, les moyens pour accroître le f forcé com- portent un transistor n-p-n, monté à cet effet entre la base d'un transistor n-p-n entraînant le transistor p-n-p et la terre, à laquelle est envoyé le courant de conduction du transistor du circuit comparateur rendu conducteur qui est supérieur au courant de seuil prédé- établi au moyen du générateur de courant générique. Le circuit d'antisaturation de l'invention convient particulièrement à une utilisation dans des transistors p-n-p servant de régulateurs. En fait, le circuit d'antisaturation de l'invention permet de réaliser une caractéristique d'intervention reposant sur une fonction exponentielle du courant d'entrée du régulateur. Ce permet d'obtenir un rapport AVCE/Io relativement élevé dans le transistor p-n-p de régulation à de fortes intensités d'entrée et, récipro- quement, un rapport VCE/ Io aux faibles intensités d'entrée. Afin de mieux illustrer l'invention, la description se poursuit en référence aux figures annexées 1 et 2 qui montrent des schémas électriques représentatifs de deux formes différentes, particulièrement préférées, de réa- lisation de l'invention appliquées au cas d'un régulateur de tension. La figure 1 représente un régulateur de tension in- tégré qui utilise un transistor p-n-p, Q, comme régula- teur série excité par un transistor n-p-n, Q3, qui est à son tour excité par un amplificateur opérationnel, A1, qui compare à une tension de référence, VREF, une certaine tension représentative de la tension de sortie du régulateur, VO, détectée dans le diviseur de tension formé par les deux résistances R1 et R2; la différence éventuelle entre les deux tensions produisant un signal de correction approprié qui, appliqué à la base du tran- sistor d'attaque Q3, régule la chute de tension (VcE) à travers le transistor Q de telle manière que la tension de sortie régulée soit: VCE = (1 + 2) VREF R1 L _s, V È; -i f 25861 4S Pendant le fonctionnement de ce type classique de régulateur intégré, il peut se produire des conditions de saturation telles qu'à une certaine intensité d!en- trée Io(c'est-à-dire le courant émetteur du transistor Q) correspond une intensité de sortie (à savoir le courant collecteur du transistor Q) qui n'est qu'une partie frac- tionnelle de l'intensité d'entrée, la partie la plus grande du courant d'entrée étant attirée vers le substrat et une autre partie - vers la base. En particulier, ceci peut arriver dans des conditions d'absence de charge, c'est-à-dire, par exemple, avec un courant collecteur de l'ordre de 500 gA environ, alors que, par exemple, la tension d'entrée Vi n'a pas encore atteint la valeur pour la régulation de la tension de sortie Vo. Dans ces conditions, le transistor Q travaille dans des conditions de fort déséquilibre dans la mesure o il lui est imposé un i forcé extrêmement bas puisque la boucle de régulation impose de toute façon un courant de base relativement fort, par exemple de 5 l'ordre de 50 mA environ. Dans ces conditions, une grande partie du courant d'entrée est perdue vers le substrat. Dans le but d'éviter un tel phénomène, le circuit d'antisaturation objet de l'invention est réalisé en uti- lisant un circuit comparateur formé de deux transistors p-n-p, Q1 et Q2, montés comme représenté sur la Fig. 2 et possédant deux générateurs de courant constant, I1 et 12, créant de préférence tous deux une intensité égale à I sur les collecteurs correspondants; et un générateur de courant variable Iv dont le courant produit est une fonction préétablie du courant d'entrée (émetteur) 10 du transistor Q. Dans des conditions de fonctionnement normales, c'est- à-dire quand le régulateur série Q fonctionne et quand la tension d'entrée Vi est sensiblement plus forte que la tension de sortie régulée Vo0, le transistor Q1 est maintenu non-conducteur car, de préférence, Q2 conduit en ayant à son émetteur une tension bien supérieure à VO et pré- cisément une tension égale à la tension d'entrée Vi infé- rieure à la chute de tension sur la résistance R de régu- lation (généralement de quelques centaines de millivolts). Dans le cas o le générateur Iv de courant variable est préréglé pour produire une intensité équivalente à une fonction exponentielle de l'intensité d'entrée Io, le courant produit sera par exemple: Iv = K1 exp (Io/K2) o K1 et K2 sont des constantes qui dépendent du circuit de correction exponentielle, la chute de tension sur R sera: AV = R [I + Iv] = R [I + K1 exp (I./K2)3 Donc, si la tension Vi - Vo, c'est-à-dire la tension VCE du transistor Q, tend à baisser au-dessous de cette valeur, l'étage comparateur change d'état et Q1 conduit. Si l'intensité du courant de conduction du transistor Q1 dépasse la valeur seuil I, déterminée par le générateur correspondant de courant constant, le courant est fourni à la base du transistor Q4 en le rendant conducteur et donc en retirant du courant de la base du transistor d'attaque Q3 en augmentant donc le /3 forcé du transistor Q et en réduisant le courant de fuite vers le substrat. Autrement dit, une certaine valeur minimale de VVE est imposée au transistor Q, déterminée par la chute de tension créée dans la résistance de régulation R en imposant par l'intermédiaire de R un courant constant, I, et un courant variable, Iv, qui correspond à une certaine fonction du courant d'entrée Io, au régulateur. De cette manière, il est possible d'optimiser la ca- ractéristique de la chute de tension du régulateur en fonction du niveau du courant d'entrée IO0 du régulateur. Dans ce type d'application, une caractéristique de type exponentiel est particulièrement préférée car elle déter- mine un rapport AVcE/àIo élevé aux fortes intensités de courant d'entrée et un rapport tVCE/àIo bas aux faibles intensités de courant d'entrde. La Fig. 2 représente un régulateur de tension intégré semblable à celui de la Fig. 1 et dans lequel les compo- sants semblables sont désignés par les mêmes repères numé- riques que sur la Fig. 1, mais dans lequel le circuit d'antisaturation objet de la présente invention est réa- lisé différemment en utilisant, par exemple, deux tran- sistors n-p-n (Q11 et Q22) pour le circuit comparateur. Le fonctionnement est le suivant. Négligeant le cou- rant de la base du transistor Q11 (de toute façon infé- rieur à I1 et Iv), il y a sur la résistance de régulation R la différence de potentiel donnée par: R (I +) = R I1 + f (IO) o f (Io) est une fonction préétablie du courant d'entrée IO. o- Si Vi > Vo + AV, le comparateur, formé de Ql1' Q22' Q1 et Q2' est en état de ne pas fournir au transistor Q4 n'importe quel courant et, donc, de ne pas soustraire de courant depuis le transistor d'attaque Q3 du tran- sistor Q. Chaque fois que se produit la condition ViVo + Av (ou VCE .V), le comparateur change d'état et Q22' Q2 et Q1 conduisent. Le courant de conduction à la sortie de Q22' Q2 et Q1 qui dépasse le seuil établi par VBEQ4/R4 est envoyé à la base de Q4 en la rendant conductrice, en retirant ainsi du courant à la base de Q3 et en aug- mentant lep forcé de Q en empêchant ou en réduisant la fuite de courant vers le substrat. Les deux générateurs de courant 13 et la résistance R constituent un décaleur de tension pour rendre la dyna- mique de sortie du comparateur compatible avec le tran- sistor Q4. Bien que l'invention ait été décrite en référence aux schémas électriques de deux formes pratiques préférées de réalisation de celle-ci, il est entendu que des variantes et modifications de ces schémas peuvent être apportées par des techniciens compétents tout en demeurant dans le cadre et l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS: 1. Circuit d'antisaturation pour transistor intégré p-n-p, caractérisé en ce que ledit circuit comporte un circuit comparateur comprenant au moins deux transistors (Q1-Q2) et au moins un générateur de courant générique capable de déterminer un courant de seuil maximal préétabli passant à travers lui-même et donc à travers le transistor conducteur dudit circuit comparateur; une résistance de régulation (RI montée entre l'émetteur du transistor p-n-p et au moins un généra- teur d'un courant variable qui est une fonction pré- établie du courant émetteur du transistor p-n-p; le circuit comparateur changeant d'état quand apparatt la condition donnée par la relation: VCE AV o VCE est la tension collecteut-émetteur du transistor p-n-p et AV est une chute de tension sur la résistance R déterminée par le passage par R d'un courant qui est la somme d'un courant constant pré- réglé et dudit courant variable produit par ledit générateur; le changement d'état du circuit comparateur, dont la caractéristique est déterminée par ladite fonction préétablie, déterminant une conduction croissante du transistor du circuit comparateur qui, dans des condi- tions de fonctionnement normal du transistor p-n-p, est non-conducteur; des moyens, entrainés par le courant de conduction dudit transistor du circuit comparateur qui dépasse le courant de seuil maximal préétabli par ledit générateur de courant, pour accroître le ( forcé du transistor p-np et donc réduire le courant de fuite vers le substrat. 2. Circuit d'antisaturation pour transistor intégré p-n-p (Q), caractérisé en ce que ledit circuit comporte un circuit comparateur formé par deux transistors p-n-p (Q1 et Q2) qui ont des générateurs de courant constant géné- rique indépendants reliés aux collecteurs correspondants, la base des deux transistors (Q1 et Q2) étant reliée au collecteur de Q2; et un générateur de courant (Iv) dont le courant fourni est une fonction préétablie du courant d'émet- teur dudit transistor p-n-p (Q)>. le collecteur du transistor Q étant relié, via une résistance de charge, à l'émetteur de Q1, l'émetteur du transistor Q étant relié à la fois, via une résis- tance (R): à l'émetteur de Q2, via une résistance de charge, et audit générateur de courant Iv; le changement d'état dudit circuit comparateur, dont la caractéristique est déterminée par ladite fonc- tion préétablie à l'aide dudit générateur Iv de courant variable, étant déterminé par une chute de la tension VCE du transistor Q, en-dessous d'une certaine valeur mini- iâlequi est préréglée en dimensionnant de façon appropriée ladite résistance R, avec la conduction croissante concomitante du transistor Q1; des moyens, activés par le courant de conduction du transistor Q1 supérieur au courant préétabli du géné- rateur de courant correspondant, pour déterminer la soustraction de courant à la base du transistor Q en augmentant son forcé et en réduisant le courant de fuite vers le substrat. 3. Circuit d'antisaturation selon la revendication2, caractérisé en ce que la partie du courant de conduction du transistor Q1 qui dépasse l'intensité fixe du générateur de courant correspondant est appliquée à la base d'un transistor n-p-n monté entre la base d'un transistor n-p-n excitant le transistor Q et la terre en détermi- nant une soustraction de courant à la base du transistor n-p-n d'excitation et donc en augmentant le / forcé du transistor Q. 4. Circuit d'antisaturation selon la revendication 1, caractérisé en-ce que le générateur de courant I délivre un courant qui est une fonction exponentielle du courant d'émetteur du transistor Q. 5. Régulateur de tension intégré utilisant un transistor p-n-p (Q) comme régulateur en série et ayant une boucle de régulation comportant un amplificateur opérationnel pour comparer la tension de sortie avec une tension de référence et par conséquent réguler le courant de base d'un transistor np-n d'excitation du transistor Q, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit comparateur formé par deux transistors p-n-p (Q1 et Q2) ayant des générateurs de courant constant génériques sur les collecteurs correspondants, la base des deux transistors Q1 et Q2 étant reliée au collecteur de Q2; et un générateur de courant (Iv) dont le courant de sortie est une fonction préétablie du courant d'en- trée dudit régulateur; la sortie du régulateur étant reliée, via une résistance de charge à l'émetteur de Q1, l'entrée du régulateur étant reliée à la fois, via une résistance R: à l'émetteur de Q2, via une résistance de charge, et au générateur de courant Iv; le changement d'état du circuit comparateur, dont la caractéristique est déterminée par ladite fonction, préétablie au moyen dudit générateur de courant Iv, étant déterminé par une chute de la tension VCE du transistor Q sous une certaine valeur minimale qui est préréglée en dimensionnant de façon appropriée la résis- tance R, avec pour conséquence une augmentation de la conduction du transistor Q1; des moyens, commandés par le courant de conduction du transistor Q1 supérieur à l'intensité fixe du géné- rateur de courant correspondant, pour soustraire du courant à la base du transistor d'excitation du tran- sistor Q. 6. Régulateur de tension selon la revendication 5, dans lequel le générateur de courant Iv délivre un courant qui est une fonction exponentielle du courant d'entrée du régulateur.