Brevet FR2615636A1 — publié le 19881125

"MIROIR DE COURANT A TENSION DE SORTIE ELEVEE. La présente invention a pour objet un miroir de courant comportant une première branche traversée par un cou- rant à recopier, ladite première branche comportant le trajet de courant principal d'un premier transistor d'un premier ty- pe, ainsi qu'une deuxième branche traversée par un courant de sortie recopiant le courant d'entrée, ladite deuxième branche comportant le trajet de courant principal d'un deuxième tran- sistor, du premier type, les bases du premier et du deuxième transistor étant interconnectées, un troisième transistor du premier type ayant sa base et son émetteur connectés respecti- vement au collecteur et à la base du premier transistor. Un miroir de courant du type précité est connu en tant que miroir de courant du type WIDLAR, dans lequel le col- lecteur du troisième transistor est connecté à une source de tension d'alimentation. Dans ce type de montage, la valeur de la tension de sortie est limitée à environ BVCEO, valeur au delà de la- quelle le deuxième transistor fonctionne en régime d'avalan- che. L'invention a pour objet un miroir de courant dans lequel la tension de sortie peut atteindre des valeurs nette- ment plus élevées. Dans ce but, il est caractérisé en ce que la deuxième branche comporte, en série avec le trajet de courant principal du deuxième transistor, le trajet de courant princi- pal d'un quatrième transistor, et en ce qu'il comporte un miroir de courant auxiliaire pour injecter dans la base du quatrième transistor un premier courant d'injection dont la valeur est égale & la moitié du courant circulant dans le collecteur du troisième transistor. Le miroir de courant auxiliaire peut, selon un mode de réalisation préféré, comporter un cinquième transistor mul- ti-collecteurs d'un deuxième type opposé au premier, présen- tant un premier collecteur délivrant ledit premier courant d'injection et un deuxième collecteur, par exemple constitué par deux portions de collecteur interconnectées et de même surface que le premier collecteur, ledit deuxième collecteur étant connecté à la base du cinquième transistor et au collec- teur du troisième transistor. Selon un premier mode de réalisation, le miroir de courant délivre un deuxième courant d'injection de même inten- sité que le premier et s'ajoutant dans la première branche au- dit courant d'entrée. Le deuxième courant d'injection peut être délivré par un troisième collecteur du cinquième transis- tor. Selon un deuxième mode de réalisation préféré per- mettant d'atténuer l'incidence de l'effet Early du deuxième transistor, la première branche comporte, entre l'émetteur du premier transistor et le pôle de mode commun, le trajet de courant principal d'un sixième transistor du premier type dont le collecteur est connecté à l'émetteur du premier transistor et l'émetteur, au pôle de mode commun, et la branche de sortie comporte une diode en direct dont une électrode est connectée au pôle de mode commun. La diode peut être par exemple un septième transistor du premier type monté en diode dont la ba- se et le collecteur sont court-circuités et connectés à la ba- se du sixième transistor et à l'émetteur du deuxième transis- tor, l'émetteur du septième transistor étant connecté au pôle de mode commun. Le miroir de courant auxiliaire peut avantageuse- ment délivrer, par exemple grâce à un quatrième collecteur du cinquième transistor, un troisième courant d'injection de même intensité que le premier et s'ajoutant dans la deuxième bran- che au courant délivré par le trajet de courant principal du quatrième transistor. Selon un troisième mode de réalisation permettant d'atteindre des tensions plus élevées que dans les deux cas précédents, la deuxième branche comporte, entre le collecteur du quatrième transistor et le point o le courant de sortie est délivré, le trajet de courant principal d'un huitième transistor du premier type, le miroir de courant auxiliaire étant agencé pour injecter dans la base du huitième transistor - un quatrième courant d'injection de même intensité que le pre- mier, par exemple grâce à un cinquième collecteur du cinquième transistor. Le cinquième transistor peut également présenter un sixième collecteur délivrant un cinquième courant d'injec- tion de même intensité que le courant de collecteur du troi- sième transistor et s'ajoutant dans la première branche audit courant d'entrée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limita- tif, en liaison avec les figures qui représentent: - la figure la un miroir de courant connu du type WIDLAR - la figure lb un miroir de courant connu du type WILSON - la figure 2 un miroir de courant selon un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 3 un miroir de courant selon un mode de réalisa- tion préféré de l'invention, limitant l'influence, de l'effet Early - et la figure 4 un troisième mode de réalisation de l'inven- tion présentant une tension de sortie particulièrement élevée. Selon la figure la, un miroir de courant du type WIDLAR présente une branche d'entrée recevant un courant d'en- trée IE et comportant le trajet de courant principal d'un transistor T1 et une branche de sortie traversée par un cou- rant de sortie Is et comportant le trajet de courant principal d'un transistor T2.-Les bases des transistors T1 et T2 sont interconnectées. Un transistor T3 a sa base connectée au point d'amenée du courant IE et son trajet de courant principal s'étend entre une source de tension d'alimentation U et les bases des transistors Tl-et T2. Les transistors T1 T2 et T3 sont ici du type npn, les émetteurs de T1 et T2 étant connec- tés au pôle de mode commun, et celui de T3 aux bases de T1 et T2. Le courant de base du transistor T3 pouvant être considéré comme négligeable, le courant de sortie Is est égal au courant d'entrée IE. Selon la figure lb, un miroir de courant de type WILSON présente une branche d'entrée recevant un courant d'en- trée IE et comportant le trajet de courant principal d'un transistor T'I, et une branche de sortie traversée par un cou- rant de sortie Is et comportant le trajet de courant princi- pal d'un transistor T'2. La première branche comporte en outre, en série avec le trajet de courant principal du transistor T'1, et en direct, une diode D1, représentée ici sous la forme d'un tran- sistor npn dont la base et le collecteur sont court-circuités et connectés à la base du transistor T'2, et dont l'émetteur est connecté au collecteur du transistor T'1 dont l'émetteur est connecté au pôle de mode commun. La deuxième branche comporte en outre, en série avec le trajet de courant principal du transistor T'2, et en direct, une diode D2, représentée ici sous la forme d'un tran- sistor npn dont la base et le collecteur sont court-circuités et connectés à la base du transistor T'i et à l'émetteur du transistor T'2, et dont l'émetteur est connecté au pôle de mo- de commun. Soient IB1 et IB2 les courants de base respec- tivement des transistors T'l et T'2. Le courant arrivant au collecteur de T'I a pour va- leur IE-Ib2 et donc le courant circulant dans l'émetteur de T'l a pour valeur IE-IB2+IB1. Ce dernier courant, du fait de l'interconnection entre la base du transistor T'I et l'anode de la diode D2, est le même que celui qui traverse la diode D2 si on suppose que cette diode est réalisée à partir d'un transistor de mêmes dimensions que le transistor Ti'. Le courant qui traverse l'émetteur du transistor T'2 a donc pour valeur IE-IB2 + 2 lB1 d'o: Is = IE + 2(IB1 - IB2) ' IE Par contre, la tension de sortie maximale qui peut être obte- nue au collecteur du transistor T2 (fig. la) ou T'2 (fig. lb) est limitée par la structure de la branche de sortie à une va- leur de l'ordre de BVCEO + VBE, car lorsque la tension collecteurémetteur de T2 atteint la valeur BVCEO, tension d'avalanche collecteurémetteur, le fonctionnement n'est plus linéaire, et Is ne recopie plus IE que de manière approxima- tive. Or, il est souhaité dans certaines applications que la précision de recopie soit de l'ordre de quelques %, ce qui implique de reconsidérer le montage. L'idée de base de l'invention consiste à associer en série dans la branche de sortie les deux trajets de courant principal de deux transistors, de manière à permettre d'obte- nir en sortie une tension bien supérieure, par exemple de l'ordre de 2 BVCEO, tout en conservant la précision de recopie du courant d'entrée IE. Selon la figure 2, la branche d'entrée recevant le courant d'entrée IE comporte le trajet de courant principal d'un transistor T1 dont l'émetteur est connecté au pôle de mo- de commun. La branche de sortie, délivrant le courant Is com- porte en série les trajets de courant principal de transistors Tz et T4, l'émetteur de T4 étant connecté au collecteur de T2 et l'émetteur de T2, au pôle de mode commun. De plus, les ba- ses des transistors T1 et T2 sont connectées entre elles, ce qui fait que ces deux transistors présentent le même courant d'émetteur. L'égalité des courants dans les deux branches est obtenue en injectant des courants de même intensité IB dans la base du transistor T4 ainsi que dans la première branche, ce dernier courant venant s'ajouter au courant d'entrée IE. Selon l'exemple de réalisation de la figure 2, ces courants sont produits par un transistor multi-collecteurs T5 présentant quatre sorties de collecteur. Deux de ces sorties sont utilisées l'une pour injecter un courant d'intensité IB dans la branche d'entrée, de manière que celui-ci vienne s'ad- ditionner au courant d'entrée IE (ce qui permet de réaliser une compensation exacte) et l'autre pour injecter un courant d'intensité IB dans la base du transistor T4. Les deux au- 26 15636 tres sorties sont connectées entre elles et avec la base du transistor Ts, et le courant d'intensité 2 IB qui y circule est divisé par deux à chacun des collecteurs précités, le transistor T5 constituant un miroir de courant auxiliaire. Ce courant 2IB est le courant de collecteur d'un transistor T3 dont l'émetteur est connecté à la base des transistors T1 et T2, et la base au collecteur du transistor T1. L'émetteur du transistor T5 reçoit une tension d'alimentation U. Comme les transistors T1 et T2 ont pratiquement le même courant de collecteur, le fait que leur courant de base IB soit le même a pour conséquence qu'ils ont pratiquement la même tension collecteur-émetteur. Soit Vs la tension de sortie prise sur le collec- teur du transistor T4 (point S). La tension VA au point A 1 (collecteur de T2) vaut alors pratiquement 2 Vs. Ce partage de la tension de sortie entre les deux transistors T2 et T3 permet approximativement de doubler la tension de sortie maximale par rapport à un miroir simple. On peut distinguer deux zones de fonctionnement. 1) Vs teur d'un transistor (environ 0,7V). On choisit U dans leur zone linéaire. On notera que, VA variant, il exis- te une certaine sensibilité à l'effet Early du transistor T2. 2) 2 U - 2 VBE Le transistor T5 se sature et VA se fixe à U - VBE. Un courant IB peut remonter la jonction collecteur-base du transistor T4 qui commence alors à travailler dans la zone BVCB. On a alors: Is = IE+ IBI Ce courant IB croit à mesure que VS croit. La valeur limite de Vs est U + BVCBO ou le BVCS du transistor T4. Exemple: BVCEO = 27V BVCBO 67 V BVCS = 80V IE = 100pA U = 25 V; des résistances de IkQ sont disposées dans les émetteurs de T1 et T2. II II I I I I IVs(V) 1 1 5 1 o10 1 20 1 30 1 50 1 60 I I I I I I I I Is(pA) 199,641100,421101,121102,341102,831104,121106,73 I I 1791 I I 115,341150 1 Selon la figure 3, les transistors T1...Ts sont ar- rangés de la même façon que dans la figure 2, à l'exception de la suppression du collecteur du transistor T5 injectant un courant dans la branche d'entrée. La branche d'entrée comporte, entre l'émetteur du transistor T1 et le pôle de mode commun, le trajet de courant principal d'un transistor Tg dont le collecteur est connecté à l'émetteur du transistor T1, et l'émetteur, au pôle de mode commun. La branche de sortie comporte un transistor T7 mon- té en diode, sa base et sont collecteur étant court-circuités et connectés à la base du transistor TE et à l'émetteur du transistor T2. L'émetteur des transistor T7 est connecté au pâle du mode commun. soit: Is = IE + IB (égalité des courants dans les tran- sistors T6 et T7) avec Vs) 2 VBE %1,5V Par contre, la sensibilité à l'effet Early est moins importante Exemple: Avec U = 25V, IE = 100pA BVCEO, BVCBO, BVCS: mêmes valeurs quue précédemment. I I I I t I II {Vs(V) | 1,5 1 5 1 10 1 20 I 30 1 50 1 60 I I I I i I I I lIs(pA)199,l811100,041100,131100,391100,661101,881104,47 I i I t I- I 81 l l 112,871150 I La précision est excellente de 1,5V à 50V et se dé- grade rapidement ensuite. Selon la figure 4, la branche de sortie présente en série à partir du point S qui délivre le courant de sortie Is les trajets de courant principal de transistors successivement T8, T4 et T2. Pour la clarté du dessin, le transistor T5 est représenté comme deux transistors T51 et T52 aux bases inter- connectées et dont les émetteurs sont connectés à la source de tension d'alimentation U. Le transistor T51 présente deux col- lecteurs connectés à la base respectivement des transistors T8 et T4. Le transistor T52 présente quatre collecteurs de même surface interconnectés deux par deux (ou deux collecteurs de surface double de ceux du transistor Ts51). Deux de ces collec- teurs interconnectés sont connectés au point de la branche d'entrée recevant le courant IE de manière à ce que leur courant s'ajoute à celui-ci. Les deux autres collecteurs in- terconnectés sont connectés à la base du transistor Ts2 et au collecteur du transistor T3, éventuellement à travers une dio- de Zener en inverse dont la tension de Zener est préférable- ment supérieure à U-BVCEo(T3), de manière à limiter les risques de claquage. Dans la base des transistors T1 et T2, circule un courant IB, et donc, en négligeant le courant de base du transistor T3, un courant 2IB dans le collecteur de ce dernier. Les transistors T51 et T52, formant un miroir de courant analogue à celui du transistor T5, délivre un courant 2IB à la branche d'entrée, et un courant IB à la base de chacun des transistors Te et T4. Un courant IE + 3IB circule dans les émetteurs de T1 et T2, un courant IB + 2IB dans l'émetteur de T4, un courant IE + IB dans l'émetteur de Te, et Is recopie donc le courant d'entrée IE. En choisissant U = 2BVCEO, Vs peut atteindre approximativement 3 BVCEo, à savoir environ 80V en reprenant les valeurs des exemples précédents. REVENDICATIONS: 1. Miroir de courant comportant une première branche traversée par un courant d'entrée à recopier, ladite première branche comportant le trajet de courant principal d'un premier transistor d'un premier type de conduction, ainsi qu'une deuxième branche traversée par un courant de sortie recopiant le courant d'entrée, ladite deuxième branche comportant le trajet de courant principal d'un deuxième transistor du pre- mier type, les bases du premier et deuxième transistors étant interconnectées, un troisième transistor du premier type ayant sa base et son émetteur connectés respectivement au collecteur et à la base du premier transistor caractérisé en ce que la deuxième branche comporte,en série avec le trajet de courant principal du deuxième transistor (T2), le trajet de courant principal d'un quatrième transistor (TO), du premier type, et en ce qu'il comporte un miroir de courant auxiliaire pour injecter dans la base du quatrième transistor (T,) un premier courant d'injection dont la valeur est égale à la moitié du courant circulant dans le collecteur du troisième transistor (T3). 2. Miroir de courant selon la revendication 1 caracté- risé en ce que le miroir de courant auxiliaire comporte un cinquième transistor (T5) d'un deuxième type opposé au pre- mier, présentant un premier collecteur délivrant ledit premier courant d'injection et un deuxième collecteur connecté à la base du cinquième transistor (T5) et au collecteur du troisiè- me transistor (T3). 3. Miroir de courant selon la revendication 2 caracté- risé en ce que le deuxième collecteur est constitué de deux portions de collecteurs interconnectées et de même surface que le premier collecteur. 4. Miroir de courant selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le miroir de courant est agencé pour délivrer un deuxième courant d'injection de même intensité que le premier et s'ajoutant dans la première branche audit cou- rant d'entrée (IE). 5. Miroir de courant selon la revendication 4 en com- binaison avec une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le deuxième courant d'injection est délivré par un troi- sième collecteur du cinquième transistor (T5). 6. Miroir de courant selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la première branche comporte, entre l'émetteur du premier transistor (T1) et le pôle de mode com- mun, le trajet de courant principal d'un sixième transistor (T6) du premier type dont le collecteur est connecté à l'émet- teur du premier transistor (T1), et l'émetteur, au pôle de mo- de commun, en ce que la deuxième branche de sortie comporte une diode en direct dont une électrode est connectée au pôle de mode commun et l'autre électrode à l'émetteur du deuxième transistor (T2) et à la base du sixième transistor (Ts). 7. Miroir de courant selon la revendication 6 caracté- risé en ce que ladite diode est un septième transistor (T7) du premier type dont la base et le collecteur sont court-circui- tés et connectés à la base du sixième transistor (T6) et à l'émetteur du deuxième transistor (T2), l'émetteur du septième transistor (T7) étant connecté au pôle de mode commun. 8. Miroir de courant selon la revendication 6 ou 7 ca- ractérisé en ce que le miroir de courant auxiliaire est agencé pour délivrer un troisième courant d'injection de mème inten- sité que le premier-et s'ajoutant dans la deuxième branche au courant délivré par le trajet de courant principal du quatriè- me transistor (T4). 9. Miroir de courant selon la revendication 8 en com- binaison avec une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que ledit troisième courant d'injection est délivré par un quatrième collecteur du cinquième transistor (Ts). 10. Miroir de courant selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la deuxième branche comporte, entre le collecteur du quatrième transistor (T) et le point (S) o le courant de sortie (Is) est délivré, le trajet de courant prin- cipal d'un huitième transistor (Te) du premier type, et en ce que le miroir de courant auxiliaire est agencé pour injecter c615636 dans la base du huitième transistor un quatrième courant d'in- jection de même intensité que le premier. 11. Miroir de courant selon la revendication 10 carac- térisé en ce que le miroir de courant est agencé pour délivrer un cinquième courant d'injection de même intensité que le cou- rant de collecteur du troisième transistor (T3) et s'ajoutant dans la première branche.audit courant d'entrée (IE). 12. Miroir de courant selon la revendication 10 en com- binaison avec une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le quatrième courant d'injection est délivré par un cin- quième collecteur du cinquième transistor (Ts). 13. Miroir de courant selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le cinquième courant d'injection est délivré par un sixième collecteur du cinquième transistor (Ts). 14. Miroir de courant selon la revendication 13 carac- térisé en ce que le sixième collecteur comporte deux portions de collecteur interconnectées et de même surface que le cin- quième collecteur. 15. Miroir de courant selon une des revendications 10 à 14 caractérisé en ce qu'il comporte une diode Zener (Z) en inverse disposée dans le collecteur du troisième transistor (T3), ladite diode Zener (Z) ayant une tension Zener au moins égale à la tension d'alimentation U diminuée de la tension d'avalanche BVCEO d'un transistor.