Brevet FR2628230A1 — publié le 19890908

(i RÉPUBLIQUE FRAN AISE Y) N de' publication 2 628 230 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE D N d'enregistrement national 88 02772 PARIS (f) Int CI4 G 05 F 1/565. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 ) Date de dépôt: 4 mars 1988. ( Demandeur(s): Société Anonyme RTCCOMPELEC. - FR. () Priorité FR (6 Inventeur(s): Marc Simon, Société civile S.P.I.D. Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. ) Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: rns Titulaire(s): ( Mandataire(s): Philippe Jacquard, Société civile S.P.I.D. ) Source de courant à gamme étendue de tensions de sortie. 57 L'invention concerne une source de courant à gamme étendue de tensions de sortie. Le trajet émetteur-collecteur d'un transistor principal Tm non agencé de manière à définir la valeur de courant, est disposé en série avec le trajet collec- teur-émetteur de transistors de sortie du type npn T31... T35 disposés en cascade. A chaque transistor de sortie T31... T35 est associé un transistor de commande T'31... T'3s du type opposé. Au moins certains transistors de commande T'31... T '3s ont leur émetteur connecté au collecteur d'un transistor de' v sortie de rang différent On obtient ainsi une tension de sortie V, pouvant évoluer entre des tensions faibles et une valeur i voisine de la tension d'alimentation V, O N N oe UL D Vente des fascicules à l'IMPRIMERIE NATIONALE, 27, rue de la Convention - 75732 PARIS CEDEX 15 SOURCE DE COURANT A GAME ETENDUE DE TENSIONS DE SORTIEZ La présente invention a pour objet une source de courant à gamme étendue de tensions de sorties, dans lequel le trajet émetteur-collecteur d'un transistor principal agencé de manière à définir la valeur du courant de la source de courant est disposé en série avec le trajet émetteurcollecteur d'au moins un transistor de sortie. La disposition en série d'au moins un transistor de sortie permet d'atteindre des tensions de sortie supérieures à celles que permet normalement le procédé de fabrication du circuit intégré pour un transistor, mais dans ce cas, la ten- sion de sortie maximale diffère notablement de la tension d'a- limentation disponible, et ce d'autant plus que le nombre de transistors de sortie est élevé. L'invention propose une source de courant du type précité, ayant une valeur de courant relativement élevée, et susceptible de fonctionner pour des tensions de sortie évo- luant entre une tension collecteur-émetteur d'un transistor de sortie en mode saturation VcEsat'et une valeur'aussi voisine que possible de la tension d'alimentation. Le principe de base de l'invention consiste à asso- cier à chaque transistor de sortie un transistor de commande du type opposé ayant un potentiel d'émetteur fixé par bouclage sur un étage différent, et à faire fonctionner les transistors de sortie en BVCEO pour les faibles tensions de sortie. La source de courant selon l'invention est ainsi ca- ractérisée en ce qu'elle comporte n transistors de sortie avec n>2, le premier transistor de sortie ayant son collecteur con- necté à l'émetteur du transistor principal, le pèze transis- tor, avec 1 (p-l)ème transistor, l'émetteur du nème transistor consti- tuant la sortie de la source de courant et en ce qu'a chaque qène transistor de sortie est associé un qême transistor de commande du type opposé dont la base comporte au moins une diode dans le sens direct et référencée à un qème potentiel de référence, dont le collecteur est connecté à la base du qème transistor de sortie correspondant, et dont l'émetteur est connecté au collecteur du (q-r)ème transistor de sortie pour q>r, et au collecteur du transistor principal ainsi qu'à une source de tension d'alimentation pour q Selon, un mode de réalisation préféré, r est infé- rieur ou égal à-la partie entière de b diminuée d'une unité, b désignant le rapport entre les BVCEO des transistors npn et pnp, par exemple r = 2 et p = 5. Selon une variante avantageuse, lesdits poten- tiels de référence sont fixés chacun à la valeur maximale cor- respondant à la valeur minimale possible pour les tensions collecteur-émetteur des transistors de sortie en régime de sa- turation VCEsat. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limi- tatif, en liaison avec les dessins qui représentent: - les figures 1 à 3, des montages d'essai non publiés de la Demanderesse donnés à titred'illustration, - la figure 4, un mode-de réalisation de l'invention. Selon la figure 1, un transistor principal To de type pnp a son émetteur relié à une source de tension d'ali- mentation Vc à travers une résistance Ro, et son collecteur connecté à l'émetteur d'un transistor T1 dont le collecteur est lui-méme connecté à l'émetteur d'un transistor T2. La base des transistors T1 et T2 est connectée à deux diodes en série et dans le sens direct (D1, D'i) et (D2, D'z) et dont la fonc- tion est de forcer le fonctionnement des transistors T1 et T2 en BVCEO pour des faibles niveaux de tension de sortie Vs. Le nombre de diodes nécessaire est dicté par les valeurs des tensions qu'elles doivent supporter. Dans ce but, la ca- thode des diodes D'l et D'2 (point A et B respectivement) sont portées à des potentiels fixés par des sources de courant (T"1, R",) et (T"2, R"2) respectivement et la valeur de résis- tances R1 et R2 disposées respectivement entre les points A et B et le pôle de mode commun. Un transistor T3 dont la base et le collecteur sont court-circuités et coopérant avec une source de courant i3, forme un miroir de courant de manière classique avec les tran- sistors TO, T*i et T'2. La tension de sortie Vs est disponible au collecteur du transistor Tz. Cette tension de sortie évolue suivant la charge appliquée au collecteur du transistor T2. Lorsque la tension de sortie Vs est faible (par exemple de l'ordre de O,7V), les transistors TI et T2 travail- lent dans le mode BVCEo, le transistor Te restant dans un mode de fonctionnement classique. Lorsque la tension de sortie Vs approche de la valeur de la tension d'alimentation Vc (par exemple 30V), les transistors T1, T2 et T3 travaillent en sa- turation. Le problème de ce montage est la difficulté de réa- liser des transistors pnp intégrés fournissant un courant col- lecteur suffisant pour certaines applications, par exemple 1-A pour alimenter une diode Varicap d'un tuner de récepteur radio ou TV. Selon la figure 2, ce problème de courant est solu- tionné en mettant en oeuvre des cellules comportant un tran- sistor pnp et un transistor npn. Le courant de collecteur du transistor pnp est divisé par le gain en courant B du transis- tor npn associé, qui peut quant & lui fournir un courant suf- fisant. Selon la figure 2, chaque cellule se compose d'un transistor npn (To10.... T1s) et d'un transistor pnp (T'1î.. T'15) le collecteur du transistor pnp étant connecté à la base du transistor npn, et l'émetteur du transistor pnp, au collecteur des transistors npn. Les transistors T'. 11 & T'13 présentent des diodes en direct respectivement Di1, D12, D13, D14 et D'1I, D15 et D'15 connectées à leur base et référencées chacune à un potentiel fixe donné. Des transistors T16 et T17 sont agencés de manière à former avec le transistor T10 un mi- roir de courant. On a ainsi remplacé trois transistors pnp par six cellules en raison du fait que le BVCEO d'un npn est infé- rieur à celui d'un pnp, dans le cas d'espèce d'un facteur d'environ 3. Le problème de ce montage est que, lorsque Vs, tension de sortie disponible sur l'émetteur de T15, augmente, sa valeur maximale Vsmax se trouve limitée à Vc - 6VBEnpn - 6VCEsat pnp avec VBEnpn = tension baseémetteur d'un transistor npnx0,8V Vp = VCEsat pnp = tension collecteur-émetteur d'un tran- sistor pnp saturé 20,1V soit Vsmax = Vc -5,4V La figure 3 correspond à un montage permettant de diminuer cet écart et de le ramener à environ 6VCEsat npn Pour ce faire, des émetteurs des transistors T'Vo à T'1s ne sont plus connectés aux collecteurs des transistors T10 à T15, mais référencés à des potentiels fixes à travers des résistan- ces R'10 à R'15. Pour des faibles niveaux de sortie, le transistor T'15 doit fonctionner au maximum en BVCEo, et la tension d'émetteur du transistor T'15 doit être fixée à environ Vs(min) + VBEnpn + BVCEO, Vs(min) désignant la valeur minimale de la tention Vs. Par contre, pour des forts niveaux de sortie, la tension de collecteur du transistor T'15 doit être très voisi- ne de VC, ce qui implique un fonctionnement en inverse de ce transistor et donc l'impossibilité d'utiliser ce montage. Selon la figure 4, le montage suivant l'invention comporte des transistors T30 à T35 de type npn dont les tra- jets collecteur-émetteur sont connectés en série comme ceux des transistors T10 à T15. Un transistor T'30 dont le collecteur est connecté à la base du transistor T30, et dont l'émetteur est connecté à la source de tension d'alimentation VC est monté de manière classique en miroir de courant avec des transistors T36 et T37. Des transistors T'31 à T'35 constituant des transistors de commande associés respectivement aux transistors de sortie T31 & T35 ont leur collecteur connecté à la base respective- ment des transistors T31 à T35. L'émetteur des transistors T'31 et T'32 est connecté à la source de tension d'alimenta- tion Vc, alors que celui des transistors T'33 à T'35 est connecté au collecteur des transistors respectivement T31 à T33. Les bases des transistors T'31 &.T'3s sont connectées à des diodes en direct respectivement D31, D32, D33 et D'33, D34 et D'34, D35 et D'35, qui ont pour fonction de permettre le fonctionnement en BVCEO aux faibles tensions de sortie Vs à l'émetteur du transistor T35. Le potentiel de référence de ba- se des transistors T'31 à T'35 est déterminé par des sources de courant constituées par des transistors T'31 à T'35 montés en miroir de courant avec les transistors T36 et T37, et par quatre résistances disposées en série R32 à R35. Les résistan- ces R32 à R34 sont connectées en parallèle entre les cathodes des diodes respectivement D32 et D'33 (points A' et B'), D'33 et D'34 (points B' et C'), D'34 et D'35 (points C' et D'). La résistance R35 est connectée entre la cathode de la diode D'35 et le pôle de mode commun. Ce montage correspond à un cas o Vc % 6 BVCEO(npn) pour assurer la tenue en tension, et pour lequel on a 3BVcEO(npn) = BVCEO(pnp) A faible tension de sortie Vs, c'est le rapport b entre les BVCEO des transistors npn et pnp qui permet de connecter le collecteur d'un transistor de commande avec celui d'un transistor de sortie décalé de b-1 = 2 rangs. D'une ma- nière générale, on peut réaliser un décalage d'un nombre de rangs égal au maximum, à (partie entière de b)-1, soit E(b)-1. Aux tensions de sortie élevées, le potentiel émet- teur par exemple du transistor T'35 est le méme que celui du collecteur du transistor T33 ce qui évite l'inconvénient du montage expérimental de la figure 3, puisque la tension d'é- metteur des transistors T'33, T'34 et T'35 évolue en fonction de la tension de sortie Vs- En outre, et comme on va le montrer maintenant, la tension maximale disponible en sortie est plus proche de Vc que dans le.cas du montage expérimental de la figure 2 Soit VBE la tension base-émetteur d'un transistor (environ 0,7V) Soit Vn la tension collecteur-émetteur d'un transistor npn saturé Soit Vp la tension collecteur-émetteur d'un transistor pnp saturé. Pour les tensions de sortie Vs élevée, les tran- sistors T30 à T35 et T'30 à T'3s sont saturés. La tension d'émetteur de T30 peut atteindre la valeur VC-Vp-VBE La tension d'émetteur de T31 peut atteindre la valeur Vc-Vq-Vn-VBE La tension d'émetteur de T32 peut atteindre la valeur Vc-Vp-2Vn-VBE La tension d'émetteur de T33 peut atteindre la valeur Vc-2Vp-2VBE La tension d'émetteur de T34 peut atteindre la valeur Vc-2Vp-Vn-2VBE. La tension maximale de sortie Vs disponible à l'é- metteur du transistor T35, peut atteindre la valeur Vc-2Vp-2Vn-2VBE. A titre d'exemple, un procédé de fabrication de circuits intégrés bipolaires permettant l'intégration simulta- née de circuits analogiques et numériques, présente les va- leurs caractéristiques suivantes: Vn = 0,1V Vp = 0,1V VBE t 0,8V BVcEO npn = 5V BVcEOpnp = 15V La tension maximale admissible est alors: Vs = Vc 1,8V Avec le nombre de transistors en cascade de la fi- gure 4, on peut alimenter le circuit sous 30V, ce qui permet par exemple de faire fonctionner une diode Varicap entre envi- ron 0,7 et 28V. Les diodes étant réalisées à partir de tran- sistors npn, supportant une tension maximale de 20V (fonction- neaent en BVCBO), et les tensions à supporter étant supé- rieures à cette valeur pour les bases des transistors T'33 à T'35, deux diodes sont nécessaires pour ces transistors. Une condition à respecter est que les transistors T30 et T'30 ne partent pas en avalanche car ce sont les deux transistors qui limitent le courant. Le pont de résistances R32 à R3s est avantageuse- ment prévu pour que le potentiel de base des transistors T'33 à T'3s ait la valeur maximale correspondant à la valeur mini- male possible pour les tensions collecteur-émetteur des tran- sistors T30 à T32. En effet, la tension collecteur du transis- tor T31 par exemple vaut VB' + 3VBE, VB, désignant la tension au point B'. Soient VA,, VC, et VD, les potentiels des points A', C' et D'. On peut par exemple utiliser la relation VC-VA, = VD31 + VBE(T'31) avec VD31 = tension aux bornes de la diode D31 VBE(T'31) = tension base-émetteur du transistor T'3! en ré- gion BVCEO. Les tensions des points B', C' et D' résultent alors de la condition imposée par la relation précédente. Le schéma de la figure 4 permet donc d'obtenir les avantages procurés par ceux des figures 2 et 3 sans présenter leurs défauts. Le schéma de la figure 4 présente un avantage supplémentaire, en ce sens que la différence entre les cou- rants collecteur des transistors T30 et T35 est faible, con- trairement au cas de la figure 3, car les courants consommés par les transistors pnp sont réinjectés sur les transistors npn. Un autre avantage de ce montage est qu'il peut fonctionner mnme dans le cas o les transistors T'33 à T'3s sont dans le mode BVCEO, étant donné que le courant princi- pal est limité par le transistor T30. REVENDICATIONS 1. Source de courant à gamme étendue de tensions de sortie, dans lequel le trajet émetteur collecteur d'un tran- sistor principal agencé de manière à définir la valeur du cou- rant de la source de courant est disposé en série avec le tra- jet émetteur-collecteur d'au moins un transistor de sortie-ca- ractérisée en ce qu'elle comporte n transistors de sortie du type npn (T31-T35) avec n)2, le premier transistor de sortie (T31) ayant son collecteur connecté à l'émetteur du transistor principal également du type npn (T30), le pièe transistor de sortie avec 1 teur du (p-1ième) transistor de sortie, l'émetteur du nième transistor de sortie constituant la sortie de la-sour- ce de courant et en ce qu'à chaque qième transistor de sor- tie (T31-T35) est associé un qiè3l transistor de commande du type opposé (T'31...T'35) dont la base comporte au moins une diode dans le sens direct et référencée à un qème potentiel de référence, dont le collecteur est connecté à la base du qième transistor de sortie (T31...T35) et dont l'émetteur est connecté au collecteur du (q-rème) transistor de sortie pour q qu'à une source de tension d'alimentation pour q 2. Source de courant selon la revendication 1 caracté- risé en ce que r4E(b)-1, b désignant le rapport entre les BVcEO des transistors npn et pnp. 3. Source de courant selon la revendication 2 caracté- risée en ce que r=2 et p=5. 4. Source de courant selon une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ledit potentiel de référence est fixé à la valeur maximale correspondant à la valeur minimale possible pour les tensions collecteur-émetteur des transistors de sortie en régime de saturation. fo = ion Li1L AG EJ ID N[I O 2/2 26282.... /T T9 V I. FIG. 3 iT Y 15 i1 Vic VC tk ta c tc VcMic'V uT36 T JJJT 13 31m