Brevet FR2628546A1 — publié le 19890915

SOURCE BASSE TENSION STABILISE EN TEMPERATURE La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés bipolaires et plus particulièrement la réalisation d'une source basse tension stabilisée en température dans de tels circuits intégrés. On va d'abord décrire en relation avec la figure 1 une source basse tension stabilisée en température selon l'art antérieur pour montrer que ces sources sont limitées à la fourniture de tensions basses régules non inférieures à environ 1,25 volts. Ainsi, la figure 1 représente une source de tension selon l'art antérieur comprenant deux transistors NPN à base commune T1 et T2. Le transistor T2 présente une surface d'émetteur p fois plus grande que la surface d'émetteur du transistor T1. Le collecteur et la base du transistor T1 sont interconnectés. L'émetteur du transistor TI est relie directement à la masse et l'émetteur, de plus grande surface, du transistor T2 est relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance rl. Les transistors T1 et T2 sont respectivement traversés par des courants I et mI fournis par exemple par des transistors PNP de surfaces différentes T3 et T4 montés en miroir de courant, c'est-à-dire que leurs bases sont interconnectes et reliées à la base de l'un des transistors et que leurs émetteurs sont reliés à la source d'alimefi- tation haute VC. Un transistor PNP T5, également connecté en miroir de courant avec les transistors T3 et T4, fait passer un courant mI dans la connexion en série d'une résistance r2 et d'un transistor NPN T6 monté en diode.La tension stabilisée est disponible aux bornes de cette connexion ensérie entre une borne de sortie 1 et la masse. Comme cela est connu, ce montage peut, avec un choix approprié du rapport-de surface p des transistors T1 et T2 et un choix approprié des valeurs des résistances r2 et r1 fournir une tension à coefficient de température nul. En effet, la tension V1 sur la borne 1 est égale à la somme de la chute de tension dans la résistance r2 parcourue par le courant mI et de la chute de tension base-émetteur VBE6 (ou plus simplement VBE) du transistor T6. Ainsi V1 = r2mI + VBE. (1) Le courant MI traversant également la résistance rl, on voit que r1mI = VBE1 - VBE2, (2) VBEl-étant la chute de tension base-émetteur du transistor T1 et VBE2 la chute de tension base-émetteur du transistor T2. En combinant les équations (1) et (2) et en appelant AVBE la valeur VBE1 - VBE2, on obtient V1 = (r2/rl)AVBE + VBE. (3) La tension base-émetteur d'un transistor s'exprimant en fonction du courant I qui le traverse, du courant de seuil Is, de la température T et de paramètres connus k et q par l'expression VBE = (kT/q)Ln(I/Is), on a QVBE = (kT/q)Ln(p/m), c'est-à-dire que la valeur V1 s'exprime comme la somme d'un premier terme (r2/rl)AVBE qui croît avec la température et d'un deuxième terme VBE dont il est connu qu'il décroît avec la température.Les coefficients de température de AVBE et VBE sont sensiblement égaux (environ 2 mV/OC) et de signes opposés comme on l'a vu ci-dessus. Ainsi, pour que la valeur V1 ait un coefficient de température nul, il faut que (r2/rl)AVBE soit sensiblement égal à à VBE. Il en résulte qu'avec ces sources de tension stabilisées en température de l'art antérieur, on est inévitablement amené à une valeur minimale de la tension stabilisée en température de l'ordre de 2VBE (environ 1,25 volts). Dans le domaine des circuits intégrés bipolaires, on connaît des circuits pour fournir I partir d'une tension régulée stabilisée en température une tension plus élevée présentant également une impédance de sortie faible et une faible consommat ion de puissance mais on ne connait pas de circuits pour obtenir simplement une tension régulée plus faible à partir d'une tension régulée stabilisée donnée. En conséquence, un objet de la présente invention est de prévoir une source de tension stabilisée en température pouvant avoir toute valeur choisie inférieure à environ 2 VBE (environ 1,25 volts). En particulier, on cherche à obtenir une source de tension régulée stabilisée en température pouvant avoir des valeurs aussi faibles que quelques dizaines de millivolts. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une source brasse tension stabilisée comprenant un amplificateur à décalage de tension choisi (V) et stabilisé en température comprenant - deux transistors NPN à base commune présentant un rapport de surfaces d'émetteurs déterminé (p), - des moyens pour injecter un même courant dans chacun des collecteurs des transistors et pour polariser leurs bases, - une première résistance ayant une première valeur déterminée (R1) entre la base et l'émetteur du premier transistor - des deuxièmes résistances ayant de mêmes deuxièmes valeurs déterminées (R2) entre chaque émetteur et une borne respective d'entrée de l'amplificateur, - d'où il résulte que v = (R2/Rl)VBEl + AUBE, VBE1 étant la tension base-émetteur du premier transistor, et EVBE la différence de tension base-émetteur des deux transistors. Les valeurs R2/R1 et p sont choisis pour que la tension de décalage V ait une amplitude choisie et un coefficient de température sensiblement nul. On voit qu'avec la présente invention, il s'agit d'obtenir un coefficient de température nul pour une expression qui n'est plus du type (r2/r1)VBE + VBE mais du type AVBE + (R2/R1)VBE. Ainsi, on pourra obtenir toute valeur de tension stabilisée choisie régulée en température sensiblement égale I 2(R2/Rl)VBE et non plus 2VBE. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens pour injecter un même courant sont constitués d'un miroir de courant, et les moyens pour polariser les bases comprennent un troisième transistor NPN dont la base est reliée au collecteur du premier transistor, l'émetteur est relié à la base commune des premier et deuxième transistors, le collecteur est relié à une source d'alimentation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit amplificateur a son entrée non-inverseuse reliée à la masse, son entrée inverseuse reliée à la masse par l'intermédiaire d'une troisième résistance et à une borne de sortie de la source par l'intermédiaire d'une quatrième résistance, et sa sortie, prise sur le collecteur du deuxième transistor, reliée à la base d'un quatrième transistor dont le collecteur est connecté à une source de tension haute, la base à des moyens de polarisation et l'émetteur à ladite borne de sortie de la source. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la sortie de l'amplificateur est reliée à la base du quatrième transistor par l'intermédiaire de moyens d'amplification. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens d'amplification comprennent un cinquième transistor recevant sur sa base la sortie de l'amplificateur, dont le collecteur est relié 1 l'alimentation, et dont l'émetteur est relié à la base d'un sixième transistor et à une première borne d'une résistance dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du sixième transistor et à la masse, le collecteur du sixième transistor étant relié à la base du cinquième transistor par l'intermédiaire d'un condensateur, 1 la source d'alimentation par l'intermédiaire de moyens de polarisation, et à la base du quatrième transistor. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers de la présente invention faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1, décrite précédemment, représente une source régulée stabilisée en température selon l'art antérieur ; la figure 2 représente, partiellement sous forme de blocs, une source basse tension selon la présente invention la figure 3 représente un mode de réalisation de l'amplificateur représenté en figure 2 ; et la figure 4 représente un schéma d'ensemble plus détaillé d'un mode de réalisation d'une source basse tension selon la présente invention. La figure 2 représente de façon schématique une source basse tension régulée stabilisée en température selon la présente invention. Cette source comprend un amplificateur A présentant entre ses bornes non-inverseuse et inverseuse une tension de décalage (tension d'offset) prédéterminée V stable et indépendante de la température. La borne d'entrée non-inverseuse de cet amplificateur est reliée directement la masse (ou autre potentiel de référence bas). La borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur A est reliée la masse par l'intermédiaire d'une résistance RA et une borne de sortie 10 de la source basse tension par l'intermédiaire d'une résistance RB.L'amplificateur de courant A fournit un courant 10 à la base d'un transistor NPN T10 dont le collecteur est relié à une tension d'alimentation VC et dont l'émetteur est relié à la borne 10 sur laquelle est disponible la tension'de sortie Vs de la source de tension stabilisée. La base du transistor TlO est alimentée par des moyens de polarisation 11, représentés sous forme d'une source de courant. Ainsi, quand l'état d'équilibre de ce circuit est atteint, le courant de sortie de l'amplificateur A est nul et la tension de décalage V entre les bornes d'entrée est disponible aux bornes de la résistance RA.On obtient -donc sur la borne de sortie 10 une tension Vs telle que Vs = V [1 + (RB/RA)] On notera que si RB est nul, VS = V et que l'on peut donc choisir selon la valeur de RB toute valeur supérieure à V comme tension de sortie Vs. Si, comme on l'a indiqué précédemment, V est une tension stabilisée en température, Vs sera également une tension stabilisée en température. D'autre part, il est bien clair que la tension Vs est une tension régulée. Outre la prévision de ce schEma général, la présente invention prévoit un amplificateur de courant particulier présentant une tension. de décalage déterminée indépendante de la température entre ses bornes d'entrée. Un exemple d'un tel amplificateur est illustré en figure 3. Cet amplificateur comprend deux transistors Q1 et Q2 à base commune dont les émetteurs sont reliés aux bornes d'entrée e et e de l'amplificateur A par des résistances respectives R2 et R3. La base commune des transistors Q1 et Q2 est reliée à l'émetteur du transistor Ql par l'intermédiaire d'une résistance R1.Le transistor Q2 a un émetteur présentant une surface p fois plus grande que celle du transistor Q1. Des-courants égaux I sont injectés dans les collecteurs des transistors Q1 et Q2 par des sources de courant égales 13 et 14 (dans la pratique un montage en miroir de courant). La borne de sortie 15 de l'amplif i- cateur est prise sur le collecteur du transistor Q2. Des moyens de polarisation, représentés sous forme d'un amplificateur de courant disposé entre le collecteur et la base du transistor Ql, servent à polariser les bases des transistors Q1 et Q2 et à permettre la circulation d'un courant dans la résistance R1. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. On déf i- nit la tension de décalage (ou tension d'offset) comme la tension V qutil faut appliquer entre les entrées + et - pour que le courant de sortie lo vers la borne 15 soit nul, c'est-à-dire que les courants de collecteur des transistors Q1 et Q2 sont égaux au courant I.On a alors comme tension V v R2(I + I1) + VBE1 - VBE2 - R3I En notant que I1 = VBEl!Rl, en choisissant R2 = R3, et en posant AVBE = VBE1 - VBE2, on obtient V = (R2/RI)VBEl + AVBE. (4) Cette relation ressemble à la relation (3) mentionnée précédemment sauf que le facteur R2/R1 affecte maintenant la tension VBE. Comme précédemment, VBE est une tension présentant un coefficient de température négatif et AVBE est une tension présentant un coefficient de température positif sensiblement égal.On voit donc que, selon la présente invention, en choisissant convenablement R2/R1 et le rapport p des surfaces d'émetteur des transistors Ql et Q2, on peut obtenir une tension stabilisée en température ayant une valeur sensiblement égale 1 2(R2/R1)VBE. Ainsi, en choisissant R2/R1 nettement inférieur 1 1, on peut avoir des tensions régulées de l'ordre de quelques dizaines de millivolts. La figure 4 représente un exemple de réalisation plus détaillé de la présente invention. Dans cette figure, de mêmes éléments qu'en figures 2 et 3 sont désignés par de mêmes références numériques. On retrouve donc dans cette figure l'amplificateur A dans lequel le moyen de polarisation des bases communes des transistors Q1 et Q2 est constitué d'un transistor Q16 dont la base est reliée au collecteur du transistor Q1, dont l'émetteur est relié à la base commune des transistors Q1 et Q2 et dont le collecteur est relié à la tension haute VC. Les sources de courant 13 et 14 sont réalisées au moyen de transistors PNP Q13 et Q14 montés en miroir de courant avec un transistor PNP Q15 relié à la masse par l'intermédiaire d'une source de courant 20. La sortie 15 de l'amplificateur A, au lieu d'être reliée directement à la base du transistor T10 comme en figure 2, est reliée à cette base par l'intermédiaire d'un étage d'amplification comprenant un transistor NPN Q20 dont la base est reliée à la borne 15, dont le collecteur est relié à la tension d'alimentation VC, et dont l'émetteur est relié à la base d'un transistor Q21 et à la première borne d'une résistance R4 dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du transistor Q21 et à la masse. La base du transistor Q20 est également reliée au collecteur du transistor Q21 par l'intermédiaire d'un condensateur C1. Le collecteur du transistor Q21 est également relié I la tension d'alimentation VC par l'intermédiaire de la source de courant 11 et à la base du transistor Tl0. Cet étage d'amplification permet d'augmenter le gain du système et de réduire l'impédance de sortie. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes, notamment en ce qui concerne la réalisation d'un étage d'amplification intermédiaire, les modes de polarisation des bases de transistors, etc. De même, il serait possible d'inverser tous les types de conductivité des transistors décrits. REVENDICATIONS 1. Source basse tension stabilisée caractérisée en ce qu'elle comprend un amplificateur (A) à décalage de tension choisi (V) et stabilisé en température comprenant - deux transistors NPN 1 base commune (Ql, Q2) présentant un rapport de surfaces d'émetteurs déterminé (p), - des moyens (13, 14) pour injecter un même courant dans chacun des collecteurs des transistors et pour polariser leurs bases, - une première résistance ayant une première valeur déterminée (R1) entre la base et l'émetteur du premier transistor, - des deuxièmes résistances ayant de mêmes deuxièmes valeurs déterminées (R2) entre chaque émetteur et une borne respective d'entrée de l'amplificateur, - d'où il résulte que v = (R2/R1) VBE1 + VBE, VBE1 étant la tension base-émetteur du premier transistor et AVBE la différence de tension base-émetteur des deux transistors5 et en ce que R2/R1 et p sont choisis pour que la tension de décalage V ait une amplitude choisie et un coefficient de température sensiblement nul. 2. Source basse tension stabilisée selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour injecter un même courant sont constitués d'un miroir de courant (Q13, Ql4). 3. Source basse tension stabilisée selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour polariser les bases comprennent un troisieme transistor NPN (Q16) dont - la base est reliée au collecteur du premier transistor, - l'émetteur est relié I la base commune des premier et deuxième transistors, - le collecteur est relié à une source d'alimentation. 4. Source basse tension stabilisée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit amplificateur a - son entrée non-inverseuse reliée à la masse, - son entrée inverseuse reliée la masse par l'intermédiaire d'une troisième résistance (RA) et à une borne de sortie de la source par l'intermédiaire d'une quatrième résistance (RB), et - sa sortie, prise sur le collecteur du deuxième transistor, reliée 1 la base d'un quatrième transistor (TlO) dont le collecteur est connecté à une source de tension haute, la base à des moyens de polarisation et l'émetteur à ladite borne de sortie de la source. 5. Source basse tension stabilisée selon la revendication 4, caractérisée en ce que la sortie de l'amplificateur est reliée à la base du quatrième transistor par l'intermédiaire de moyens d'amplification. 6. Source basse tension stabilisée selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'amplification comprennent un cinquième transistor (Q20) recevant sur sa base la sortie de l'amplificateur, dont le collecteur est relié à l'alimentation, et dont l'émetteur est relié à la base d'un sixième transistor (Q21) et à une première borne d'une résistance dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du sixième transistor et à la masse, le collecteur du sixième transistor étant relié à la base du cinquième transistor par l'intermédiaire d'un condensauteur, à la source d'alimentation par l'intermédiaire de moyens de polarisation, et à la base du quatrième transistor (T10). 7. Source basse 'tension stabilisée en température, caractérisée en ce qu'elle comprend un amplificateur(A) présentant entre ses bornes d'entrée inverseuse et non-inverseuse une tension de décalage (V) indépendante de la température, cet amplificateur étant connecté de sorte que - son entrée non-inverseuse est reliée I la masse - son entrée inverseuse est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une première résistance (RA) et à une borne de sortie de la source par l'intermédiaire d'une deuxième résistance (RB), et - sa sortie est reliée à la base d'un premier transistor (TlO) dont le collecteur est relié à une source de tension haute, la base I des moyens de polarisation (11) et l'émetteur 1 ladite borne de sortie de la source. 8. Source basse tension stabilisée selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'amplificateur à décalage de tension choisi (V) et stabilisé en température comprend - des deuxième et troisième transistors NPN à base com- mune (Ql, Q2) présentant un rapport de surfaces d'émetteurs déterminé (p), - des moyens (13, 14) pour injecter un même courant dans chacun des collecteurs des transistors 1 base commune et pour polariser leurs bases, - une troisième résistance ayant une première valeur déterminée (R1) entre la base et l'émetteur du deuxième transistor - des quatrièmes résistances ayant de mêmes deuxièmes valeurs déterminées (R2 > entre chaque émetteur et une borne respective d'entrée de l'amplificateur, - d'où il résulte que v = (R2/R1)VBE + AUBE, VBE étant la tension base-émetteur du deuxième transistor, et EVBE la différence de tension base-émetteur des deux transistors à base commune, et en ce que R2/R1 et p sont choisis pour que la tension de décalage V ait une amplitude choisie et un coefficient de température sensiblement nul. 9. Source basse tension stabilisée selon la revendication 8, caractérisée en ce que la sortie de l'amplificateur est reliée 9 la base du premier transistor par l'intermédiaire de moyens d'amplification (Q20, Q21, R4, C1).