Brevet FR2653572A1 — publié le 19910426

L'invention concerne les circuits-intégrés, et plus précisément la manière de réaliser une source de tension de référence constante à l'intérieur du circuit. On a fréquemment besoin dans les circuits-intégrés de sources de tension de référence bien constantes, tout particulièrement de sources de tension délivrant une tension aussi indépendante que possible d'une part de la température et d'autre part de la tension d'alimentation Vcc du circuit. Un schéma de circuit largement utilisé dans la technique antérieure et fournissant une tension de référence assez stable est le schéma représenté à la figure 1. Il est connu sous le nom de "source de tension de référence à bandgap", le mot bandgap étant un mot d'origine anglaise désignant l'énergie de passage des électrons de la bande de conduction à la bande de valence dans le semiconducteur utilisé. Cette énergie dépend de manière connue de la température. Les sources de référence de ce type utilisent la dépendance de certains paramètres de circuit en fonction de cette énergie et donc de la température, pour réaliser, par des compensations appropriées, une tension de référence relativement stable. Le circuit de la figure 1 comprend essentiellement deux jonctions PN, représentées sur la figure par deux diodes D1 et D2 qui peuvent être des transistors bipolaires montés en diode (c'est-à-dire ayant chacun son collecteur relié à sa base), trois résistances R1, R2, R3, et un amplificateur opérationnel AO (amplificateur à grand gain en boucle ouverte et grande impédance d'entrée). L'amplificateur AO comprend une entrée inverseuse reliée par la diode D2 à une masse, et une entrée non inverseuse reliée à une résistance R1 qui est elle-même reliée à travers la diode D1 à la masse. Une résistance de bouclage R2 relie la sortie de l'amplificateur à l'entrée non-inverseuse, et une résistance de bouclage R3 relie la sortie à l'entrée inverseuse. La tension de référence stable Vref fournie par le circuit est prélevée à la sortie de l'amplificateur. Cette stabilité de la tension de sortie repose sur un choix approprié des surfaces de jonction des deux diodes et des courants circulant dans ces diodes. La tension de référence Vref obtenue en sortie de l'amplificateur est la somme de la tension de coude Vbe2 de la diode D2 et d'un terme qui est Vf.R2/R1 où Vf est une tension qui est le produit d'une tension de "bandgap" classique Vt (avec Vt=kT/q) et d'un terme qui est le logarithme népérien du rapport R2.S1/R3.S2, S1 et S2 étant les surfaces de jonction des deux diodes D1 et D2. Le principe de réalisation est simple : on sait calculer ou mesurer en pratique comment varie Vbe2 avec la température (environ -2,2 mV/OC). On va choisir les valeurs Rlr R2, R3 et S1/S2 de sorte que le terme Vf.R2/Rl varie exactement en sens contraire (de +2,2 mv/ C par exemple) dans la plage de température désirée. On peut réaliser par exemple une tension de référence de 1,255 volt. Toutefois, la stabilité obtenue ntest pas aussi parfaite qu'on le désirerait et on s'est aperçu qu'elle repose partiellement sur les caractéristiques de l'amplificateur opérationnel qui n'a pas, dans la réalité, un gain infini et une impédance d'entrée infinie. L'amplificateur sera en effet réalisé en pratique par un montage simple à quelques transistors, tel que celui qui est représenté à la figure 2. Dans cet exemple, réalisé en technologie CMOS, l'amplificateur opérationnel comprend un montage à deux branches différentielles (T3, T4, T'3, T'4) alimentées par une source de courant constant (transistor T5 dont la grille est polarisée par une tension de polarisation Vbias), et enfin un étage de sortie T6, T7. L'invention a pour but d'améliorer la stabilité des sources de tension de référence qui fonctionnent sur des principes similaires à ceux de la source ainsi décrite en référence aux figures 1 et 2. On propose selon l'invention de réaliser une source de tension de référence utilisant un amplificateur opérationnel alimenté par une source de courant, caractérisée par le fait que la source de courant est réalisée à partir d'un transistor à effet de champ du type MOS dont la grille est polarisée par un circuit de polarisation recevant la tension de référence produite à la sortie de la source de référence elle-même. On aurait pu s'attendre à une certaine instabilité de fonctionnement du circuit puisqu'il utilise sa propre tension de sortie pour fonctionner. On constate cependant expérimentalement que ce montage est tout-à-fait stable (bien qu'il nécessite un temps d'établissement) et que la tension qu'il fournit à sa sortie est finalement plus stable en fonction de la température que les circuits de l'art antérieur. Le circuit de polarisation comprend de préférence un ensemble de deux transistors en série dont l'un, connecté à une source d'alimentation Vcc, reçoit la tension de référence, et dont l'autre, connecté par sa source à la masse, a sa grille reliée à son drain et fournit sur son drain une tension de polarisation pour la source de courant de l'amplificateur opérationnel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 déjà décrite représente un schéma de principe d'une source de tension de référence du type "à bandgap"; - la figure 2 déjà décrite représente un amplificateur opérationnel utilisé dans le circuit de la figure 1; - la figure 3 représente un exemple de réalisation de l'invention. Le circuit de la figure 3 comporte un amplificateur opérationnel AO similaire à celui de la figure 2 sauf en ce qui concerne la source de courant qui alimente ses deux branches différentielles. L'amplificateur AO est par ailleurs connecté dans un circuit identique dans cet exemple à celui de la figure 1 : une entrée non-inverseuse El de l'amplificateur est reliée par une résistance R1 et une diode D1 à la masse. Une entrée inverseuse E2 est reliée par une diode D2 à la masse. L'entrée non inverseuse est reliée à la sortie de l'amplificateur par une résistance de bouclage R2; l'entrée inverseuse est reliée à la sortie par une résistance de bouclage R3. La sortie du circuit est la sortie S de l'amplificateur opérationnel et c'est sur cette sortie qu'est fournie une tension de référence Vref stable en fonction de la température et de la tension d'alimentation Vcc du circuit. Dans l'exemple représenté, l'amplificateur opérationnel comporte deux branches différentielles alimentées par une source de courant commune, et un étage de sortie. La source de courant comprend le transistor à canal N T5, et un circuit de polarisation de ce transistor T5. La première branche différentielle, connectée entre le drain du transistor T5 et la tension d'alimentation générale Vcc du circuit, comprend un ensemble de deux transistors en série T3 et T4. T3 est un transistor à canal P connecté par sa source à Vcc et ayant son drain relié à sa grille. T4 est un transistor à canal N ayant sa source connectée à la source de courant T5. La deuxième branche différentielle, connectée en parallèle avec la première, comprend un ensemble de deux transistors en série T'3 et T'4. T'3 est un transistor à canal P connecté par sa source à Vcc. T'4 est un transistor à canal N ayant sa source connectée à T5. L'entrée El est constituée par la grille de T'4; l'entrée E2 est constituée par la grille de T4. L'étage de sortie comprend en série entre Vcc et la masse un transistor à canal P T6 et un transistor à canal N T7. T6 a sa grille reliée à la jonction des drains de T'3 et T'4; il a aussi sa grille reliée par une capacité C a son drain (pour des raisons classiques de stabilisation). T7 a son drain relié à celui de T6 et sa grille reçoit une tension de polarisation qui est de préférence la même que la tension de polarisation utilisée pour la grille de T5. La sortie S de l'amplificateur AO est le drain commun des transistors T6 et T7 de l'étage de sortie. Selon l'invention on prévoit que la source de courant alimentant les branches différentielles de l'amplificateur est polarisée par un circuit de polarisation qui utilise la tension de sortie Vref de l'amplificateur. Dans l'exemple préférentiel représenté, le circuit de polarisation comprend deux transistors à canal N T8 et T9 en série entre la tension d'alimentation Vcc et la masse. T8 a son drain relié à Vcc, sa source reliée au drain de T9, et sa grille reliée à la sortie S de l'amplificateur opérationnel. T9 a sa source reliée à la masse et sa grille reliée à son drain. La tension de polarisation Vbias appliquée à la grille du transistor T5 est prélevée sur le point de jonction des transistors T8 et T9. Le transistor T8 est de préférence un transistor dont la longueur de canal L est bien supérieure à sa largeur ("transistor long"), par exemple dans un rapport 100 à 3, pour qu'il reste obligatoirement en saturation (petite variation de son courant drain même pour une forte variation de sa tension drain-source). Le transistor T9 est au contraire un transistor "court" ayant un rapport largeur sur longueur beaucoup plus grand (par exemple de l'ordre de l'unité), avec une largeur de canal du même ordre que celle de T8. On peut résumer ci-dessous les performances de la source de tension selon l'invention, dans un exemple pratique : le tableau ci-dessous représente la variation de tension de référence en fonction de la température et de la tension d'alimentation Vcc pour le montage selon l'invention tel que décrit ci-dessus (tableau à double entrée). La tension de référence nominale pour 250C et Vcc = 5 volts est de 1,256 volt dans cet exemple. TOC: -400C 250C 1250C Vcc: 4 volts 1,252 v 1,256 v 1,256 v 5 volts 1,252 v 1,256 v 1,256 v 6 volts 1,2-52 v 1,256 v 1,257 v On voit donc que la tension de référence obtenue est d'une très grande stabilité en fonction de la température et de la tension Vcc. REVENDICATIONS 1. Circuit intégré d'établissement d'une tension de référence (Vref), comportant un amplificateur opérationnel (AO), des diodes (D1, D2) et des résistances (R1, R2, R3), l'amplificateur opérationnel comportant deux branches différentielles (T3, T4; T'3, T'4) alimentées par une source de courant (T5), cette source de courant comprenant un transistor et un circuit de polarisation de ce transistor, l'amplificateur opérationnel fournissant à sa sortie (S) une tension Vref stable en fonction de la température et de la tension d'alimentation (Vcc) du circuit intégré, caractérisé en ce que pour produire une tension de polarisation de la grille du transistor (T5) de la source de courant, le circuit de polarisation utilise la tension de référence stable issue de la sortie de l'amplificateur opérationnel. 2. Circuit intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de polarisation comprend deux transistors en série, la grille de l'un des transistors (T8) recevant la tension de référence stable Vref, la grille de l'autre transistor (T9) étant reliée à son drain, et le point de jonction des deux transistors étant relié à la grille du transistor de la source de courant. 3. Circuit intégré selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux transistors du circuit de polarisation sont à canal N, le transistor (T8) qui reçoit la tension de référence sur sa grille ayant son drain connecté à la tension d'alimentation Vcc du circuit et l'autre (T9) ayant sa source à la masse. 4. Circuit intégré selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transistor (T8) qui reçoit la tension de référence sur sa grille est un transistor long et l'autre transistor (T9) du circuit de polarisation est un transistor court. 5. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'amplificateur comporte une entrée non-inverseuse (El) et une entrée inverseuse (E2), l'entrée inverseuse étant reliée par une diode à une masse, l'entrée non-inverseuse étant reliée par une résistance et une diode en série à la masse, et la sortie étant rebouclée à travers une résistance respective (R2, R3) sur chacune des entrées.