Brevet FR2663476A1 — publié le 19911220

AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL LINÉAIRE # TRANSCONDUCTANCE La présente invention concerne la réalisation d'amplificateurs différentiels à transconductance, c'est-à-dire des amplificateurs fournissant un courant proportionnel à la différence entre deux tensions d'entrée. De tels amplificateurs sont décrits notamment dans - Analog Multiplication Utilizing Nonlinear Semiconductor Characteristics, H.C. Lin, IEEE Transactions on Circuits and Systems, 1979, Volume 18, pages 792-793, - Design of Linear CMOS Transconductance Elements, A. Nedungadi et T.R. Viswanathan, IEEE Transactions on Circuits and Systems, Octobre 1984, Volume 10, pages 891-894, - A Versatile CMOS Linear Transconductor/Square-Law Function Circuit, E. Seevinek et R. F. Wassenaar, IEEE Journal of Solid-State Circuits, juin 1987, volume SC-22, pages 366-377. Tous ces documents décrivent des amplificateurs à transconductance de type MOS et indiquent la façon théorique d'obtenir une transconductance lineaire. Toutefois, ou bien les circuits décrits dans ces documents ne sont pas vraiment linaires, ou bien ils le sont mais au coût de l'utilisation de circuits CMOS qui impliquent de disposer d'une source d'alimentation de tension relativement élevee pour pouvoir alimenter en série deux transistors M06 complémentaires. L'état de la technique va être brièvement rappelé en relation avec les figures 1 et 2. La figure 1 représente un amplificateur différentiel à transconductance de classe A c'est-à-dire un amplificateur dans lequel le courant résultant ne peut en aucun cas être supérieur au courant d'une source de courant présente dans le circuit. Cet amplificateur comprend deux transistors MOS à canal N, m1 et m2. Les drains de oes transistors sont reliés à une borne de tension haute Vdd par l'intermédiaire d'un circuit 10 permettant de dupliquer et/ou de combiner les oeurants qui les traversent. La grille du transistor ml reçoit une première tension Va et la grille du transistor m2 reçoit une deuxième tension Vb. Les sources des transistors ml et m2 sont reliées à une borne d'alimentation basse G par l'intermédiaire de sources de courant respectives de même valeur I. Une résistance R relie les sources des transistors ml et m2. Si les tensions Va et Vb sont égales, aucun courant ne circulera dans la résistance R. Si la tension Va est supérieure à la tension Vb, le transistor MOS ml sera plus conducteur que le transistor MOS m2 et un couvant Id circulera dans la résistance R. Ce courant Id serait proportionnel à Va-Vb si les chutes de tension grille/ source des transistors ml et m2 étaient identiques. Ceci n'est pas le cas puisque ces deux transistors ne sont pas exactement dans le même état de conduction. Ce circuit présente donc l'inconvénient de ne pas être parfaitement lineaire et de nécessiter une résistance R. La figure 2 représente un amplificateur différentiel à transconductance de classe AB selon l'art antérieur. on y retrouve les transistors MOS ml et m2 et la résistance R. Les transistors ml et m2, à canal N, sont respectivement en série avec des transistors à canal P m3 et m4. La grille du transistor ml est reliée à l'alimentation haute par une source de courant I1 et à la borne d'alimentation basse par un transistor MOS à canal P m5. Un transistor MOS à canal N m6 est disposé en série avec une source de curant 12 entre la borne d'alimentation haute et la borne d'alimentation basse.Les grilles des transistors m5 et m6 reçoivent la première tension d'entrée Va. La grille du transistor m3 est reliée à la source du transistor m6. Sur la partie droite de la figure, on trouve symétriquement des transistors MOS m5' et m6' et des sources de courant Il et I2. Le circuit de la figure 2 constitue un amplificateur différentiel de classe AB, c'est-à-dire que le courant Id traduisant la différence de tension Va-Vb n'est pas limité au courant d'une source de courant particulière. Carme le circuit de la figure 1, ce circuit présente l'inconvénient de nécessiter la présence d'une résistance R et n'est pas parfaitement linéaire. En outre, ce circuit utilise des transistors t complémentaires et il est donc nécessaire que la tension d'alimentation soit suffisamment élevée pour assurer le passage de courant dans deux transistors MOS complémentaires. En pratique, elle peut difficilement être inférieure à 5 volts. Une approche théorique à l'obtention d'un amplificateur différentiel à transconductance parfaitement linéaire est donnée dans les divers docunents susmentionnés. Elle apparaît en particulier en figure la de l'article de A. Nedungadi et al. et est reprise de façon légèrement modifiée pour mieux faire comprendre l'invention en figure 3. Selon cette approche, on réalise une contre-réaction pour que la source de chacun des transistors ml et m2 voit un potentiel correspondant. avec un certain décalage, à la tension appliquée sur la grille de l'autre transistor.Le décalage de tension est symbolisé en figure 3 par des sources de tension Vk. On a en outre illustré en figure 3 (oe qui n'apparaît pas en figure la du document mentionné) des amplificateurs de tension de gain 1 pour indiquer que les tensions Va' et Vb' sur les sources des transistors ml et m2, respectivement égales à Va-Vk et à Vb-Vk, n'impliquent aucun défaut de linéarité courant tension dans le circuit. Toutefois, bien que ce schéma théorique soit connu en lui-même, les applications pratiques qui en sont proposées, notamment dans la figure Ib du document mentionne ne satisfont pas à la caractéristique de parfaite linéarité (l'équivalent des amplificateurs de tension de gain 1 n'y existe pas). En outre, la figure lb du document cité vise un amplificateur de classe A et non pas de classe AB. Par ailleurs, on ne cannait pas actuellement de circuit mettant en oeuvre le schéma théorique de la figure 3 autrement qu'en utilisant des transistors MOS complémentaires et donc en nécessitant des tensions d'alimentation relativement élevees. Ainsi, un premier objet de la présente invention est de raaliser un amplificateur différentiel à transconductance qui soit parfaitement linéaire. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel amplificateur utilisant seulement des transistors MOS à canal du meme type de conductivité et pouvant fonctionner sous une tension basse (inférieure à 5 volts). Pour atteindre ces s objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un amplificateur différentiel linéaire à transconductance comprenant un premier et un deuxième transistor MOS principal recevant respectivement sur leur grille les première et deuxième tensions dont on veut amplifier, en coursant, la différence. Cet amplificateur comprend, entre une alimentation haute et une alimentation basse, deux branches de réaction comportant chacune la connexion en série d'une source de courant, d'un premier transistor M3S auxiliaire et d'un deuxième transistor M3S auxiliaire, un mayen de décalage de tension étant disposé entre la grille du premier transistor auxiliaire et la borne du deuxième transistor auxiliaire opposée au point de connexion des premier et deuxième transistors auxiliaires, la grille du deuxième transistor auxiliaire de la première branche recevant ladite première tension et la grille du deuxième transistor auxiliaire de la deuxième branche recevant ladite deuxième tension ; chaque transistor principal est connecté entre l'alimentation haute et ledit point de connexion de la branche opposée ; et tous les transistors MOS mentionnés sont du même type. 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 faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1 à 3 destinées à illustrer l'état de la technique et le probleme que vise à résoudre la présente invention ont été décrites précédemment ; la figure 4 représente un amplificateur différentiel à transconductance de classe AB selon la présente invention ; et la figure 5 représente un exemple de réalisation d'une partie du circuit de la figure 4. Le circuit de la figure 4 est connecte entre une borne d'alimentation haute Vdd et une borne d'alimentation basse G. I1 reçoit deux tensions à comparer Va et Vb. les deux transistors principaux du ccaparateur sont un transistor MOS à canal N, M1, dont la grille reçoit la tension Va et un transistor MOS à canal N, M2, dont la grille reçoit la tension Vb. Les drains des transistors Ml et M2 sont connectés à la source de tension haute par l'intermédiaire d'un circuit 10, par exemple un miroir de courant, permettant d'extraire le courant image de la différence entre les tensions Va et Vb. Un tel circuit n'est pas décrit ici en détail car il est bien connu dans la technique et des exemples en sont par exemple décrits dans les documents susmentionnés. La source du transistor MOS M2 est reliée au point de jonction 11 de deux transistors MDS à canal N, M3 et M4. La source du transistor M4 est reliée à la borne G et le drain du transistor M3 est relié à la borne Vdd par l'intermédiaire d'une source de courant Iq. La grille du transistor M4 est reliée au drain du transistor M3 par l'intermédiaire d'un moyen de décalage de tension Vdl. les grilles des transistors M1 et M3 sont interconnectées.On retrouve de façon similaire un montage symétique comprenant un point de jonction 12, des transistors MOS à canal N M5 et M6, une deuxième source de courant Iq, et un moyen de décalage de tension Vd2. Le circuit de la figure 4 ne comprend pas de résistance entre les sources des transistors M1 et M2 et tous les transistors MOS utilisés sont des transistors à canal N. La source de tension peut danc être relativement basse, par exemple comprise entre 3 et 5 volts. On va montrer que le circuit selon la présente invention, illustré en figure 4, est bien strictement identique au modèle illustré schématiquement en figure 3 ; c'est-à-dire que la tension Va' au point 11 est bien une tension constante par rapport à la tension Va et que la tension Vb' au point 12 est bien une tension constante par rapport à la tension Vb. Ceci est obtenu grâce au fait que l'ensemble des composants M3, M4, Vdl constitue une boucle d'asservissement, de même que l'ensemble symétrique M5, M6, Vd2. Quand la tension Va-Vb croît, le courant Idl dans le transistor Ml augmente. Ceci aurait tendance à faire croître le potentiel Vb' au point 12 et par voie de conséquence à faire croître également le potentiel sur le drain du transistor M5. Cette augmentation de potentiel est transmise à la grille du transistor M6. Ceci a pour effet d'augmenter le courant dans oe transistor et de réduire la tension au point 12. Le fonctionnement de l'autre boucle associée au point ll est identique. On a donc bien des potentiels Va' et Vb' constants par rapport à Va et Vb. On a ainsi réalisé la fonction souhaitée et la différence de courant Idl-Id2 dans les transistors MOS M1 et M2 est proportionnelle à la différence entre les tensions Va et Vb. Le facteur de proportionnalité est constant et dépend du facteur de pente des transistors M1 et M2 qui est un facteur constant pour une technologie donnee, du courant Iq, et du rapport entre la longueur et la largeur (W/L) des transistors MOS M1 et M2. Dans une réalisation pratique, le décalage de tension Vd2 pourra être réalisé de la façon illustrée en figure 5 en relation avec les transistors M5 et M6. Ce décalage de tension correspond à la tension grille-souroe d'un transistor M7 dont la grille est reliée au drain du transistor MS et dent la source est reliée à la grille du transistor M6 et à la borne d'alimentation basse G par l'intemédiaire d'une source de courant. Un montage similaire pourra être utilisé pour le décalage Vdl. Bien entendu, l'homme de l'art pourra apporter au circuit selon la présente invention diverses additions et variantes usuelles. Notamment, ce circuit pourra être réalisé en utilisant des transistors MOS de type complémentaire, c'est-à-dire des transistors MOS à canal P. REVENDICATIONS 1. Amplificateur différentiel linéaire à transconduc- tance comprenant un premier et un deuxième transistor MDS principal (M1, M2) recevant respectivement sur leur grille les première (Va) et deuxième (Vb) tensions dont on veut amplifier, en courant, la différence, caractérisé en ce que il comprend entre une alimentation haute (Vdd) et une alimentation basse (G) deux branches de réaction comportant chacune la connexion en série d'une source de courant (Iq), d'un premier transistor MDS auxiliaire (M4, M6) et d'un deuxième transistor MOS auxiliaire (M3, M5), un moyen de décalage de tension (Vdl, Vd2) étant disposé entre la grille du premier transistor MOS auxiliaire et la borne du deuxieme transistor t auxiliaire opposez au point de connexion (11, 12) des premier et deuxième transistors MOS auxiliaires, la grille du deuxième transistor MOS auxiliaire de la première branche recevant ladite première tension (Va) et la grille du deuxième transistor MOS auxiliaire de la deuxième branche recevant ladite deuxième tension (Vb), chaque transistor principal (M1, M2) est connecte entre l'alimentation haute et ledit point de connexion (12, 11) de la branchue opposez, et tous les transistors MOS mentionnés sont du même type. 2. Amplificateur différentiel lineaire à transconduc- tance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de décalage de tension comprennent un transistor MOS (M7) du même type que les autres transistors MOS du circuit dont la grille est connectée à ladite borne opposée du deuxieme transistor auxiliaire et dont les élecredes principales sont reliées entre la borne d'alimentation haute et la grille du premier transistor auxiliaire, egalement reliée à la borne d'alimentation basse par une source de coursant.