Brevet FR2672749A1 — publié le 19920814

AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL À TRANSCONDUCTANCE A GRANDE EXCURSION DE MODE COMMUN La présente invention concerne les amplificateurs opérationnels à transconductance, et en particulier de tels amplificateurs à grande excursion de mode commun (on appelle mode commun la moyenne des tensions d'entrée). La figure 1 illustre un schéma simplifié d'un amplifi- cateur opérationnel à transconductance à grande excursion de mode commun classique Cet amplificateur comprend un étage d'entrée à deux amplificateurs différentiels complémentaires à transistors MOS. Le premier amplificateur différentiel comprend deux transistors MOS à canal N Tla et T 2 a dont les grilles sont respectivement reliées à une entrée non inverseuse (+) et à une entrée inverseuse (-) Les sources de ces transistors sont reliées entre elles et sont chargées par une source de courant Ia reliée à une tension d'alimentation négative Vss et drainant un courant 2 IO. Le deuxième amplificateur différentiel comprend deux transistors MOS à canal P Tlb et T 2 b dont les grilles sont respectivement reliées à l'entrée (+) et à l'entrée (-) Les20 sources de ces transistors sont reliées entre elles et sont chargées par une source de courant Ib reliée à une tension d'alimentation positive Vdd et délivrant un courant 2 IO. Les drains des transistors Tla et T 2 a sont respective- ment reliés à l'entrée d'un miroir de courant Mla et à l'entrée d'un miroir de courant M 2 a Un miroir de courant est un circuit à deux voies qui recopie sur sa deuxième voie, appelée ici sortie, le courant présent sur une première voie, appelée ici entrée et marquée par une flèche Les sorties des miroirs de courant Mla et M 2 a sont respectivement reliées au drain du transistor T 2 b et au drain du transistor Tlb Le drain du transistor T 2 b est relié à l'entrée d'un miroir de courant M 2 b dont la sortie est reliée à l'entrée d'un miroir de courant M 3. Le drain du transistor Tlb est relié à l'entrée d'un miroir de courant Mlb Les sorties des miroirs de courant M 3 et Mlb sont reliées l'une à l'autre et constituent la sortie S de l'ampli- ficateur. Le fonctionnement normal de ce circuit est le suivant. En l'absence de signal différentiel entre les entrées (+) et (-), le courant dans les drains de chacun des transistors Tla, T 2 a, Tlb, T 2 b est égal à un courant de repos Io égal à la moitié du courant 2 10 fixé par les souroes de courant Ia et Ib. Lorsqu'on applique une tension Vi à l'entrée (+) et une tension V 2 à l'entrée (-), il s'établit un courant Il dans les drains de chacun des transistors Tla et T 2 b et un courant I 2 dans les drains de chacun des transistors T 2 a et Tlb; les courants Il et I 2 répondant aux relations suivantes I 1 +I 2 = 2 10, et I 1-I 2 = (Vl-V 2)gm(Io) o gm(Io) désigne la transconductance de chacun des transistors pour un courant de drain de repos égal à Io. Le courant de drain Il du transistor Tla se retrouve en sortie du miroir de courant Mla et vient s'ajouter au courant de drain Il du transistor T 2 b, et l'entrée du miroir de courant M 2 b reçoit ainsi un courant 211 De même, le courant de drain I 2 du transistor T 2 a se retrouve en sortie du miroir M 2 a et vient s'ajouter au courant de drain I 2 du transistor Tlb, et le miroir Mlb reçoit ainsi à son entrée un courant 2 12 Ainsi, le miroir M 3, dont l'entrée reçoit le courant 21 de sortie du miroir M 2 b, délivre à la sortie S un courant 21 et le miroir Mlb draine de la sortie S un courant 2 12 La sortie S de l'amplificateur fournit donc un courant Is tel que: Is = 2 (I 1-I 2) = 2 (Vl-V 2)gm(IO). La transconductance de l'amplificateur est alors égale à 2 gm(Io). Lorsque l'un des courants Il ou I 2 est nul, l'autre est égal au courant fourni par les sources Ia et Ib Alors, le courant de sortie Is est maximal et vaut ici 4 10 Ce courant détermine la vitesse maximale de charge de capacités parasites présentes dans l'amplificateur, et d'une éventuelle capacité présente à la sortie Cette vitesse de charge est appelée vitesse de montée de l'amplificateur et est couramment désignée par le terme anglo-saxon "slew-rate". Outre la plage de fonctionnement normal décrite ci- dessus, cet amplificateur comprend deux plages de fonctionnement exceptionnel: si les tensions Vl et V 2 deviennent trop proches de la tension d'alimentation Vdd, les transistors Tlb et T 2 b ne sont plus polarisés et deviennent inactifs; leurs courants de drain s'annulent, les miroirs de courant Mlb et M 2 b ne voient respectivement à leurs entrées que le courant I 2 provenant du miroir M 2 a et le courant Il provenant du miroir Mla; et l'am- plificateur fournit alors en sortie un courant Is tel que Is = I 1-I 2 = (Vl-V 2)gm(IO); si les tensions Vl et V 2 deviennent trop proches de la tension d'alimentation Vss, les transistors Tla et T 2 a deviennent inactifs et leurs courants de drain s'annulent; les miroirs Mlb et M 2 b ne reçoivent respectivement en entrée plus que le courant I 2 provenant du transistor Tlb et le courant Il provenant du transistor T 2 b et le courant de sortie de l'ampli- ficateur est dans ce cas aussi égal à I 1-I 2. Dans ès deux plages de fonctionnement, la transcon- ductance de l'amplificateur est égale à gm(IO) et le courant de sortie maximal est 2 IO. Un inconvénient d'un tel amplificateur est donc la division par 2 de sa transconductance lors du passage de la plage de fonctionnement normal à l'une des plages de fonction- nement exceptionnel Ainsi, si on souhaite une transconductance constante, le mode commun de l'amplificateur est limité à la plage de fonctionnement normal.10 Un objet de la présente invention est de prévoir un amplificateur à transconductance qui présente la même transcon- ductance sur les trois plages de fonctionnement. Cet objet est atteint grâce à un amplificateur à transconductance comprenant: un premier amplificateur différen- tiel à couple de transistors d'un premier type, dont chacun est piloté par une de deux entrées, le courant de repos de ces tran- sistors étant fixé à une valeur prédéterminée par une première source de courant reliée à une première tension d'alimentation; un deuxième amplificateur différentiel à couple de transistors20 du type opposé au premier, dont chacun est piloté par une des- dites entrées, le courant de repos de ces transistors étant fixé à ladite valeur prédéterminée par une deuxième souroe de courant reliée à une deuxième tension d'alimentation; l'amplificateur à transconductance ayant une première plage de fonctionnement o25 les deux amplificateurs différentiels sont actifs et des deu- xième et troisième plages de fonctionnement ou un seul des amplificateurs différentiels est actif Cet amplificateur à transconductance comprend des moyens pour dériver une fraction prédéterminée des courants fournis par les sources de courant30 aux amplificateurs différentiels, ces moyens étant actifs dans la première plage de fonctionnement et inactifs respectivement dans l'une des deuxième ou troisième plages et la fraction pré- déterminée étant telle que la transconductance des transistors actifs dans l'une des deuxième ou troisième plages soit égale au double de la transconductance des transistors dans la première plage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits moyens comprennent: un troisième couple de transistors du type opposé, dont chacun est piloté par une desdites entrées, ces transistors étant disposés en parallèle entre la première source de courant et une troisième souroe de courant reliée à la deuxième tension d'alimentation; et un quatrième couple de transistors du premier type, dont chacun est piloté par une desdites entrées, ces transistors étant disposés en parallèle entre la deuxième source de courant et une quatrième source de courant reliée à la première tension d'alimentation; le courant fourni par chacune des troisième et quatrième sources de courant étant égal à ladite fraction prédéterminée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite fraction prédéterminée est égale à 75 % du courant fourni par la première ou deuxième source de courant dans le cas o les transistors sont des transistors à effet de champ. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite fraction prédéterminée est égale à 50 % du courant fourni par la première ou deuxième source de courant dans le cas o les transistors sont des transistors bipolaires. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'amplificateur à transconductance comprend: un premier miroir de courant dont l'entrée charge un des transistors du premier amplificateur différentiel; un deuxième miroir de courant dont l'entrée charge l'autre transistor du premier amplificateur différentiel; un troisième miroir de courant dont l'entrée charge un des transistors du deuxième amplificateur différen- tiel; et un quatrième miroir de courant dont l'entrée charge l'autre des transistors du deuxième amplificateur différentiel; la sortie du premier miroir étant reliée à l'entrée du qua- trième, la sortie du troisième étant reliée à l'entrée du deuxième, et les sorties des deuxième et quatrième miroirs étant reliées l'une à l'autre et constituant la sortie de l'amplifi- cateur. 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 particu- liers faite en relation avec les figures jointes parmi les- quelles: La figure 1, précédemment décrite, représente l'état de la technique; la figure 2 illustre un mode de réalisation de la présente invention; et la figure 3 illustre un amplificateur à transconduc- tance utilisant le mode de réalisation de la figure 2. En figure 2, on retrouve les amplificateurs différen- tiels de la figure 1, à savoir les transistors Tla, T 2 a, Tlb, T 2 b et les sources de courant Ia et Ib. Les éléments additionnels du circuit selon la présente invention sont représentés à l'intérieur d'un cadre en pointil- lés 10 Ils permettent, dans la plage de fonctionnement excep- tionnel o l'un des amplificateurs différentiels d'entrée est inactif, de doubler la transconductance des transistors de l'autre amplificateur différentiel d'o il résulte que la trans- conductance de l'amplificateur opérationnel dans son ensemble reste la même dans ses trois plages de fonctionnement. Deux transistors T 3 a et T 4 a de mêmes caractéristiques que les transistors Tlb et T 2 b sont disposés en parallèle entre une source de courant Iaa reliée à la tension d'alimentation Vdd et les sources des transistors Tla et T 2 a Les grilles des tran- sistors T 3 a et T 4 a sont respectivement reliées à l'entrée (+) et à l'entrée (-) Deux transistors T 3 b et T 4 b de mêmes caractéris- tiques que les transistors Tla et T 2 a sont disposés en parallèle entre une souroe de courant Ibb reliée à la tension d'alimenta- tion Vss et les sources des transistors Tlb et T 2 b Les grilles des transistors T 3 b et T 4 b sont respectivement reliées à l'en- trée (+) et à l'entrée (-) Ici, les sources de courant Ia et Ib fournissant chacune un courant de 8 10 au lieu de 2 10 Les sour- ces de courant Iaa et Ibb fournissent chacune un courant 6 10. Le fonctionnement du circuit selon la présente inven- tion sera décrit dans le cadre de son association à l'amplifi- cateur de la figure 1. Dans la plage de fonctionnement normal, o les deux amplificateurs différentiels sont actifs, le couple de transis- tors T 3 a,T 4 a et le couple de transistors T 3 b,T 4 b sont passants. En conséquence, le courant 610 de chacune des sources de courant Iaa et Ibb se soustrait du courant 810 de chacune des sources de courant Ia et Ib Il en résulte un courant de repos de 210 pour chacun des amplificateurs différentiels et on se retrouve dans les conditions de fonctionnement normal de l'amplificateur de la figure 1, qui présente une transconductance égale à 2 gm(I 0) et un courant de sortie maximal de 410. Dans la plage de fonctionnement exceptionnel o les tensions Vi et V 2 deviennent trop proches de la tension Vdd, les transistors Tlb et T 2 b se bloquent mais aussi les transistors T 3 a et T 4 a qui sont pilotés de la même façon Ainsi, le courant 610 qui circulait dans les transistors T 3 a et T 4 a n'est plus dérivé de la source de courant Ia et la totalité de son courant 810 est fournie aux sources des transistors Tla et T 2 a en fixant le courant de repos de chacun de ces transistors à 410 Le courant de repos des transistors Tla et T 2 a passe donc de Io à 410 I et leur transconductance, qui est fonction du courant de repos, passe de gm(IO 0) à gm( 41 o) Le courant de sortie, calculé de la même façon que pour la figure 1, vaut alors: (Vl-V 2)gm( 4 IO). Conmme la transconductance gm d'un transistor MOS est proportion- nelle à la racine carrée de son courant de repos, on a: gm( 410) = 2 gm(Io). Ainsi, dans cette plage de fonctionnement, le courant de sortie est égal à 2 (Vl-V 2)gm(IO), comme dans le cas de la plage de fonctionnement normal précédemment décrite La valeur maximale du courant de sortie est ici 810. Dans la plage de fonctionnement exceptionnel o les tensions Vl et V 2 deviennent trop proches de la tension Vss, le fonctionnement du circuit est symétrique, à savoir les transis- tors Tla, T 2 a, T 3 b, T 4 b se bloquent, le courant 610 qui circu- lait dans les transistors T 3 b et T 4 b n'est plus dérivé de la source Ib et la totalité du courant 810 de celle-ci est fournie aux sources des transistors Tlb et T 2 b dont le courant de repos s'établit pour chacun à 4 IO au lieu de Io On aura de même, en sortie, un courant 2 (Vl-V 2)gm(IO 0) et une valeur maximale de celui-ci de 810. Ainsi, un amplificateur à transconductance muni du circuit selon la présente invention présente une transconduc- tance constante pour un mode commun pouvant pratiquement atteindre les tensions d'alimentation Vdd et Vss. Le courant de sortie maximal de cet amplificateur, et donc sa vitesse de montée, est doublé dans les plages de fonc- tionnement exceptionnel. La figure 3 illustre schématiquement un mode de réali- sation d'un amplificateur à transconductance muni du circuit de la présente invention et qui présente 1 'avantage de comprendre un miroir de courant de moins que le circuit de la figure 1. On retrouve en figure 3 tous les éléments de la figure 2 mais les entrées (+) et (-) sont interverties Les drains des transistors Tla et T 2 a sont respectivement reliés aux entrées de miroirs de courant M 31 a et M 32 a Les drains des transistors Tlb et T 2 b sont respectivement reliés aux entrées de miroirs de courant M 31 b et M 32 b Les sorties des miroirs M 32 a et M 32 b sont reliées ensemble et constituent la sortie S de l'amplificateur. La sortie du miroir M 31 a est reliée au drain du transistor T 2 b et la sortie du miroir M 31 b est reliée au drain du transistor T 2 a. Quand on applique une tension Vl à l'entrée (-) et une tension V 2 à l'entrée (+) il s'établit un courant Il dans les drains de chacun des transistors Tla et T 2 b et un courant I 2 dans les drains de chacun des transistors T 2 a et Tlb Le courant de drain Il du transistor Tla se retrouve en sortie du miroir M 31 a et vient s'ajouter au courant de drain Il du transistor T 2 b Ainsi le miroir M 32 b reçoit à son entrée un courant 21 l que sa sortie draine de la sortie S de l'amplificateur Le courant de drain I 2 du transistor Tlb se retrouve en sortie du miroir M 31 b et vient s'ajouter au courant de drain I 2 du transistor T 2 a Ainsi, le miroir M 32 a reçoit en entrée un courant 2 12 qui est délivré à la sortie de l'amplificateur Le courant de sortie de l'amplificateur vaut: 2 (I 2-Il) = 2 (V 2-V 1)gm(Io). Lorsqu'un des amplificateurs différentiels est inac- tif, par exemple celui comprenant les transistors Tla et T 2 a, le miroir M 32 a ne voit à son entrée que le courant de sortie du miroir M 31 b et le miroir M 32 b ne voit à son entrée que le courant de drain du transistor T 2 b Mais la valeur de ces courants a doublé car le circuit de la présente invention a permis de doubler la transconductance des transistors Tlb et T 2 b, comme cela a été décrit pour la figure 2, et le courant de sortie reste inchangé par rapport au fonctionnement normal précédent. Lorsque l'amplificateur différentiel comprenant les transistors Tlb et T 2 b est inactif, le fonctionnement est syme- trique. Le circuit de la présente invention s'applique à tous les amplificateurs à transconductance comprenant une configura- tion d'entrée à deux amplificateurs différentiels complémen- taires et permet à l'amplificateur de fonctionner avec une transconductance constante pour un mode commun variable prati- quement sur toute la plage comprise entre les deux tensions d'alimentation. La présente invention a été décrite dans le cadre d'une obtention d'une tranconductance constante de l'amplifica- teur Comme on l'a vu précédemment, le courant de sortie maximal était deux fois plus grand dans les plages de fonctionnement exceptionnel, ce qui entraînait une vitesse de montée deux fois plus grande dans ces plages Si on désire une constance de cette vitesse de montée sur les trois plages plutôt qu'une constance de la transconductance, les courants de repos des transistors actifs dans les plages de fonctionnement exceptionnel seront doublés au lieu d'être quadruplés. La présente invention a été décrite en relation avec des transistors MOS, mais elle s'applique telle quelle en tech- nologie bipolaire sauf que les courants de repos des transistors actifs dans les plages de fonctionnement exceptionnel doivent être doublés au lieu d'être quadruplés Dans ce cas, contraire- ment à la réalisation avec des transistors MOS, la transconduc- tance de l'amplificateur ainsi que sa vitesse de montée sont constantes sur les trois plages de fonctionnement. Pour doubler les courants de repos dans les plages de fonctionnement exceptionnel, on fixe les courants des sources de courant Ia et Ib à 4 10 et ceux des sources Iaa et Ibb à 2 10. De nombreuses variantes et modifications de la pré- sente invention apparaîtront à l'homme du métier, notamment il peut employer tout autre circuit permettant de détecter le non- fonctionnement des amplificateurs différentiels et de dériver un courant adéquat de celui fourni par les sources Ia et Ib. il REVENDICATIONS 1 Amplificateur à transconductanoe comprenant un premier amplificateur différentiel à couple de transistors (Tla, T 2 a) d'un premier type, dont chacun est piloté par une de deux entrées, le courant de repos de ces transistors étant fixé à une valeur prédéterminée par une première souroe de courant (Ia) reliée à une première tension d'alimentation (Vss); un deuxième amplificateur différentiel à couple de transistors (Tlb, T 2 b) du type opposé au premier, dont chacun est piloté par une desdites entrées, le courant de repos de oes transistors étant fixé à ladite valeur prédéterminée par une deuxième souroe de courant (Ib) reliée à une deuxième tension d'alimentation (Vdd); J'amplificateur à transconductance ayant une première plage de fonctionnement o les deux amplificateurs différentiels sont actifs et des deuxième et troisième plages de fonction- nement ou un seul des amplificateurs différentiels est actif; caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour dériver une fraction prédéterminée des courants fournis par les sources de courant aux amplificateurs différentiels, ces moyens étant actifs dans la première plage de fonctionnement et inactifs respectivement dans l'une des deuxième ou troisième plages et la fraction prédéterminée étant telle que la transconductance des transistors actifs dans l'une des deuxième ou troisième plages soit égale au double de la transconductance des transistors dans la première plage. 2 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent: un troisième couple de transistors (T 3 a,T 4 a) du type opposé, dont chacun est piloté par une desdites entrées, ces transistors étant disposés en parallèle entre la première source de courant (Ia) et une troisième source de courant (Iaa) reliée à la deuxième tension d'alimentation (Vdd); et un quatrième couple de transistors (T 3 b,T 4 b) du premier type, dont chacun est piloté par une desdites entrées, ces transistors étant disposés en parallèle entre la deuxième source de courant (Ib) et une quatrième source de courant (Ibb) reliée à la première tension d'alimentation (Vss); le courant fourni par chacune des troisième et qua- trième sources de courant étant égal à ladite fraction prédé- terminée. 3 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fraction prédéterminée est égale à 75 % du courant fourni par la première ou deuxième source de courant dans le cas o les transistors sont des transistors à effet de champ. 4 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fraction prédéterminée est égale à 50 % du courant fourni par la première ou deuxième source de courant dans le cas o les transistors sont des transistors bipolaires. 5 Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier miroir de courant (M 3 la) charge un des transistors (Tla) du premier différentiel; un deuxième miroir de courant (M 32 a) charge l'autre transistor (T 2 a) du premier différentiel; un troisième miroir de courant (M 31 b) charge un des transistors (Tlb) du deuxième différentiel; et un quatrième miroir de courant (M 32 b) charge l'autre des transistors (T 2 b) du deuxième différentiel; dont l'entrée amplificateur dont l'entrée amplificateur dont l'entrée amplificateur dont l'entrée amplificateur la sortie du premier miroir (M 31 a) étant reliée à l'entrée du quatrième (M 32 b), la sortie du troisième (M 31 b) étant reliée à l'entrée du deuxième (M 32 a), et les sorties des deuxième et quatrième miroirs étant reliées l'une à l'autre et constituant la sortie de l'amplificateur.