Brevet FR2670915A1 — publié le 19920626

-1 GENERATEUR DE TENSION DE REFERENCE A DERIVE THERMIQUE PROGRAMMABLE La présente invention concerne un générateur de ten- sion de référence à dérive thermique programmable. Il existe un besoin pour un générateur de tension dont la tension de référence peut suivre avec une précision élevée la chute de tension aux bornes d'une résistance dans un intervalle de température compris entre -40 QC et + 1500 C. Supposons en effet que l'on veuille contrôler le courant qui passe à travers une charge Un circuit qui réalise une telle opération prévoit la présence d'un comparateur qui est10 alimenté à une entrée par une tension de référence et à l'autre entrée par une tension présente aux bornes d'une résistance de mesure disposée en série avec la charge avec interposition d'un interrupteur Un circuit de commande contrôlé par la sortie du comparateur canmande l'ouverture de l'interrupteur chaque fois15 que la tension aux bornes de la résistance de mesure dépasse la tension de référence Il est ainsi possible de calculer le cou- rant qui passe à travers la résistance de mesure et donc le courant à travers la charge. Il est évidemment important de réaliser un générateur de tension de référence à coefficient thermique identique à celui de la résistance de mesure, de façon à pouvoir mesurer la valeur du courant dans la charge avec la même précision à toutes les températures. Selon la technique connue, un tel générateur est réalisé par un circuit comprenant un générateur de référence dit à bandgap (tel que décrit dans le livre "Circuiti Integrati Analogici, Analisi e Progetto", Paul R Gray et Robert Meyer, chapitre 4, paragraphe A 4 3 2) qui a une dérive thermique extrêmement réduite, et deux diodes en série connectées entre la sortie du générateur de bandgap et une résistance de polarisa- tion Aux bornes de la résistance de polarisation est alors prélevée une tension de référence, correspondant à la différence10 entre la tension de bandgap et la somme des tensions aux bornes des diodes, qui a un coefficient thermique essentiellement égal à celui de la résistance de mesure susmentionnée. La technique connue présente certains inconvénients. Notamment, la tension de référence est donnée par l'expression VREF = VBG 2 Vd, o VREF est la tension de référence, VBG est la tension de bandgap et Vd est la tension de diode. En analysant les deux termes de droite de l'expression on peut remarquer que, en ce qui concerne la tension de bandgap VBG, l'erreur introduite par les variations de sa valeur20 absolue et liée aux différentes phases de travail n'est pas négligeable et par conséquent qu'il est nécessaire de contrôler la tension VBG par des étalonnages qui exigent des surfaces de silicium élevées d'une manière indésirable. En outre le coefficient thermique de la tension Vd est fonction de sa valeur absolue, qui dépend de façcon logarith- mique de la valeur absolue du courant de travail et qui est sujette à des variations lors de fabrications en série. On déduit de ces considérations qu'il est impossible d'obtenir par cette technique une précision élevée de la valeur absolue de la tension de référence VREF et en particulier de son coefficient thermique. Un objet de la présente invention est d'obtenir un générateur de tension de référence à dérive thermique sélection- nable dans une gamme continue de valeurs, qui présente une35 précision élevée et un encombrement minimal. Selon l'invention cet objet est atteint par un géné- rateur de tension de référence caractérisé en ce qu'il comprend un premier générateur de tension à dérive thermique nulle, un deuxième générateur de tension à dérive thermique préétablie, des premiers moyens pour appliquer un poids prédéterminé à la tension produite par le premier générateur, des deuxièmes moyens pour appliquer un poids prédéterminé à la tension produite par le deuxième générateur, et des moyens soustracteurs pour sous- traire entre elles les tensions pondérées produites par les premier et deuxième générateurs de tension. De préférence, le deuxième générateur de tension est imbriqué dans le premier et il a en commun avec celui-ci deux transistors NPN à bases interconnectées et à émetteurs connectés l'un à l'autre par une résistance et à la masse par une autre résistance commune, les transistors mentionnés ayant des sur- faces d'émetteur différentes. La tension à dérive thermique nulle et la tension à dérive thermique préétablie sont appliquées à des résistances respectives et les moyens soustracteurs mentionnés comprennent un noeud de circuit auquel convergent les résistances respec- tives mentionnées et une résistance de sortie pour la génération de la tension de référence mentionnée. Les caractéristiques de la présente invention seront exposées plus clairement dans la description suivante d'un mode de réalisation faite à titre d'exemple non limitatif en relation avec la figure unique ci-jointe. En ce qui concerne la figure représentée, le circuit dans son ensemble comprend une résistance R 6 interposée entre une alimentation Vdd et l'émetteur d'un transistor T 4 de type PNP Le collecteur du transistor T 4 est à la masse, la base est connectée au collecteur d'un transistor T 6 type PNP Ce dernier, avec des transistors T 7, T 8 de type PNP et des résistances d'émetteur respectives R 7, R 5, R 8 connectées à la tension d'alimentation Vdd constitue un miroir de courant Les bases des transistors T 6, T 7, T 8 sont connectées à un noeud intermé- diaire B entre la résistance R 6 et le transistor T 4 pour leur polarisation Les collecteurs des transistors T 6, T 7 sont connectés aux collecteurs respectifs de deux transistors Tl, T 2 de type NPN à surfaces d'émetteur différentes (clle de Tl vaut n fois oelle de T 2) La base du transistor Tl est connectée à la base du transistor T 2 Les émetteurs des deux transistors Tl, T 2 sont connectés par une résistance Rl Entre la base et le col- lecteur du transistor T 2 est interposée une capacité Cl Dans leur ensemble les transistors Tl, T 2 avec la résistance Ri cons- tituent des moyens 2 générateurs d'un courant I qui, par suite de la présence du miroir de courant susmentionné, est reporté sur l'émetteur et puis sur le collecteur du transistor T 8 comme courant IC 8 Le circuit comprend en outre un transistor T 5 de type PNP, dont la base est connectée au collecteur du transistor T 7 Le collecteur du transistor T 5 est à la masse, son émetteur est alimenté par le courant d'un générateur de courant Il con- necté à la tension Vdd et à la base d'un transistor T 3 de type NPN A un noeud A du circuit interposé entre le collecteur du transistor T 8 et le collecteur du transistor T 3, est connectée un résistance R 4 qui à son autre extrémité est à la masse A ses bornes est prélevée la tension de référence VREF L'émetteur du transistor T 3 est connecté à la masse par une résistance R 3, qui a pour fonction de fixer le courant de travail du transistor T 3 Aux bornes de la résistance R 3, entre un noeud intermédiaire C connecté à la base des transistors Tl, T 2 et la masse, est présente une tension de bandgap VBG qui est produite par l'ensemble de circuit désigné par 1 et qui a une dérive ther- mique nulle puisque résultant de la somme d'une composante à dérive thermique négative (tension base-émetteur de T 2) et d'une composante à dérive thermique positive (tension aux bornes de R 2, fonction de la différence entre les tensions base-émetteur des deux transistors Tl et T 2 à surfaces d'émetteur différen- tes). Le circuit décrit fonctionne de la façon suivante. En appliquant l'équation de Kirchoff à la maille formée par les transistors T 1, T 2 et par la résistance R 1 on obtient qu'aux bornes de la résistance R 1 soit présente une tension AVBE égale à la différence entre les tensions base- émetteur des transistors T 2 et T 1 et donc à dérive thermique constante préétablie Dans la résistance Ri s'écoule donc un courant I égal à AVBE/R 1 Ce courant, par suite du miroir de courant 4, est reporté comme courant ICB sur l'émetteur du transistor T 8 et puis, dans l'hypothèse o le courant de base du transistor T 8 serait négligeable, sur le collecteur du transis- tor T 8 Sur l'émetteur du transistor T 3 est présent un courant donné par le rapport entre la tension VBG présente aux bornes de la résistance R 3 et la résistance R 3 elle-même Il s'ensuit que, en appliquant la loi de Kirchoff au noeud intermédiaire A entre les collecteurs des transistors T 8 et T 3, on obtient que le courant à travers la résistance R 4 est donné par la diffé- rence entre le courant de collecteur IC 8 présent sur le col- lecteur du transistor T 8 et le courant de collecteur IC 3 présent sur le collecteur du transistor T 3 La tension de réfé- rence VREF est alors donnée par 1 'expression VREF = R 4 (AVBE/Rl-VBG/R 3) ( 1) En supposant que R 3 = KR 1 ( 2) on obtient VREF = R 4/Rl(AVBE-VBG/K) = R 4/Rl(AVBE-VO) ( 3) o VBG/K = Vo ( 4) Afin de pouvoir évaluer la dépendance en température de l'équa- tion ( 3), il est nécessaire d'expliciter les dépendances de chaque terme AVBE: en partant de l'équation qui exprime la différence de tension VBE entre les deux transistors T 1, T 2, on peut écrire AVBE = 9 V Tln(Icl/I Sl)(IC 2/Is 2) ( 5) o VT est 1 'équivalent en tension de la température définie par la relation VT=KT/q (K=constante de Boltzmann, T=tempé- rature absolue, q=charge de l'électron) et sur la base de 5 l'équation de Einstein donnant le rapport entre la diffusion et la mobilité électronique. Si IC 1 = IC 2 I 51 = AI 52 avec I Cl, IC 2 désignent les courants de collecteur des transistors T 1, T 2; I Sl, I 52 désignent les courants de saturation des transistors Tl, T 2; et A désigne le rapport entre les surfaces d'émetteur des deux transistors Tl, T 2, on obtient: AVBE = MV Tln A = qk T/qln A ( 6) o: T = température absolue k = constante de Boltzmann q = charge de 1 ' électron Y = paramètre technologique indépendant de la température L'équation ( 6) peut aussi s'écrire: AVBE = q(k To/q)ln A+qlk(T-To)/qlln A ( 7) avec To = température de référence. En développant l'équation ( 7) on arrive à: AVBE = q(k To/q)(l+(TTo)/To)ln A = AVB Eo(l+"AT)q ( 8) L'équation ( 8) met en évidence la loi de variation de la tension AVBE en fonction de la température avec: AVBE = valeur calculée à la température de référence, î = coefficient thermique ó = 1/Toll/ Kl ( 9) î = 106/Tolppm/ Kl ( 10) VBG/K on suppose en première approximation que la tension VBG est indépendante de la température. R 4/R 1: si les deux résistances sont accouplées, leur rapport pendant de la température. En remplaçant dans l'équation ( 3), on obtient: VREF = R 4/R 1 lAVB Eo(l+ AT)-Vol VREF = R 4/R 1 l(AVBEO-Vo)( 1 +"'AT) est indé- ( 11) ( 12) o: = lAVB Eo/(AVB Eo-Vo)l ( 13) L'équation ( 12) identifie une tension à dérive thermique liné- aire, dont la valeur du coefficient thermique dépend de la valeur absolue de la tension Vo et donc de la tension VBG: Vo = AVB Eo(l-"/"') ( 14) Cela détermine la possibilité de choisir la valeur du oeffi- cient thermique sur la base de ses propres exigenoes, avec une15 précision élevée et sans nécessité d'étalonnage. REVENDICATIONS 1 Générateur de tension de référence, caractérisé en ce qu'il comprend un premier générateur ( 1) de tension (VBG) à dérive thermique nulle, un deuxième générateur ( 2) de tension (AVBE) à dérive thermique préétablie, des premiers moyens (R 4, R 3) pour appliquer un poids prédéterminé à la tension (VBG) produite par le premier générateur ( 1), des deuxièmes moyens (R 4, R 1) pour appliquer un poids prédéterminé à la tension (AVBE) produite par le deuxième générateur ( 2), et des moyens soustracteurs (A) pour soustraire entre elles les tensions pondérées (AVBE, VBG) produites par lesdits premier et deuxième générateurs de tension ( 1, 2). 2 Générateur de tension selon la revendication 1, caractérisé en oe que ledit deuxième générateur de tension ( 2) est imbriqué à l'intérieur du premier générateur ( 1) et comprend deux transistors (T 1, T 2) de type NPN à bases interconnectées et à émetteurs connectés 1 'un à l'autre par une résistance (R 1) et à la masse par une autre résistance commune (R 2), lesdits tran- sistors (T 1, T 2) ayant des surfaces d'émetteur différentes. 3 Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tension à dérive thermique nulle (VBG) et ladite tension à dérive thermique préétablie (AVBE) sont appliquées à des résistances respectives (R 3, R 8) et en ce que lesdits moyens soustracteurs comprennent un noeud de circuit (A) o convergent lesdites résistances respectives (R 3, R 8) et une résistance de sortie (R 4) pour la génération de ladite tension de référence (VREF).