Brevet FR2681961A1 — publié le 19930402

GENERATEUR DE COURANT PRECIS La présente invention concerne un générateur de courant et en particulier un générateur fournissant, à partir d'une tension de référence Vref définie par rapport à la masse, un courant égal à Vref/R à une faible erreur près, o R est une résistance. La figure 1 représente un circuit classique d'un tel générateur Ce générateur comprend un amplificateur opérationnel pilotant la base d'un transistor NPN Tl dont l'émetteur est relié à l'entrée inverseuse de l'amplificateur 10 et à la masse G à travers une résistance R L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 10 reçoit une tension de référence Vref par rapport à la masse Cette tension de référence est fournie, par exemple, par un générateur de tension de référence de type "Band-Gap" stabilisée en température Le collecteur du transis- tor Tl est relié à une borne de sortie de courant S qui est reliée à un noeud de circuit. Avec cette configuration, la tension aux bornes de la résistance R s'établit à Vref entraînant un courant d'émetteur du transistor Tl de valeur Vref/R Le courant de collecteur Ic20 du transistor Tl (le courant de sortie) s'établit à Ic ( 1-1/B) Vref/R, ( 1) o B désigne le gain en courant du transistor Tl Ce générateur fournit un courant proportionnel à Vref, qui présente une précision en température de l'ordre de 2 % sur une plage de -55 à 1250 C L'imprécision provient essentiellement du terme 1/3 En utilisant un transistor MOS à la place du transistor bipolaire Tl, le terme 1/8 est nul, ce qui améliore la précision. Toutefois, la réalisation d'une telle source de cou- rant nécessite l'emploi d'un amplificateur opérationnel qui comprend un grand nombre de composants (environ 12 transistors) et qu'il faut compenser par une capacité (non représentée) puis- qu'il travaille en boucle fermée avec un gain unitaire L'inté- gration d'une telle source de courant est donc coûteuse en surface de silicium. Par ailleurs, la tension entre la borne S et la masse doit rester supérieure à une valeur minimale égale à Vref+Vcesat, o Vcesat désigne la tension émetteur- collecteur d'un transistor bipolaire en régime de saturation. Cette valeur minimale est généralement plus grande lorsqu'on utilise un transistor MOS à la place du transistor Tl Ceci entraîne que l'on ne peut pas convenablement fournir un courant à un noeud d'un circuit, dont le potentiel risque de varier et de devenir inférieur à Vref+Voesat. Un objet de la présente invention est de réaliser un générateur de courant précis qui, intégré, occupe une faible surfaoe de silicium. Un autre objet de la présente invention est de réa- liser un tel générateur capable de fournir un courant précis à un noeud dont le potentiel varie dans une grande plage. Ces objets sont atteints grâce à un générateur de courant comprenant un premier transistor bipolaire dont la base est reliée à un potentiel de référence et l'émetteur à un pre-30 mier potentiel d'alimentation à travers une première résis- tance; un premier miroir de courant dont l'entrée est reliée au collecteur du premier transistor et dont la sortie est reliée à l'électrode de commande d'un deuxième transistor; un troisième transistor bipolaire dont le collecteur est relié à la sortie du premier miroir de courant, dont la base est reliée, d'une part, à une électrode principale du deuxième transistor et, d' autre part, à une borne d'une deuxième résistance dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du troisième transistor; et un deuxième miroir de courant dont l'entrée est reliée à l'émetteur du troi- sième transistor et dont la sortie fournit ledit courant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième miroir de courant comprend un quatrième transistor dont le collecteur constitue l'entrée du miroir, et dont l'émet- teur est relié au premier potentiel d'alimentation; au moins un cinquième transistor connecté en parallèle sur la base et l'émetteur du quatrième transistor et dont le collecteur fournit ledit courant; et un sixième transistor dont l'émetteur est relié à la base du quatrième transistor et dont la base est reliée, soit à la base, soit à l'émetteur du troisième transis- tor. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième transistor est choisi parmi: un transistor MOS, un transistor bipolaire, ou un transistor Darlington. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier miroir de courant est un miroir du type Wilson. Un avantage de la présente invention est que celle-ci convient particulièrement à une réalisation de générateur de courant à plusieurs sorties. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: La figure 1, précédemment décrite, représente un géné- rateur de courant précis classique; la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un géné- rateur de courant précis selon la présente invention; la figure 3 illustre un autre mode de réalisation du générateur de la présente invention; et la figure 4 illustre un autre mode de réalisation du générateur de la présente invention dans une technologie incor- porant des éléments bipolaires et des éléments CMOS (BICMOS). A la figure 2, un transistor Ql reçoit sur sa base une tension de référence Vref L'émetteur du transistor Ql est relié à la masse G à travers une résistance Ri de valeur R Un miroir de courant Ml, supposé idéal, recopie le courant Ici Le courant recopié se partage en un courant Ib 2 de base d'un transistor NPN Q 2 et un courant Icl-Ib 2 de collecteur d'un transistor NPN Q 3. Le miroir Ml est connecté à une tension haute d'alimentation Vcc et son sens de recopie est indiqué par une flèche Le collecteur du transistor Q 2 est relié à la tension Vce et son émetteur est relié, d'une part, à la base du transistor Q 3 et, d'autre part, à une borne d'une résistance R 2 de même valeur que la résistance Ri L'autre borne de la résistance R 2 est reliée à un noeud A auquel est relié l'émetteur du transistor Q 3 Le courant Is dans le noeud A est recopié sur une borne de sortie S par un miroir de courant M 2, supposé idéal, connecté à la masse. Dans la suite de la description, on supposera que les transistors ont des caractéristiques pratiquement identiques, notamment le même gain B, grand devant 1, et la même tension base-émetteur Vbe, ce qui est facile à réaliser dans un circuit intégré. Avec la configuration de la figure 2, le courant Ic vaut exactement Ici = (Vref-Vbe)/R Ib, ( 2) o Ib désigne le courant de base du transistor Q 1 Ce courant de base est défini par: Ib = Ici/B (Vref-Vbe)/BR. Le courant dans la résistance R 2, placée entre base et émetteur du transistor Q 3, s'établit à Vbe/R et est fourni par le transistor Q 2 dont le courant de base Ib 2 s'établit à une valeur voisine de Ib 2 = Vbe/BR. ( 3) Comme le transistor Q 3 est traversé par un courant proche de celui dans le transistor Q 1, son courant de base aura sensible- ment la même valeur Ib Le courant d'émetteur du transistor Q 3 est défini par: Ie 3 = Icl-Ib 2 +Ib. C'est-à-dire, en combinant les équations ( 2) et ( 3): Ie 3 = Vref/R Vbe/R Vbe/BR ( 4) On obtient ainsi dans le noeud A et en sortie du miroir M 2 un courant Is = Ie 3 + Vbe/R = Vref/R Vbe/BR = ( 1- k/B)Vref/R, ( 5) o k = Vbe/Vref. Cette formule ( 5) est similaire à la formule ( 1) du courant Ic fourni par le circuit de la figure 1 Ainsi, le géné- rateur selon l'invention de la figure 2 fournit un courant selon sensiblement la même précision que le générateur classique de la figure 1, mais présente les avantages suivants: il occupe notablement moins de surface de silicium car il est beaucoup moins complexe qu'un amplificateur opéra- tionnel (on verra ci-après que les miroirs de courant compren- nent 2 à 4 transistors chacun), et car il ne nécessite pas de capacité de compensation, et en choisissant un miroir M 2 adéquat, dont on donnera un exemple ci-après, la borne S peut être soumise à une tension plus basse que la valeur minimum Vcesat+Vref du générateur de la figure 1. Si l'on veut améliorer davantage la précision du courant de sortie Is, il faut réduire ou supprimer le terme perturbateur k/B introduit par le courant Ib 2 Ceci peut être réalisé, comme cela est décrit en relation avec la figure 3, en remplaçant le transistor bipolaire Q 2 par un transistor Darlington, ou par un transistor MOS (figure 4) si la techno- logie de fabrication le permet. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation plus détaillé du générateur de courant selon la présente invention. On y retrouve des mêmes éléments qu'à la figure 2 désignés par des mêmes références En plus de la borne de sortie de courant 5 S, ce mode de réalisation comprend deux autres bornes 52 et 53. Le transistor bipolaire Q 2 a été ici remplacé par un transistor Darlington Q 2 '. Le miroir Ml représenté est un miroir classique du type Wilson qui est un miroir à transistors bipolaires proche de l'idéal Le miroir comprend deux transistors PNP Q 4, Q 5 en série entre le collecteur du transistor Ql et la tension d'alimenta- tion Vcc et deux autres transistors PNP Q 6, Q 7 en série entre le collecteur du transistor Q 3 et la tension d'alimentation Vcc. L'entrée du miroir Ml correspond à la base et au collecteur15 court- circuités du transistor Q 4 La sortie du miroir correspond au collecteur du transistor Q 6 dont la base est reliée à la base du transistor Q 4 Le collecteur et la base du transistor Q 7 sont court-circuités et reliés à la base du transistor Q 5. Le gain d'un transistor Darlington étant beaucoup plus grand que celui d'un transistor classique, de l'ordre de J 32, son courant de base Ib 2 devient négligeable devant le courant Is. Le miroir M 2 comprend deux transistors NPN Q 8 et Q 9 à émetteurs reliés à la masse et dont les bases sont reliées ensemble Le collecteur du transistor Q 8 constitue l'entrée du miroir et il est relié au noeud A Le collecteur du transistor Q 9 constitue la sortie du miroir et est relié à la borne S Des transistors supplémentaires Q 10 et Qîl sont connectés de la même manière que le transistor Q 9 respectivement à une borne de sortie 52 et à une borne de sortie 53 Le courant de base des30 transistors Q 8 à Qîl est fourni par l'émetteur d'un transistor NPN Q 12 dont le collecteur est relié à la tension d'alimentation Vcc et dont la base est reliée à l'émetteur du transistor Q 2 '. Le courant de base consommé par le transistor Q 12 est négligea- ble devant Is, ce qui rend ce miroir proche de l'idéal. Avec cette configuration, tous les transistors ayant le même gain B, les courants de collecteur Is 2 et Is 3 seront égaux au courant Is, c'est-àdire Vref/R En jouant sur le gain (la surfaoe) des transistors Q 10 et Qîl, on pourra obtenir des courants de sortie Is 2 et Is 3 qui seront des fractions ou des multiples prédéterminés du courant Is On pourra bien entendu rajouter d'autres transistors connectés comme les transistors Q 10 et Qll pour augmenter le nombre de sorties de courant. Avec ce miroir de courant M 2, la tension minimum sur les bornes S, 52 et 53 est égale à la tension Voesat des tran- sistors Q 9 à Qll, c'est-à-dire environ 0,3 volt (au lieu de Vcesat+Vref dans le générateur de l'art antérieur). La figure 4 illustre un mode de réalisation en techno- logie BICMOS d'un générateur selon la présente invention On y retrouve des mêmes éléments qu'à la figure 2 désignés par des mêmes références Le transistor Q 2 a été remplacé par un tran- sistor MOS à canal N Q 2 ", d'o il résulte un courant Ib 2 nul et un courant Is exactement égal à Vref/R. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment, si l'on désire une source de courant à sens opposé, tous les transistors seront remplacés par leurs complémentaires, la masse et la tension Vcc étant alors interverties La base du transistor Q 12 peut être reliée au noeud A au lieu d'être reliée25 à la base du transistor Q 3 Tous les transistors, notamment les transistors des exemples de miroirs de courant bipolaires, peuvent être remplacés par des transistors MOS correspondants, mais la stabilité en température sera alors moins bonne. REVENDICATIONS 1 Générateur de courant (Is), comprenant un premier transistor bipolaire (Qi) dont la base est reliée à un potentiel de référence (Vref) et l'émetteur à un premier potentiel d'ali- mentation (G) à travers une première résistance (Rl), caracté- risé en ce qu'il comprend: un premier miroir de courant (Ml) dont l'entrée est reliée au collecteur du premier transistor (Qi) et dont la sortie est reliée à l'électrode de commande d'un deuxième tran- sistor (Q 2); un troisième transistor bipolaire (Q 3) dont le collecteur est relié à la sortie du premier miroir de courant, dont la base est reliée, d'une part, à une électrode principale du deuxième transistor (Q 2) et, d'autre part, à une borne d'une deuxième résistance (R 2) dont l'autre borne est reliée à l'émet- teur du troisième transistor (Q 3); et un deuxième miroir de courant (M 2) dont l'entrée est reliée à l'émetteur du troisième transistor (Q 3) et dont la sortie (S) fournit ledit courant (Is). 2 Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième miroir de courant (M 2) com- prend un quatrième transistor (Q 8) dont le collecteur constitue l'entrée du miroir, et dont l'émetteur est relié au premier potentiel d'alimentation (G); au moins un cinquième transistor (Q 9) connecté en parallèle sur la base et l'émetteur du qua- trième transistor (Q 8) et dont le collecteur fournit ledit courant (Is); et un sixième transistor (Q 12) dont l'émetteur est relié à la base du quatrième transistor (Q 8) et dont la base est reliée, soit à la base, soit à l'émetteur du troisième tran- sistor (Q 3). 3 Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième transistor (Q 2) est choisi parmi: un transistor MOS, un transistor bipolaire, ou un tran- sistor Darlington. 4 Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier miroir de courant (Ml) est un miroir du type Wilson.