Brevet FR2677781A1 — publié le 19921218

SOURCE DE COURANT ADAPTEE A DES VARIATIONS RAPIDES DE TENSION DE SORTIE La présente invention concerne une source de courant qui supporte des variations rapides de tension sur sa sortie sans les répercuter sur le courant débité Cette source doit cette caractéristique en partie à sa structure et en partie à sa réalisation en transistors de type NPN. Une source de courant est par définition un circuit qui doit fournir un courant stable à un autre circuit électronique Mais en fait, au cours du fonctionnement, il arrive que ce second circuit, par des changements d'états, subisse des variations rapides en courant, qui se répercutent sur la sortie de la source de courant. Si la source de courant a une basse impédance, elle peut fournir le courant nécessaire, mais en raison de la faible impédance il y a une réaction qui déstabilise le courant de sortie Si au contraire la source de courant est à haute impédance, elle est plus stable mais ne peut pas répondre aux variations rapides. Le schéma d'une source de courant selon l'art connu est donné en figure 1 Il est très simple et comprend un miroir de courant formé par les transistors Ql et Q 2 et par la source de courant Q 3: celle-ci est pilotée à partir d'une tension de référence qui s'établit aux bornes d'une résistance Rref, et contrôlée en température par l'étalon V BG et par le transistor Qref Le transistor Q 4 est monté en miroir avec le transistor Q 3. Si R 3 = R 4 et si les transistors Q 3 et Q 4 ont mêmes géométries, ils débitent les mêmes courants et en particulier Q 3 débite un courant égal à Iref Si au contraire, le transistor Ql a une géométrie "n" fois plus importante que celle de Q 2, il débite "n" fois plus: par exemple si N = 5, le courant de sortie IS est 6 fois plus important que le courant de référence If r 1 Iref à travers Q 2 + 5 Iref à travers Qi). Cette architecture a l'avantage d'être très simple, de ne nécessiter que peu de transistors et d'avoir une consommation faible Elle est améliorée en ce sens que le miroir de courant Qi + Q 2, en transistors NPN, qui assure l'amplification permet de s'affranchir des variations de gain en courant en transistor Q 3, qui est un PNP. En effet, en technologie bipolaire rapide, les transistors PNP ont, de façon générale, plus de dispersion du gain que les transistors NPN. En outre, les transistors PNP tels que Q 3 et Q 4 ont des performances dynamiques très inférieures à celles des transistors NPN tels que Qi et Q 2, parce que les capacités parasites d'un PNP sont plus importantes que celles d'un NPN. Dans ces conditions, une variation rapide du courant de sortie IS (ou de la tension Vs en sortie) n'est pas transmise instantanément sur la base du PNP Q 3, à cause de sa capacité parasite collecteur base, et Q 3 ne réagit pas assez vite pour corriger cette variation. Enfin, la modulation du courant collecteur I C en fonction de la tension collecteur-émetteur, connu sous l'appellation de tension "d 'Early", est très faible pour un PNP, ce qui se traduit par une dépendance du courant de sortie IS avec la tension de sortie Vs d'o une imprécision statique. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose: de réaliser une source de courant en utilisant exclusivement des transistors NPN de modifier l'architecture de cette source de courant, notamment en remplaçant le miroir de courant par un amplificateur différentiel, qui fonctionne de telle façon qu'il maintient une différence de potentiel constante aux bornes d'une résistance, ce qui assure un courant débité constant, quel que soit le potentiel sur la sortie La conséquence en est que la source de courant selon l'invention peut supporter des variations rapides de tension sur sa section: elle ne les répercute pas et continue de fournir un courant de sortie IS stable. De façon plus précise l'invention concerne une source de courant adaptée à des variations rapides de tension sur sa sortie, comportant une branche génératrice du courant de sortie formée par un premier transistor en série avec une première résistance cette source de courant étant caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens maintenant constante la différence de potentiel aux bornes de ladite résistance. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant, en liaison avec les figures jointes en annexe, qui représentent: figure l: schéma électrique d'une source de courant selon l'art connu, exposé précédemment; figure 2: schéma électrique d'une source de courant selon l'invention; figures 3 à 5: courbes de comparaison, pour une variation imposée (figure 3), entre la réponse de la source selon l'art connu (figure 4) et la réponse de la source selon l'invention (figure 5). La figure 2 donne le schéma électrique de la source, de courant selon l'invention. Alimentée entre une tension +VCC positive et une tension VEE négative, la branche qui fournit un courant de référence I, est sensiblement la même que celle de la figure re 1: un transistor Qf et une résistance Rref asservis en température par une source de tension VBG, contrôlent le courant qui traverse un transistor Q 6, en série avec une résistance R 6 située entre l'émetteur de QG et le collecteur de Qref- La branche qui constitue la source de courant à proprement parler comprend un transistor Q 5, connecté à l'alimentation + Vcc X en série avec une résistance R 5, dont l'extrémité libre constitue la borne de sortie du circuit Les bases des transistors Q 5 et QG sont réunies entre elles, et polarisées à partir de VCC par une résistance R 8. Le fondement de l'invention est de maintenir une différence de potentiel constante aux bornes de la résistance R 5, ce qui assure un courant débité 1 S constant quel quel soit le potentiel de sortie V Ceci est obtenu au moyen d'un S. amplificateur différentiel, formé par les transistors Q 7 et Q 8. Le transistor Q 7 a sa base réunie au point bas Vs) extrémité libre de la résistance R 5 et son collecteur branché sur l'alimentation Le transistor Q 8 a sa base réunie au point bas VB de la résistance RG, et son collecteur réuni au point V 1 commun à la résistance R 8 et aux bases des transistors Q 5 et QG. Les émetteurs de l'amplificateur différentiel Q 7 + Q 8 sont branchés sur une source de polarisation, qui tire un courant I Pol vers l'alimentation -VEE. On peut observer la symétrie du schéma, mise à part la référence Qref + Rref, ainsi que l'alimentation de Q 7 à partir de Vcc et celle de Q 8 à partir de VH' Mais la tension au point VH correspond, à une jonction émetteur/base de Q 5 près, à la tension à une première extrémité "haute" de R 5, et la tension au point VB correspond, à travers l'amplificateur différentiel, à la tension à une deuxième extrémité "basse" de R 5, qui est en outre la tension de sortie Vs. Ce schéma pourrait fonctionner, avec adaptation, avec des transistors de type PNP, mais, pour atteindre l'objectif qui est que le courant I reste constant si la tension V fluctue, il est impératif de le réaliser exclusivement avec des transistors NPN, qui ont moins de capacité parasite de base. En fonctionnement, la source de courant de référence Qref + Rref assure une différence de potentiel constante VV V aux bornes de la résistance RG (à une jonction H B près), et, à l'équilibre, la tension au point VB est asservie à la tension de sortie au point Vs 5 ou tension au point "bas" de R 5. Mais simultanément, la tension au point "haut' VH de R 5 (à une jonction près) est asservie au potentiel de sortie VS' oà travers l'amplificateur différentiel rebouelé en gain unité Ainsi, si la tension de sortie Vs fluctue, par suite du fonctionnement, la tension en VH l'accompagne dans sa fluctuation, et comme la différence VH VB est constante, la différence VH Vs est également constante, et le courant de sortie IS est constant. L'amplification en courant est obtenue par la géométrie des composants symétriques Q 5 + R 5 et Q 6 + R 6 Si le courant IS doit être égal à "n" fois le courant Iref les dimensions géométriques du transistor Q 5 sont égales à "n" fois celles du transistor Q 6, et la valeur de la résistance R 5 est égale à "l/n" fois celle de la résistance R 6 Ainsi, à titre purement explicatif, pour débiter 3 m A avec un courant de référence de 500 A, comme dans l'exemple de la figure 1, il faut que Q 5 ait une géométrie égale à 6 fois celle de Q 6, et que R 5 = R 6/6. L'utilisation exclusive de transistors NPN qui ont moins de capacité parasite de base, entraîne deux types d'avantages: en dynamique, on s'affranchit des effets capacitifs de la base de Q 7 sur la sortie Vs Seul subsiste un effet capacitif sur le transistor Qref' mais il n'intervient pas sur la sortie et il peut être réduit en diminuant la géométrie de Qref; en statique, la variation de IS en fonction de VS depend de l'effet early du transistor Qrefv qui est réduite parce qu'un transistor NPN a une tension d'early plus grande qu'un PNP, ainsi que de l'offset de l'amplificateur utilisé. Les courbes des figures 3 à 5 illustrent l'intérêt des transistors NPN, et du circuit selon l'invention, par rapport à l'art connu. La courbe de la figure 3 représente la forme de tension qu'on force sur la sortie Vs: elle varie de 2 V en 1 ns, soit une variation de 2000 V/ lu S, mieux connue sous le nom de "slew-rate" On observe comment réagit la source de courant dans les deux cas de variation, front montant et front descendant. Dans le cas de l'art connu, en figure 4, la quasi-droite 1 donne la réaction du courant de référence Iref' amplifié pour être amené au niveau du courant de sortie I Le courant Iref est très constant, mais le courant de sortie en courbe 2 subit deux rebonds, mieux connus sous le nom d"overshoot", l'un au front montant, l'autre au front descendant Pour une impulsion à 2000 V/ g S, l'overshoot atteint %, et il faut 4,8 ns pour que le circuit revienne à l'équilibre + 5 %. Les courbes 3 et 4 de la figure 5 donnent les correspondants des courbes précédentes, mais pour la source de courant selon l'invention Pour une même impulsion de 2 V, avec un slew-rate de 2000 V/ li S, on voit que le courant de référence (courbe 3) subit une très légère perturbation, mais le courant de sortie (courbe 4) est de beaucoup moins perturbé que dans l'art connu L'overshoot est limité à 9 % et la perturbation ne dure que 1, 5 ns. Cette très sensible amélioration est due à l'emploi exclusif dans la source de courant selon l'invention de transistors de type NPN, qui ont moins de capacités parasites. Une source de courant peut être modèlisée, sous la forme d'un générateur de courant (Id), en parallèle avec une résistance (RS) et avec une capacité (Cd) Pour un même courant généré Id = 3 m A, la source de courant de la figure 1 (art connu) a une résistance RS = 10 k ohm et une capacité parasite Cd = 2,3 p F, tandis que la source de courant selon l'invention a: Rs = 100 k ohm Cd = 0,15 p F ce qui revient à diviser par 15,3 la capacité de la source, et donc à améliorer son temps de réponse, permettant ainsi que le courant débité soit indépendant des variations de la tension de sortie. REVENDICATIONS 1 Source de courant adaptée à des variations rapides de tension (Vs) sur sa sortie, comportant une branche génératrice du courant de sortie (I%) formée par un premier transistor (Q 5) en série avec une première résistance (R 5), cette source de courant étant caractérisé en ce qu'elle comporte des moyens maintenant constante la différence de potentiel aux bornes de ladite résistance (R 5). 2 Source de courant selon la revendication 1, comportant en outre une branche de référence formée par une source de tension de référence (Qref + R ref + V BG) en série avec une seconde résistance (RG) et avec un second transistor (Q 6), les bases des premier et second transistors (Q 5, QG) étant réunies et polarisées à travers une résistance (R 8) réunie à une alimentation (+Vcc), cette source de courant étant caractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués par un troisième et un quatrième transistor (Q 7, Q 8) montés en amplificateur différentiel, le troisième transistor (Q 7) ayant son collecteur branché sur l'alimentation positive (+VCC) et sa base branchée sur la sortie (Vs), tandis que le quatrième transistor (Q 8) a son collecteur branché au point commun "haut" (V H) aux bases des premier et second transistors (Q 5, QG) et a sa base branchée au point commun "bas" (VB) entre la deuxième résistance (R 6) et ladite source de tension de référence. 3 Source de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transistors sont de type NPN. 4 Source de courant selon la revendication 2, caractérisée en ce que les variations de la tension de sortie (Vs) sont recopiées par l'amplificateur différentiel (Q 7, Q 8) au point commun "bas" (VB) de la branche de référence ainsi qu'au point commun "haut" (VH), maintenant constante la différence de potentiel aux bornes de la première résistance (R 5).