Brevet FR2679081A1 — publié le 19930115

ETAGE DIFFERENTIEL DE COURANT A MIROIR DE COURANT L'invention a pour objet un étage différentiel de courant incorporable dans un circuit intégré et permettant de fournir une tension proportionnelle à la différence entre deux courants d'entrée de sens opposé, quelle que soit la polarité de la tension. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les circuits intégrés destinés aux postes téléphoniques, où de tels étages sont nécessaires et doivent être peu sensibles aux variations de la tension d'alimentation (particulièrement sensibles lorsque la tension est fournie par le courant de ligne) et des résistances (dues notamment aux variations de température). Classiquement, un étage différentiel de courant comporte deux générateurs de courant placés en série et en opposition et une résistance traversée par un courant représentatif de la différence des courants fournis par les générateurs. Un miroir de courant est interposé entre les deux générateurs. La tension V représentative de la différence des courants Il et I2 est obtenue à l'aide d'une résistance montée entre une borne portée à une tension de référence. et un point du circuit série placé entre le miroir de courant et un des générateurs de courant.Si ce générateur est celui qui fournit le courant Il, la tension de référence doit être au moins égale à R. 12, où R est la valeur de la résistance. I1 faut de plus que les moyens de polarisation qui fournissent la tension de référence admettent les deux sens du courant dans la résistance, car en général le sens de 11-12 est variable. La présente invention vise à fournir un étage différentiel de courant répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il écarte les difficultés ci-dessus. Dans ce but, l'invention propose un étage différentiel de courant comprenant deux générateurs de courant et une résistance R traversée par un courant représentatif de la différence I1-I2 des courants fournis par les générateurs, caractérisé en ce que la résistance est placée en série entre les deux générateurs et en parallèle avec un miroir de courant comprenant au moins deux transistors montés dos à dos, destinés à faire passer un courant égal à celui qui traverse la résistance et polarisés de façon que l'un fournisse une référence de courant de base ou de porte à l'autre. Dans un mode simple de réalisation, mettant en oeuvre des transistors bi-polaires, les bases des deux transistors du miroir de courant sont reliées l'une à l'autre et les émetteurs (ou collecteurs) sont reliés également entre eux. Les bases des transistors sont reliées à une des bornes de la résistance de sorte que celui des transistors dont la base est reliée au collecteur (ou à l'émetteur) constitue une diode. Ce montage donne des résultats satisfaisants si les transistors peuvent être considérés comme parfaits, c'està-dire ont des gains très élevés. Dans le cas contraire, le courant de base des transistors perturbe le courant qui traverse la résistance. Il peut alors être avantageux de compléter l'étage différentiel par des transistors complémentaires constituant un circuit réduisant le courant de base. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels La figure 1 est un schéma de principe d'un mode de réalisation particulièrement simple de l'étage différentiel de courant Les figures 2 à 5, similaires à la figure 1, montrent des variantes de réalisation plus complexes. L'étage différentiel montré en figure 1 comporte, de façon classique, deux générateurs de courant 10 et 12, fournissant respectivement des courants I1 et I2. L'étage différentiel doit fournir une tension V proportionnelle à I1-I2. Pour cela, les deux générateurs sont montés en série et en opposition dans un circuit comportant une résistance 14, de valeur R. La tension V est prélevée entre les points C et E, c'est-à-dire entre les bornes de la résistance. Conformément à l'invention, un miroir de courant 15 est monté entre les bornes de la résistance 14. Dans le cas de la figure 1, il est constitué de deux transistors bipolaires 16 et 18, de type NPN, montés dos-à-dos, c'està-dire que leurs bases sont reliées entre elles. Les émetteurs sont également reliés entre eux tandis que les collecteurs sont reliés à des extrémités respectives C et E de la résistance 14. Dans ce cas, le courant de sortie ID qui traverse la résistance 14 sera égal à (I1 - I2)/2. La formule serait inversée si les bases étaient reliées au point E. Le transistor dont le collecteur est relié à la base constitue en effet une diode et fournit une référence de courant de base au second. Le montage fournit donc une tension V proportionnelle à la différence des courants fournis par les générateurs. L'équation ci-dessus suppose que les transistors 16 et 18 peuvent être considérés comme parfaits, c'est-à-dire qu'ils aient un gain suffisamment élevé pour que le courant de base soit très faible et que la résistance de base des transistors n'est pas d'influence. On choisira la valeur R de la résistance 14 pour que le transistor 18 fonctionne toujours en régime linéaire et que cette condition soit à peu près remplie. Le circuit qui vient d'être décrit a l'avantage supplémentaire d'avoir une dynamique importante, qui n'est limitée que par la tension de polarisation. Cette dynamique permet d'aller jusqu'à des valeurs négatives de I1 - I2, avec une tension de polarisation en C classique dans les circuits intégrés, égale à 0,7 Volt. Lorsqu'il est nécessaire de disposer d'une tension exactement représentative de I1 - I2 ou lorsque le gain des transistors est trop faible, on peut utiliser des montages qui réduisent notablement les courants de base et notamment ceux montrés en figures 2 à 5. L'étage différentiel montré en figure 2, ou les composants correspondant à ceux montrés sur la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, utilise un montage dit Wilson, comportant un transistor supplémentaire 20 entre l'extrémité E de la résistance et le transistor 18. Si les transistors 16, 18 et 20 sont identiques et ont un gain P, l'erreur, c'est-à-dire l'écart entre ID et la moitié du courant I1 - 12 est réduite à 1/(1 + ss2), Avec des transistors courants, ayant un gain P = 80, l'erreur est réduite à une valeur de 10-4. La figure 3 montre une variante de la figure 2, dans laquelle le transistor supplémentaire 22 est monté de façon à fournir le courant de base. Ce montage exige simplement une polarisation supplémentaire en A. La figure 4 se différencie essentiellement des précédentes en ce que l'étage différentiel est constitué en transistors MOS à effet de champ plutôt qu'en transistors bi-polaires. Le montage adopté est de type Cascode à contre-réaction pour éliminer les problèmes que pose l'impédance de sortie élevée des transistors à effet de champ. Les deux transistors 16a et 18a fonctionnent dans la région saturée de la caractéristique des transistors à effet de champ. Les transistors 24 et 26 fonctionnent dans la région linéaire comme des résistances variables. L'étage montré en figure 5 met en oeuvre des transistors complémentaires afin de réduire la tension de polarisation nécessaire au point C. Si on désigne par VBE la tension commune de base des transistors 16 et 18, encore de type NPN, cette tension passe à 2VBE sur la base du transistor 28 fournissant le courant de base. Mais elle est ramenée à VBE par le transistor 30, de type PNP contrairement aux transistors 16, 18 et 28. La tension au point C sera donc d'environ 0,7 volts en cas d'implantation sur silicium, alors que les montages des figures 2 et 3 exigent alors 1,4 volts au point C, du fait de l'addition de deux tensions de polarisation de base VBE. Le montage de la figure 5 est en conséquence particulièrement avantageux dans les applications où les tensions disponibles sont faibles. C'est notamment le cas dans les postes téléphoniques dont la tension de fonctionnement est fournie par le courant de ligne, qui peut descendre à des valeurs beaucoup plus faibles que sa valeur nominale. En France par exemple, où le courant nominal est de 30 mA, les fonctions essentielles du poste doivent être préservées jusqu a un courant de ligne de 8 mA, pour lequel la tension qui peut être obtenue à partir de la ligne n'est plus que de 3 volts. L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation décrits à titre d'exemple et il doit être entendu que la présente demande de brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences, notamment avec les transistors de polarité différents. REVENDICATIONS 1. Etage différentiel de courant comprenant deux générateurs de courant (10, 12) et une résistance (14) traversée par un courant représentatif de la différence des courants (I1-I2) fournis par les générateurs, caractérisé en ce que la résistance (14) est placée en série entre les deux générateurs et en parallèle avec un miroir de courant comprenant au moins deux transistors (16, 18) montés dos à dos, destinés à faire passer un courant égal à celui qui traverse la résistance et polarisés de façon que l'un fournisse une référence de base ou de porte à l'autre. 2. Etage différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors (16, 18) sont bi-polaires, en ce que leurs bases sont reliées entre elles et en ce que leurs émetteurs (ou collecteurs) sont reliés entre eux. 3. Etage différentiel suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les collecteurs (ou émetteurs) des transistors sont reliés à des extrémités respectives de la résistance (14). 4. Etage différentiel suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la base des transistors (16,18) est reliée à une des extrémités de la résistance pour que le transistor dont le collecteur (ou l'émetteur) est relié à la base constitue une diode. 5. Etage différentiel selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor supplémentaire dont la base est reliée à une extrémité (C) de la résistance et dont la jonction émetteur-collecteur est placée entre soit une borne portée à une tension de référence soit l'autre extrémité (E) de la résistance, et les bases des transistors (16,18) du miroir de courant. 6. Etage différentiel selon la revendication 1, caractérisé par un groupe de deux transistors complémentaires (28,30) montés en cascade, entre une extrémité (C) de la résistance et une tension de polarisation. 7. Etage différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors (16a, 18a) sont des transistors à effet de champ placés en série avec un montage miroir supplémentaire ayant la même polarisation de porte.