Brevet FR2678399A1 — publié le 19921231

MIROIR DE COURANT FONCTIONNANT SOUS FAIBLE TENSION. La présente invention concerne un circuit électronique miroir de courant, dont l'architecture a été établie en vue d'obtenir un bon fonctionnement à une tension faible proche de la tension d'alimentation inférieure, et une faible résistance passante Par modification d'un miroir de courant connu, auquel on ajoute un circuit de contre- réaction, on conserve le courant de sortie constant quelque soit la tension appliquée aux bornes du miroir de courant selon l'invention. L'invention est applicable à des circuits réalisés avec différents types de transistors: en vue de clarifier l'exposé, l'invention sera expliquée en s'appuyant sur un circuit en transistors N-MOS, ce qui ne limite pas la portée de l'invention. En soi, le miroir de courant est bien connu en électronqiue analogique, et le schéma de base en est donné figure 1 De façon très simplifiée, entre deux sources de tension VDD et VSS se trouvent: une branche de référence composée d'une source de courant 1, qui fournit un courant I, et d'un premier transistor Tl, une branche suiveuse ou de recopie composée d'une charge 2 et d'un second transistor T 2 Les grilles de Tl et T 2 sont réunies entre elles et de plus à la source de courant 1, de sorte que le courant V' qui traverse la charge 2 recopie le courant I de la source 1. En fait, ce type de miroir de courant est ent Aché d'une erreur (I' = I) due au gain des transistors, surtout à faible gain On peut y remédier en réalisant un miroir de Wilson, schématisé en figure 2: sur la branche suiveuse est ajouté un transistor T 3, dont la grille est reliée à la branche de référence, entre la source l et Tl Le transistor T 3 est contre-réactionné par un miroir simple Dans ce type de montage, l'excursion en tension du point A, entre la charge 2 et T 3, est limitée à quelques 100 m V + VGS au dessus de la tension "inférieure Vs S quelques 100 m V" correspond à la chute de tension à travers T 3, et VGS à la chute de tension à travers T 2. Dans le miroir de Wilson amélioré de la figure 3, un transistor T 4 ajouté dans la branche de référence permet à T 1 de travailler dans les mêmes conditions que T 2, en symétrisant le circuit, parce que la paire T 3 T 4 impose la même tension aux points B et C, améliorant la recopie de courant Mais dans les deux cas de miroirs de Wilson, il y a deux transistors en série dans la branche de recopie. Ainsi, les deux types de miroir de Wilson décrits ne fonctionnent que pour des tensions de sorties (en A) supérieures à Vss + VGS + quelques 100 m V, ce qui est une valeur trop élevée dans certains cas, si l'on tient compte que, pour les transistors MOS, VGS peut atteindre des valeurs aussi élevées que 4 ou 5 volts, tandis que des circuits fonctionnent sous 1 volt. Cette limitation est illustrée par les courbes de la figure 4 qui donnent les caractéristiques courant-tension d'un miroir en fonction de différentes tensions grille-source VGS, pour le transistor de sortie T 2 Les courbes en pointillés telles que 5 correspondent à un miroir de courant simple (fig 1) et les courbes en trait plein à un miroir de courant Wilson (fig 2 et 3) On voit que les miroirs Wilson n'atteignent un courant de saturation (donc stable) IDS sat que pour une valeur de V Ds plus élevée, en 7, que pour une miroir simple, en 8 Les flèches 9 montrent le décalage qui existe, pour une tension VGS donnée, entre un miroir simple et un miroir Wilson: pour ce dernier type, la recopie est meilleurs, mais au prix d'un VDSS supérieur. On appelle VDS sat ou VDSS cette valeur de seuil, qui selon l'art antérieur est par trop supérieure à VSS parce qu'il y a dans la branche suiveuse deux transistors T et T en 2 3 série, dont la résistance passante Ro est trop élevée. L'objet de l'invention est d'obtenir qu'un miroir de courant fonctionne avec une faible tension VDSS, au dessus de la tension d'alimentation V S, de façon à être adapté aux circuits qui eux-mêmes fonctionnent sous une faible différence de potentiel entre VDD et V SS ce qui ne permet pas au miroir de fonctionner très au dessus de V SS Un autre objet de l'invention est de réaliser un miroir de courant qui ait une faible résistance passante Ron dans sa branche de recopie, ce qui est par ailleurs une condition nécessaire pour pouvoir travailler à une tension proche de Vss. Ces objectifs sont atteints, selon l'invention, au moyen d'un miroir de courant simple, n'ayant qu'un seul transistor dans sa branche de recopie, mais doté d'une contre-réaction en tension qui a la particularité que sa branche qui agit sur la branche de recopie du miroir est en fait en parallèle avec la charge, et non pas en série avec elle De façon plus précise, l'invention concerne un miroir de courant fonctionnant sous faible tension, comportant, dans une branche de référence, une source de courant et un premier transistor et dans une branche de sortie, une charge et un second transistor, les grilles de ces deux transistors étant réunies et commandées à partir de la source de courant, ce miroir étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de contre-réaction en tension qui, pour une tension proche de la tension d'alimentation inférieure impose que le premier transistor recopie, sur son drain, la tension existant sur le drain du second transistor. L'invention sera mieux comprise par la description détaillée qui suit maintenant d'un exemple d'application, appuyée sur les figures jointes en annexes, qui représentent: figures 1 à 3: trois schémas électriques de miroirs de courant simple et de Wilson, connus, exposés précédemment, figure 4: courbes de caractéristiques I (V) de ces miroirs connus, pour plusieurs valeurs de tension de grilles figure 5: schéma électrique d'un miroir de courant selon l'invention, figure 6: schéma équivalent du précédant, pour une tension élevée au dessus de VSS figures 7 et 8: courbes de caractéristiques I(V) d'un miroir de courant selon l'invention. La figure 5 représente le schéma électrique d'un miroir de courant selon l'invention Il comporte, comme élément de base, un miroir de courant simple pour lequel on reconnaît, par comparaison avec la figure 1: une branche de référence, composée d'une source 1, qui fournit un courant I, et d'un premier transistor Tl. une branche de recopie, composée d'une charge 2 et d'un second transistor T 2 Les grilles communes de Tl et T 2 sont commandées à partir d'un point D situé entre la source de courant I et le transistor Tl. L'originalité du miroir de la figure 5 vient de ce qu'il comporte en outre un circuit de contre réaction en tension, formé par les transistors T 5 et TG Le transistor T 5 est monté sur la branche de référence du miroir simple, entre la source de courant 1 (point D) et le transistor Tl (point C) le transistor T 6 est monté en parallèle avec la charge 2, c'est à dire que sa source est connectée au point B commun à la charge 2 et à T 2, et que son drain est réuni au point A à une source auxiliaire de courant 10 Les grilles des transistors T 5 et TG sont réunies, et commandées à partir du point A. La symétrie du circuit est remarquable: un premier miroir simple 1 + Tl + T 2 est contre-réactionné par un second miroir simple 10 + T 6 + T 5, montés en symétrique de façon que la branche de recopie de l'un constitue la branche de référence de l'autre Seule la charge 2, montée en parallèle sur la source de courant 10 et T 6, rompt la symétrie On peut également considérer que la paire de transistors T 5 et T 6 constitue un suiveur de tension qui, si aucun des deux transistors n'est bloqué, impose la même tension aux points B et C, ce qui signifie que les transistors Tl et T 2 des deux branches fonctionnent dans les mêmes conditions. Si la source 10 fournit un courant 1 ', la charge 2 est parcourue par un courant I-I', puisque le transistor de recopie T 2 fournit un courant total égal à I La contre-réaction réalisée par T 5 et T 6 permet de garder le courant de sortie constant, dans la charge, lorsque VB VSS VB étant la tension au point B, défini ci-dessus, VDSS (T 2) étant la tension VDS à saturation pour le transistor T 2- Le fonctionnement de ce miroir de courant s'explique en considérant la tension VB au point B, dont on supposera qu'elle diminue progressivement de VDD jusque Vs S. 1 Lorsque VB = VDD T 6 est bloqué parce que son VGS = O et le point A est tiré vers VDD X par la source auxiliaire 10 T 5 se comporte dans ce cas comme un interrupteur conducteur à faible Ron Dans ces conditions, le schéma se simplifie et devient celui représenté en figure 6 Si la résistance Ron de l'interrupteur T 5 est suffisamment faible, elle peut être négligée, et le schéma du miroir de courant selon l'invention est équivalent à celui d'un miroir simple, en figure 1. 2 Lorsque VB s'abaisse et atteint VB = VDD VDSS( 1 O) VS (TG) (V Ds S ( 10) étant la chute de tension dans la source de courant 10, qui est elle-même réalisée au moyen d'un transistor), le courant I' débité par la source 10 est rétabli et T 6 redevient conducteur Le courant qui traverse la charge 2 diminue et devient I-I' Cette diminution du courant dans la charge 2 ne présente aucun inconvénient, puisque l'objet de l'invention est de travailler très près de l'alimentation négative VSS v et non pas à proximité de l'alimentation positive VDD. 3 Lorsque VB continue de baisser, et atteint VB = Vss + V Dss (T 2) la paire de transistors T 5 et T 6 se comporte comme un suiveur de tension et recopie la tension VB au point C, situé entre Tl et T 5 sur la branche de référence du miroir de courant Ceci garanti que les transistors Tl et T 2 entrent simultanément en fonctionnement ohmique. Considérons alors le comportement de Tl dans la branche de référence, illustré par la figure 7 La source de courant 1 impose un courant I, mais T 5 + T 6 imposent la tension au point C: la caractéristique de Tl se déplace du point P au point P', sur la figure 7, en baisse puisque par définition VB baisse Il s'ensuit que la tension de grille de Tl augmente de V à GS 3 VG 54, par exemple Mais, par construction d'un miroir de courant, cette même tension VG 54 est appliquée sur la grille de T 2, et le courant de sortie dans la charge 2 reste constant bien que le transistor T 2 soit entré en fonctionnement ohmique, puisque le point P' est sur la partie linéaire de la caractéristique I (V) 4 Si la tension VB continue à diminuer, et donc à se rapprocher de V, la tension de grille VGS de Tl continue à augmenter, mais également la tension VD du point D situé entre la source de courant 1 et le transistor T 5 VD est tiré à VDD et lorsqu'il atteint cette valeur, la contre-réaction cesse de fonctionner, et le courant de sortie décroît Le générateur de courant 1 ne fonctionne plus, ni le miroir de courant, mais néanmoins ce dernier à fonctionné jusqu'à une valeur peu élevée au dessus de V S. La figure 8 représente quelques courbes de caractéristiques I (V) du miroir de courant selon l'invention, pour 4 valeurs de VGS différentes entre elles Sur la même figure sont reportées en pointillés, les courbes correspondantes d'un miroir de courant simple, pour les mêmes valeurs de VGS Les flêches 11 montrent le décalage qui existe entre les caractéristiques d'un miroir connu (pointillés) et celles de l'invention (traits pleins) On peut observer que, contrairement aux miroirs Wilson (figure 4) pour lesquels il y a augmentation de VDSS par rapport à un miroir simple, il y a selon l'invention une diminution de VDSS le miroir de courant selon l'invention fonctionne à une tension proche de VSS, même si V de T 2 est inférieure à VDSS. Le miroir de courant selon l'invention est utilisé en interface avec les circuits fonctionnant sous faible tension, par exemple les TTL, ou comme interrupteur à faible résistance passante. L'invention est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 Miroir de courant fonctionnant sous faible tension, comportant, dans une branche de référence, une source de courant ( 1) et un premier transistor (Tl) et, dans une branche de sortie, une charge ( 2) et un second transistor (T 2), les grilles de ces deux transistors (Tl, T 2) étant réunies et commandées à partir de la source de courant ( 1), ce miroir étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de contre-réaction en tension (T 5,T 6,10) qui, pour une tension proche de la tension d'alimentation inférieure (VSS) impose que le premier transistor (Tl) recopie, sur son drain, la tension (VB) existant sur le drain du second transistor (T 2). 2 Miroir de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de contre réaction comprend un troisième transistor (T 5), intercalé entre la source de courant ( 1) et le premier transistor (Tl), et un quatrième transistor (TG), intercalé entre une source de courant auxiliaire ( 10) et le second transistor (T 2), les grilles des troisième (T 5) et quatrième (TG) transistors étant réunies et commandées à partir de la source de courant auxiliaire ( 10) 3 Miroir de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction (T 5,TG, 10) constitue un second miroir de courant, dont la branche de recopie (T 5) commande la branche de référence du miroir de courant principal (T 1,T 2, 1). 4 Miroir de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction en tension (T 6, 10) est monté en parallèle avec la charge ( 2) Miroir de courant selon la revendication 4, caractérisé en ce que la branche de sortie ( 2,T 2) ne comporte qu'un seul transistor (T 2). 6 Miroir de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en raison du circuit de contre-réaction en tension, le second transistor (T 2) conserve une caractéristique de courant drain-source IDS saturée pour une valeur de tension drain-source V Ds inférieure à la valeur de saturation VDS sat