Brevet FR2676149A1 — publié le 19921106

AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL NOTAMMENT DU TYPE A CASCODE La présente invention a pour objet un amplificateur différentiel comportant un étage différentiel comprenant un premier et un deuxième transistor couplés par les émetteurs, ceux-ci étant reliés à une première source de courantl la base du premier et du deuxième transistor étant agencée pour constituer une borne d'entrée respectivement pour une première et une deuxième tension d'entrée dont la différence est une tension différentielle d'entrée, ainsi qu'une deuxième et une troisième source de courant en parallèle respectivement avec une première et une deuxième charge disposées dans le collecteur respectivement du premier et du deuxième transistor. Un tel amplificateur est connu du brevet EP 275 079 dans lequel les transistors sont du type MESFET. L'addition d'une deuxième et d'une troisième source de courant d'intensité constante permet d'augmenter dans une certaine mesure la transconductance gm de la paire différentielle. L'évolution actuelle des circuits notamment dans le domaine des convertisseurs analogique- numérique impose d'augmenter au maximum la plage de fonctionnement et notamment la plage de linéarité des circuits. Une solution telle que proposée par l'art antérieur ne permettrait d'obtenir une linéarité très bonne, par exemple s'étendant pratiquement sur toute la plage des valeurs des signaux de sortie, qu'en augmentant le courant traversant les transistors de l'étage différentiel. L'invention vise à une amélioration de la linéarité, et de préférence également de la transconductance d'un amplificateur différentiel du type précité, sans augmentation du courant traversant les transistors de l'étage différentiel. Un circuit selon l'invention est dans ce but caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour réaliser la différence entre les courants des troisième et deuxième source de courant comme une fonction croissante de ladite tension différentielle d'entrée, choisie de manière à augmenter la linéarité de l'amplificateur, la somme des courants de la deuxième et de la troisième source restant constante. Du fait que la somme des courants de la deuxième et de la troisième source de courant est constante, le courant de la première source de courant est le même que dans l'art antérieur précité. Selon un premier mode de mise en oeuvre des sources de courant, la deuxième source de courant comporte un premier générateur de courant présentant une branche d'entrée en série avec le trajet de courant principal d'un troisième transistor dont la base est connectée à celle du premier transistor, ainsi qu'une branche de sortie connectée au collecteur d'un transistor du groupe formé par le premier et le deuxième transistor, et la troisième source de courant comporte un deuxième générateur de courant présentant une branche d'entrée en série avec le trajet de courant principal d'un quatrième transistor dont la base est connectée à celle du deuxième transistor, ainsi qu'une branche de sortie connectée au collecteur de l'autre transistor du groupe formé par le premier et le deuxième transistor, les troisième et quatrième transistor ayant leurs bases connectées entre elles et à une quatrième source de courant. Selon un mode de réalisation préféré, le premier générateur de courant est un premier miroir de courant, dont la branche de sortie est connectée au collecteur du deuxième transistor, et le deuxième générateur de courant est un deuxième miroir de courant dont la branche de sortie est connectée au collecteur du premier transistor. L'amplificateur différentiel peut être, de manière connue en soi, du type à cascode, suivant lequel la première et la deuxième charge sont constituées par un cinquième et un sixième transistor monté en cascode, leurs bases étant interconnectées et agencées de manière à être portées à un potentiel de référence, le trajet de courant principal du cinquième transistor étant disposé en série entre le collecteur du premier transistor et une première résistance de sortie, et le trajet de courant principal du sixième transistor étant disposé en série entre le collecteur du deuxième transistor et une deuxième résistance de sortie. Les générateurs de courant peuvent être tels qu'indiqués ci-dessus Cependant, un mode de réalisation avantageux peut être obtenu en mettant en oeuvre des résistances en raison du fait que la tension de collecteur des premier et deuxième collecteur est verrouillée par la tension de référence des transistors de cascode avec de faibles variations dues à la variation de tension base-émetteur des cinquième et sixième transistor en fonction des courants d'émetteur qui les traverse. Dans ce but, selon un mode de réalisation avantageux, la branche d'entrée du premier générateur de courant comporte une troisième résistance ayant une première et une deuxième borne, la première borne étant connectée à une source de tension d'alimentation, la branche de sortie du premier générateur de courant comporte une quatrième résistance connectée entre la deuxième borne de la troisième résistance et le collecteur du premier transistor, la branche d'entrée du deuxième générateur de courant comporte une cinquième résistance ayant une première et une deuxième borne, la première borne étant connectée à ladite source de tension d'alimentation, et la branche de sortie du deuxième générateur de courant comporte une sixième résistance connectée entre la deuxième borne de la cinquième résistance et le collecteur du deuxième transistor. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins ci-annexés, lesquels représentent: la figure 1, un circuit différentiel comportant des sources de courant en parallèle avec une charge. la figure 2, des courbes de transconductance comparées entre l'art antérieur et l'invention, la figure 3, un mode de réalisation préféré de l'invention quant à la réponse en fréquence, et la figure 4, un mode de réalisation de l'invention, à miroirs de courant. Selon la figure 1, un amplificateur différentiel comporte selon l'art antérieur précité deux transistors T 1 et T 2 couplés par leurs émetteurs également connectés à une source de courant principale La base du transistor T 1 reçoit une tension V et celle du transistor T 2 une tension V 2 La tension (V 1 V 2) = Vin est dénommée tension différentielle d'entrée. Une charge est disposée dans le collecteur de chacun des transistors T 1 et T 2 Telle que représentée ici, elle est constituée par une cascode mettant en oeuvre deux transistors T 5 et T 6 dont la base est portée à une tension de référence Vref, et dont le trajet collecteur- émetteur est disposé en série respectivement d'une part entre une borne d'une résistance R 1 et le collecteur du transistor T 1, et d'autre part entre une borne d'une résistance R 2 et le collecteur du transistor T 2 L'autre borne des résistances R 1 et R 2 est portée à une tension d'alimentation V cc Selon l'antériorité précitée, on a toujours égalité entre les courants IA et IB d'intensité constante fournis aux collecteurs respectivement du transistor T 1 et T 2 par des sources de courant IA et IB Même dans le cas o un signal de contrôle automatique de gain est utilisé pour piloter un courant constant dans les sources de courant IA et I, l'identité entre l'intensité de ces courants est toujours vérifiée (IA = IB = I' L'intensité de la source de courant principale est 2 IS + + A+ IB = 2 IS + 2 IO- L'idée de base de l'invention est d'améliorer la linéarité de l'amplificateur en donnant aux sources de courant IA et IB des valeurs différentes et dépendantes de la valeur des tensions d'entrée V 1 et V 2, tout en conservant une somme constante. Dans le cas d'un circuit différentiel classique (sans sources de courant IA et IB) dont la source de courant principale a pour valeur 2 IS, la transconductance effective gm a pour valeur: gml =IS / VT Dans le cas du circuit de la figure 1 avec IA = IB calculons la transconductance effective Soit A V = V 5 V 6 la tension différentielle de sortie (V 5 étant la tension de collecteur du transistor T 5 et V 6, celle du transistor T 6). On a: Avo = ((Is + IA) ( 1 + th (Vin /2 VT) IA) R 1 ( (Is + 1 A) ( 1 th (Vin /2 VT) IA) R 1 En effet, en négligeant les courants de base de T 3 et T 4, le courant traversant les résistances R 1 et R 2 (R 1 = R 2) est égal au courant traversant le collecteur respectivement de T 1 et T 2 auquel il faut retrancher le courant IA (IA = IB) Le courant collecteur de T 1 et T 2 s'exprime de manière classique à l'aide des fonctions tangente hyperbolique th de la manière indiquée ci-dessus (VT 26 m V) Après simplification, on a: A V = 2 R 1 (Is + IA) th (Vin / 2 VT) le gain apparent G 2 a pour valeur: G 2 = gm 2 R 1 La transconductance effective gm 2 est définie comme la dérivée de Io =A Vo / R 1 par rapport à Vin pour Vin = O. On pose IA = IB = I d'o gm 2 = 2 (Is + Io) / 2 VT gm 2 = (s + Io) / VT > gm La solution de l'art antérieur permet d'augmenter la transconductance effective par rapport à un circuit différentiel classique, mais le courant de la source de courant alimentant les émetteurs de T 1 et T 2 passe de 2 Is à 2 (Is + I). o Selon l'invention, posons maintenant: IA = I ( 1 f (Vin)) IB = I ( 1 + f (Vin)) f (Vin) étant une fonction monotone croissante de la tension différentielle d'entrée Vin = V 1 V 2. Ou alors en posant th (Vin / 2 VT = ti) o =() ( 1 + ti) IA) (Is + I) ( 1 ti) IB)) AIso ( Bl A Io = 2 (Is + I) ti + I IA = 2 (Is + Io) ti + 2 I O f (V in) La transconductance effective gm 3 vaut alors: Crm 3 = ( (Is + Io 0) / VT) + Io f'(o). avec f'(o) = dérivée à l'origine de la courbe f (Vin) Ceci montre que l'on peut augmenter la transconductance effective lorsque f'(o) est positive mais le point le plus important est l'augmentation de la linéarité, ainsi qu'on va le montrer plus loin à l'aide de la figure 3. La figure 2 illustre les courbes donnant la tension différentielle de sortie A V en fonction de la tension o différentielle d'entrée A Vin' pour un étage différentiel classique (courbe I), pour un étage différentiel selon l'art antérieur précité (courbe II) et selon l'invention (courbe III). On a effet: V = 2 R 1 (Is + Io) ti + 2 R 1 I f (Vin). Le terme 2 f (Vin) constitue un terme additif de correction. La courbe I correspond à un étage différentiel classique pour lequel A Vo = 2 R 1 Is ti. La courbe est une tangente hyperbolique d'asymptote Vo)max = 2 R Is. O max s La courbe II correspond à l'art antérieur selon le brevet EP 275 079. La courbe est une tangente hyperbolique d'asymptote V 2 = 2 R 1 (Is + I), le signal différentiel de sortie restant limité à (i V)Max 2 R 1 s La courbe III correspond à la présente invention. La courbe a une asymptote V 3 = 2 R (I 5 + I 0) + 2 R 1 10 f Max Y P 3 1 (s Io 10 omx f Max désignant la valeur maximale de la courbe f qui est monotone croissante L'amélioration de la linéarité est ainsi obtenue par l'augmentation de la valeur de l'asymptote ce qui augmente la plage de linéarité de la courbe En général, il y a également augmentation de la transconductance, car on a intérêt à choisir f'(o) positif La valeur de (à V)max reste quant à elle inchangée, de même que l'intensité ( 2 I + 2 I) de la source de courant dans les émetteurs de T 1 et T 2 ' Selon la figure 3, un circuit selon l'invention comporte, les transistors T 1, T 2 r T 5, T 6, les résistances R, et R 2 et la référence de la tension Vref' comme à la figure 1 La source de courant connectée aux émetteurs des transistors T et T 2 a pour intensité 2 Is + 2 I O Des transistors T et T 4 ont leurs émetteurs connectés entre eux ainsi qu'à une source de courant d'intensité 2 I'Ar et leurs bases connectées respectivement à celle du transistor T 1 et à celle du transistor T 2 Le collecteur du transistor T est relié à une source de tension d'alimentation V'cc (de préférence identique à Vcc) à travers une résistance R Une résistance R 5 relie les collecteurs des transistors T 1 et T 3 * Le collecteur du transistor T 4 est relié à la source de tension V'cc à travers une résistance R Une résistance R 6 relie les collecteurs des transistors T et T 4. Soit IC 3 le courant traversant le collecteur du transistor T 3, et IC 4 le courant traversant le collecteur du transistor T Soit Ix le courant traversant la résistance R 5 et Iy le courant traversant la résistance R 6 Soit Ici le courant traversant le collecteur (C 1) du transistor T 1 et IC 2 le courant traversant le collecteur (C 2) du transistor T 2 Soit V' la tension au point C 1 (collecteur de T 1) Soit U la x tension au collecteur du transistor T 3 Soit IR 3 le courant traversant la résistance R 3 et IR 4 le courant traversant la résistance R 4 Les courants Ix et Iy représentent les courants supplémentaires IA et IB Calculons la valeur du courant Io, à l'équilibre de l'étage différentiel (T 1, T 2) On a par hypothèse: I = Iy = I x y o on a I:1 + on a IR 3 = IC 3 + IX V cc R 3 (IC 3 + Io) R 5 Io = Vref VBE 5 = Vx en écrivant des deux manières possibles la tension V'x, avec VBE 5 désignant la tension base-émetteur du transistor T 5 et d'autre part: IE 5 + Io = IC 1 = IS + Io et IC 3 = IA puisque par hypothèse l'étage différentiel est équilibré d'o: IE 5 = IS (comme dans le cas de la Fig 1). On peut également calculer I: o Vcc -Vref + VBE 5 = R 3 I'A + (R 3 + R 5) I d'o: Vk'-R 3 Z 1 Vk* _R 3 I a 3 +cV V±5 V ++ 5 avec Vk = Vcc Vref + VBE 5 VBE 5 variant peu, Vk peut être considéré comme une constante (on met à profit l'effet de verrouillage de tension "clamp" dû à la cascode). I étant choisi à priori, on peut alors déterminer o R 3, R 5 et I A. Calculons maintenant le courant I, on a IR 3 Ix + IC 3 = Ix + I'A ( 1 + ti) ou encore: vca-U R 3 XR R 3 Ixtu- R 5 d'o: U R 5 I +V -' R-I, Vx R 5 I Rs _ R 5 -R 3 Ix ( 1 + 3) s Rsa-v X R 5 Ix (R 3 +R) - I CC-i 3 I;( 11-t 1 > V,. R 3 z'( 1 +ti) en outre: V' x ref VBE 5 (x.X+Ii ( 1 + j)) R 311 _ P-3 +P-5 R, -ri t, R 3 +Rs Il en résulte que R 5 Oa Xeê o S 3 ré tif On a de même par symétrie: M Io R 3 +ri y R +R, t' d'o: D R 3 f ( vin) R %+ 6 ' /o A Io t' et la valeur de la tension V 3, asymptote de la courbe III. v = 2 RI (I# + IO) + 2 R 3 RI I La transconductance a pour valeur: 9 M 3 m E O + R 3 R 3 + R 5 IA VT La tension différentielle de sortie a pour valeur: A Vo= 2 R 1 l (I+Io 0) +R I+l t I^ R 3 + Rs On a ainsi augmenté la transconductance et la valeur de la tension d'asymptote (V 3 > V 2) tout en conservant le même courant à travers les transistors T 1 et T 2 (source de courant 2 I + 2 I 0) On choisit de préférence R 5 très inférieur à R 3 Par exemple il A = 0,5 m A, R 3 = 1 k Q, et R 5 = 200 Q. La figure 4 représente un autre mode de réalisation mettant en oeuvre des sources de courant laquelle peut fonctionner avec ou sans les transistors de cascode Comme pour la figure 1, on a les transistors T 1, T 2, T 5 et T 6, les résistances R et R 2 et la source de courant d'intensité 2 IS et 2 I O connectée aux émetteurs couplés de T 1 et T 2 * La base de T 5 et T 6 est portée au potentiel Vref' Comme dans la figure 3, on a également les transistors T 3 et T 4 dont les bases sont connectées à celles respectivement de T 1 et T 2, et la source de courant 2 V Aconnectée aux émetteurs couplés de T 3 et T 4 Le collecteur du transistor T 3 est connecté en série à un transistor T 7 monté en diode (court circuit collecteur base) et dont l'émetteur est connecté à la source de tension d'alimentation VCC Un transistor T a son émetteur connecté à la source Vcc son collecteur à celui du transistor T 2, et sa base à celle du transistor T 7 de manière à former un miroir de courant. Le collecteur du transistor T 4 est connecté en série à un transistor T 8 monté en diode (court circuit collecteur-base) et dont l'émetteur est connecté à la source de tension d'alimentation V C Un transistor T 10 a son émetteur connecté à la source Vcc r son collecteur à celui du transistor Ti, et sa base à celle du transistor T 8 de manière à former un miroir de courant. Calculons le courant dans les collecteurs de T et T 10 à l'équilibre (V 1 = V 2). On a: I 1 == I + 1 ci C 2 S o C 9 C 10 A On veut qu'à l'équilibre, R 1 et R 2 soient parcourus par le courant IS, d'ou en négligeant le courant de base de T 5 et T 6: IC 1 = IC 2 = IC 9 + IS = IC 10 + IS Io +IS d'o Ic 9 =IC 10 I A Io d'o I' = I A o En raison des miroirs de courant, on a: IC 3 = IC 9 IC 4 = IC 10 on a: IC 3 = I ( 1 + ti) = IC 9 = = = Io ( 1 + ti) et IC 4 = I'A ( 1 ti) = IC 10 = IA =Io ( 1 ti). D'ou: f (Vin) = ti- La transconductance effective vaut alors: -+ 10 + _o 10 + 21 o VT Vy Vi et l'asymptote (tension V 3): V 3 = 2 R 1 (Is + 2 Io). Comme précédemment on a augmenté la transconductance et la linéarité sans augmenter le courant dans les émetteurs de T 1 et T 2. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus Les transistors npn peuvent être remplacés par des transistors n-MOS, et les transistors pnp éventuels par des transistors p-MOS L'étage différentiel étant réalisé en transistors n-MOS, les fonctions ne sont plus des tangentes hyperboliques, mais des courbes de même allure et plus progressives. On pourrait également mettre en oeuvre plusieurs sources de courant IA et IB en parallèle pour obtenir des corrections de linéarité plus fines. REVENDICATIONS 1 Amplificateur différentiel comportant un étage différentiel comprenant un premier et un deuxième transistors couplés par les émetteurs ceux-ci étant reliés à une première source de courant, la base du premier et du deuxième transistors étant agencée pour constituer une borne d'entrée respectivement pour une première et une deuxième tension d'entrée dont la différence est une tension différentielle d'entrée, ainsi qu'une deuxième et une troisième source de courant pour produire un premier et un deuxième courant en parallèle respectivement avec une première et une deuxième charge disposées dans le collecteur respectivement du premier et du deuxième transistor caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour réaliser la différence entre les courants des troisième (IB) et deuxième (IA) source de courant comme une fonction croissante de ladite tension différentielle d'entrée choisie de manière à augmenter la linéarité de l'amplificateur, la somme des courants de la deuxième (IA) et de la troisième (IB) source de courant restant constante. 2 Amplificateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la deuxième source de courant (IA) comporte un premier générateur de courant présentant une branche d'entrée en série avec le trajet de courant principal d'un troisième transistor (T 3)dont la base est connectée à celle du premier transistor, ainsi qu'une branche de sortie connectée au collecteur d'un transistor du groupe formé par le premier (T 1) et le deuxième (T 2) transistor, et en ce que la troisième source (IB) de courant comporte un deuxième générateur de courant présentant une branche d'entrée en série avec le trajet de courant principal d'un quatrième transistor (T 4) dont la base est connectée à celle du deuxième transistor, ainsi qu'une branche de sortie connectée au collecteur de l'autre transistor du groupe formé par le premier (T 1) et le deuxième (T 2) transistor, les troisième (T 3) et quatrième (T 4) transistors ayant leur base connectée entre elles et à une quatrième source de courant. 3 Amplificateur selon la revendication 2 caractérisé en ce que le premier générateur de courant est un premier miroir de courant (T 7, T 9), dont la branche de sortie est connectée au collecteur du deuxième transistor (T 2), et en ce que le deuxième générateur de courant est un deuxième miroir de courant (T 8, T 10) dont la branche de sortie est connectée au collecteur du premier transistor (T 1). 4 Amplificateur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que la première et la deuxième charge sont constituées par un cinquième (T 5) et un sixième (T 6) transistor monté en cascode, leurs bases étant interconnectées et agencées de manière à être portées à un potentiel de référence (V ref), le trajet de courant principal du cinquième transistor (T 5) étant disposé en série entre le collecteur du premier transistor (T 1) et une première résistance de sortie (R 1), et le trajet de courant principal du sixième transistor (T 6) étant disposé en série entre le collecteur du deuxième transistor (T 2) et une deuxième résistance de sortie (R 2). Amplificateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que la branche d'entrée du premier générateur de courant comporte une troisième résistance (R 3) ayant une première et une deuxième borne, la première borne étant connectée à une source de tension d'alimentation, en ce que la branche de sortie du premier générateur de courant comporte une quatrième résistance (R 5) connectée entre la deuxième borne de la troisième résistance et le collecteur du premier transistor (T 1), en ce que la branche d'entrée du deuxième générateur de courant comporte une cinquième résistance (R 4) ayant une première et une deuxième borne, la première borne étant connectée à ladite source de tension d'alimentation, et en ce que la branche de sortie du deuxième générateur de courant comporte une sixième résistance (R 6) connectée entre la deuxième borne de la cinquième résistance (R 4) et le collecteur du deuxième transistor (T 2).