Brevet FR2694850A1 — publié le 19940218

ETAGE AMPLIFICATEUR A FAIBLE DISTORSION THERMIQUE La présente invention concerne un étage amplificateur du type comprenant au moins un premier transistor dont la base constitue une borne d'entrée pour un signal d'entrée amplifié et un moyen pour maintenir un courant sensiblement constant dans le trajet collecteur-émetteur du transistor. Les circuits audio utilisent beaucoup les étages différentiels en particulier comme étages d'entrée des circuits amplificateurs. Le circuit le plus utilisé est le circuit différentiel à deux transistors, mais sa linéarité qui résulte de la fonction de transfert des deux transistors est limitée dès que les signaux amplifiés ont une certaine amplitude. Pour remédier à ce problème, de nombreux circuits ont déjà été proposés pour obtenir des circuits différentiels plus linéaires dans un cadre plus général que le traitement des signaux audio. C'est en particulier le cas du circuit de l'art antérieur tel que mentionné dans le paragraphe ci-dessus. Ces circuits souffrent d'un autre défaut pénalisant plus particulièrement les circuits audio la distorsion d'origine thermique. En effet, la fonction de transfert de ces circuits est liée aux caractéristiques des transistors utilisés. Celles-ci sont fonction des températures de leur jonction. Or, ces températures sont non seulement fonction des conditions thermiques environnantes, mais également de la puissance instantanée dissipée dans les jonctions elles-mêmes. Cette puissance dépend de l'amplitude du signal injecté : dans le cas des signaux audio, l'amplitude varie souvent à l'échelle d'environ une dizaine de millisecondes, qui est l'ordre de grandeur de la constante de temps thermique des jonctions des transistors. Dans les circuits usuels, les fonctions de transfert des circuits sont donc modulées par les variations d'amplitude des signaux traités. Dans le cas des signaux audio, ce problème est très pernicieux non seulement parce que les constantes de temps de ces variations ont le même ordre de grandeur que les constantes de temps des variations de niveaux des signaux traités mais aussi parce que l'oreille est sensible à ces variations qui échappent aux mesures faites classiquement sur des signaux d'amplitude stable. L'idée de base de l'invention est de stabiliser la fonction de transfert d'un étage amplificateur en stabilisant la puissance dissipée dans le ou les transistor(s) les plus critique(s) pour la définition de la fonction de transfert. L'invention concerne ainsi un étage amplificateur comprenant au moins un module présentant un premier transistor d'un premier type de conductivité dont la base constitue une borne d'entrée pour un signal d'entrée à amplifier et un moyen pour maintenir un courant sensiblement constant dans le trajet collecteur-émetteur du premier transistor (celui-ci étant utilisé soit en émetteur suiveur, soit en émetteur commun, en particulier dans un étage différentiel), et comportant un circuit de contreréaction présentant un trajet de courant principal entre une première borne active de l'étage et l'émetteur du premier transistor, caractérisé en ce que ledit moyen est constitué par une première source de courant connectée au collecteur du premier transistor et en ce que le circuit de contre-réaction est agencé de manière telle que la valeur dudit courant principal est fonction de la différence entre la tension d'une source de tension de référence et le potentiel du collecteur du premier transistor, le gain (transconductance) du circuit de contre-réaction étant choisi de manière telle que le potentiel du collecteur du premier transistor soit sensiblement constant. Le courant à travers le trajet du collecteurémetteur du premier transistor étant fixé par la source de courant et d'autre part, son potentiel de collecteur variant peu puisque, par rapport à l'art antérieur, les variations de ce potentiel sont réduites par l'action du circuit de contre-réaction, le transistor travaille à puissance dissipée sensiblement constante et donc à une température sensiblement égale à la température ambiante d'où une quasi-suppression de l'effet de modulation de sa caractéristique de transfert par le signal d'entrée. En outre, la tension base-émetteur du premier transistor est sensiblement constante et n'influe pas sur son gain ni sur sa linéarité. Selon un mode de réalisation préféré du circuit de contre-réaction selon lequel le potentiel du collecteur du premier transistor est déterminé par le potentiel de la source de tension de référence et par des tensions base-émetteur de transistors, le trajet de courant principal du circuit de contre-réaction comporte un deuxième transistor d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, dont le collecteur est connecté à l'émetteur du premier transistor, dont la base est connectée au collecteur du premier transistor, dont l'émetteur est connecté à l'émetteur d'un troisième transistor d'un premier type de conductivité, dont la base est connectée à ladite source de tension de référence et dont le collecteur constitue ladite borne active de l'étage.Les distorsions thermiques des deuxième et troisième transistors ont peu d'effet sur le montage ainsi qu'il sera montré ci-après. La première source de courant peut comporter une borne de commande de courant, une première résistance étant connectée entre la borne de commande et la base du deuxième transistor. La première source de courant peut être découplée par un quatrième transistor du deuxième type de conductivité dont la base est connectée à celle du troisième transistor, dont le collecteur est connecté au collecteur du premier transistor et dont l'émetteur est connecté à ladite première source de courant. Selon une première variante, ladite borne de l'étage est une borne d'alimentation en tension de l'étage et l'étage amplificateur est du type émetteur suiveur. Le circuit peut alors comporter un circuit de commande destiné à asservir la valeur de la tension de la source de tension de référence en fonction de la tension d'émetteur ou de base du premier transistor, c'est-à-dire en fonction de la tension de sortie ou d'entrée de l'étage. Selon une deuxième variante, l'étage amplificateur comporte deux modules tels que définis ci-dessus, les émetteurs du premier transistor de chaque module étant couplés de préférence par une résistance pour former un étage différentiel, les bornes actives des deux modules constituant des sorties de l'étage différentiel. Selon un mode de réalisation préféré de l'étage amplificateur différentiel les variations de la puissance dissipée dans les transistors d'entrée de l'étage différentiel en fonction d'une tension éventuelle de mode commun des signaux d'entrée sont au moins en majeure partie supprimées par un circuit de compensation destiné à décaler la valeur de la tension de la source de tension de référence en fonction de la tension de mode commun de l'étage différentiel.Le circuit de compensation peut en particulier comporter un pont de résistances présentant un point milieu dont la tension est la moyenne entre les tensions d'émetteurs du premier transistor des deux modules, et il présente un cinquième transistor monté en émetteur suiveur ainsi qu'un générateur de tension constante disposés en série entre le point milieu et la base d'un sixième transistor dont l'émetteur délivre ladite tension de la source de tension de référence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent - les figures 1 à 3, les étages différentiels selon l'art antérieur, respectivement un étage différentiel simple, un étage différentiel à émetteurs couplé par des résistances, et un étage différentiel à linéarité améliorée, - la figure 4, un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures 5, 6 et 7, des variantes de ce mode de réalisation, - la figure 8, un mode préférentiel de l'invention comportant un circuit de compensation de mode commun dont un mode de réalisation particulier est donné à la figure 9, - la figure 10, un étage amplificateur selon l'invention pour un fonctionnement en émetteur suiveur. La figure 1 représente un étage différentiel simple, dans lequel les émetteurs de deux transistors T1 et T2 sont couplés directement et connectés à une source de courant d'intensité 2Io. Les bases des transistors T1, T2 reçoivent des tensions d'entrée, respectivement V1, V2 et leurs collecteurs délivrent des courants de sortie IS1 et IS2. Il est classique d'augmenter la linéarité de ce montage en disposant en série des résistances R1 et R2 entre les émetteurs des transistors T1 et T2 et la source de courant d'intensité 2Io. Il est également classique d'adjoindre à un tel montage, une cascode, le montage cas code ayant pour avantage de diminuer la distorsion due aux capacités collecteur-base des premier et deuxième transistors T1 et T2 formant l'étage différentiel (compensation de l'effet Miller). A la figure 3 on a représenté un montage connu permettant d'améliorer la linéarité grâce à des transistors T3 et T4 du type opposé aux transistors T1 et T2 et montés en contre-réaction pour en fixer de manière sensiblement constante le courant à travers le trajet collecteur-émetteur des transistors T1 et T2. Ce montage comporte donc un transistor T3 dont la base est connectée au collecteur du transistor T1, dont le collecteur est connecté à l'émetteur du transistor T1 une résistance R3 étant disposée entre la base et l'émetteur du transistor T3. L'émetteur de T3 constitue une sortie S1 du circuit. Une résistance de sortie R51 connectée entre la sortie S1 et une source de tension d'alimentation V permet d'obtenir une sortie en tension de l'étage différentiel.De la même façon, un transistor T4 du type pnp opposé à celui-ci (npn) du transistor T2 a sa base connectée au collecteur du transistor T2, son collecteur à l'émetteur du transistor T2, une résistance R4 étant connectée entre la base et l'émetteur du transistor T4 (sortie S2). Les résistances R3 et R4 ont des valeurs peu élevées (par exemple 700lE~). Une résistance RS2 connectée entre la sortie S2 et la source d'alimentation V (quelques Volts) permet une sortie en tension. Ce montage, s'il permet d'augmenter la linéarité de l'étage différentiel, ne conduit nullement, comme le demandeur a pu le constater, à une diminution de la distorsion thermique. En effet, si le courant à travers le trajet collecteur-émetteur des transistors T1 et T2 est sensiblement stabilisé, le potentiel de collecteur de ce transistor varie considérablement, ce qui fait, qu'en définitive la puissance dissipée dans les transistors T1 et T2 varie en fonction des tensions V1 et V2 appliquées sur leur base. La figure 4 propose selon l'invention un montage permettant d'éliminer les problèmes de distorsion thermique mentionnés ci-dessus. La charge du collecteur des- transistors T1 et T2 est remplacée par des sources de courant, respectivement I3 et 14. Deux transistors T5 et T6 de même type que le transistor T1 et T2 ont leur base portée à un potentiel de référence V3 et leurs émetteurs connectés à ceux respectivement des transistors T3 et T4.Le collecteur des transistors T5 et T6 constitue maintenant les sorties S'1 et S'2 de l'étage différentiel (résistances R'S1 et R'S2). On remarquera également qu'à titre de variante on a représenté les émetteurs des transistors T1 et T2 comme étant couplés par une résistance R12, et connectés chacun à une source de courant, respectivement I1 et 2 Dans ce montage, le courant de contreréaction est fixé par la différence entre le potentiel du collecteur des transistors T1 et T2 et la tension continue de référence V3. En effet, les transistors T3 et T5 et T4 et T6 d'autre part de type opposé étant couplés par leurs émetteurs, le courant traversant leur trajet de collecteur-émetteur est fonction de la différence entre les tensions appliquées à leurs bases. D'autre part, le potentiel de collecteur du transistor T1 (ou T2) varie peu étant donné qu'il est verrouillé à V3 - VBE(T6) - VBE (T4), VBE désignant la tension baseémetteur d'un transistor. Les tensions de collecteur de T1 et T2 varient comme 2 fois la variation des tensions base-émetteur des transistors T3 et T5 d'une part et T4 et T6 d'autre part. En d'autres termes, le potentiel du collecteur des transistors T1 et T2 est pratiquement égal, à une constante donnée près, à la tension de référence.Comme en outre, le courant qui traverse le trajet collecteur-émetteur des transistors T1 et T2 est fixé par les sources de courant I3 et I4, la puissance dissipée dans les transistors T1 et T2, qui est proportionnelle au produit VCE x IC est pratiquement constante (IC désignant le courant de collecteur et Vice, la tension collecteur-émetteur d'un transistor. Comme le potentiel du collecteur des transistors T1 et T2 varie peu, les sources de courant I3 et I4 peuvent être remplacées par des résistances de préférence de valeur élevée (par exemple 1 M=L). Toute variation du potentiel d'entrée du transistor T1 (ou T2) tend à modifier la tension baseémetteur VBE de ce transistor. Cette modification du VBE induit une modification de son courant collecteur. Cette modification de courant se retrouve dans le courant de base du transistor T3 (ou T4) puisque la charge du transistor T1 (ou T2) présente un courant constant 13 (ou 14). La variation du courant de base du transistor T3 (ou T4) entraîne une variation de son courant collecteur qui par l'effet de la résistance d'émetteur du transistor T1 (ou T2), conduit à reproduire les variations du potentiel d'entrée. C'est ainsi que la tension émetteur du transistor T1 (ou T2) est asservie à sa tensionde base avec un décalage constant au premier ordre, puisque c'est le VBE correspondant au courant imposé par la source de courant I3 (ou 14). La distorsion thermique résulte des variations à court terme des températures de jonction des transistors en fonction des signaux. Dans l'art antérieur, les dissipitations modulées par l'amplitude des signaux font varier les caractéristiques des transistors, principalement la tension VBE et le gain en courant. Ainsi, dans le circuit différentiel classique, les variations thermiques de la tension base-émetteur VBE ont directement le même effet qu'une variation du signal d'entrée. Dans le circuit selon l'invention, la dissipation du transistor T1 (ou T2) est stabilisée. Elle n'entraîne donc pas de modulation de la tension VBE. Le transistor T3 (ou T4) travaille avec une tension émetteur-collecteur VCE faible, alors que le transistor T5 (ou T6) voit des variations de courant et de tension émetteur-collecteur. Les tensions VBE des transistors T3 (ou T4) et T5 (ou T6) qui travaillent en courant dans la boucle, ont peu d'effet sur le montage, en raison du faible effet de la variation de la tension émetteur-collecteur du transistor T1 (ou T2). Les variations des gains en courant (essentiellement pour le transistor T5 (ou T6) utilisé en base commune) ont peu d'effet sur le montage grâce à la boucle de contreréaction en courant. La valeur de la tension de référence V3 est choisie de manière à ce que la tension collecteur-base VCB des transistors T1 et T2 soit relativement peu élevée, à savoir inférieure à quelques Volts, de préférence inférieure à 1 Volt et typiquement de l'ordre de 200 à 300 millivolts. Sur la figure 5, les sources de courant 13 et I4 sont remplacées par des sources de courant I'3 et I'4 connectées entre la source de tension continue V3 et le collecteur du transistor, respectivement T1 et T4, et dont le courant est commandé par une borne de commande. Des résistances respectivement R'3 et R'4 sont connectées entre celles-ci et la base des transistors, respectivement T3 et T4. Sur la figure 6, les sources de courant I3 et 14 sont couplées au collecteur des transistors T1 et T2 à travers les trajets collecteurs-émetteurs de transistors, respectivement T7 et T8 de type opposé au transistor T1 et T2 et dont la base est connectée à la source de tension V3. Les collecteurs des transistors T1 et T7 sont interconnectés de même que ceux des transistors T2 et T8. Sur la figure 7, les sources de courant I3 et I4 sont réalisées à partir de miroir de courant MC1 et MC2 alimentées à partir de deux sources de courant et 16 (ou bien à partir d'une source de courant unique). Etant donné que la dissipation thermique à travers les transistors T1 et T2 est liée au produit V CE x IEi la dissipation peut être considérée comme isopuissance seulement pour de faibles variations de VE (jusqu'à environ une centaine de mV pour un étage différentiel). Comme les variations des tensions V1 et V2 se retrouvent reproduites sur les émetteurs des transistors T1, T2 à une tension VBE près, la présence d'une tension de mode commun dans les signaux d'entrée a pour effet de faire varier la puissance dissipée dans les transistors T1 et T2. Le schéma de la figure 8 permet de compenser ce défaut. Pour ce faire, la tension de référence V3 n'est plus une tension constante, mais elle est asservie à la moyenne des tensions d'émetteur du transistor T1 et T2.Pour ce faire, des résistances R21 et R22 de même valeur sont connectées en série entre elles et en parallèle avec la résistance R12 et leur point commun A3 est connecté à travers un transistor T11 à effet de champ, monté en source suiveuse à la base d'un transistor T9 dont le collecteur est connecté à une source de tension de référence V'3 et dont l'émetteur est connecté (B1) à la base des transistors T1 et T6, avec interposition d'un générateur de tension constante G entre le transistor T11 et la base du transistor Tg. Ceci permet de s'affranchir du mode commun en asservissant la tension de base des transistors T5 et T6 (tension de référence V3) sur la moyenne des tensions d'entrée T1 et T2 (à une tension de décalage près, de l'ordre de 2 Volts en pratique).Il en résulte que les variations de la tension collecteur-émetteur des transistors T1 et T2 restent négligeables. La figure 9 représente un mode de réalisation de la figure 8 dans lequel le générateur de courant G est réalisé par une source de courant Ig connectée à la base du transistor Tg, une résistance R5 traversée par ce courant 15 constant étant connectée entre la base de Tg et la source du transistor T11. La figure 10 représente une variante de mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'un transistor T10 monté en émetteur suiveur. Une charge est connectée entre l'émetteur de T10 et la masse (ou une tension négative ou nulle). La charge peut être par exemple une résistance R10 ou une source de courant. Une source de courant I1o est connectée au collecteur du transistor T10 alors qu'un transistor T12 de type opposé au transistor T10 a sa base connectée au collecteur de celui-ci, son collecteur connecté à l'émetteur du transistor T10 et son émetteur, à l'émetteur d'un transistor T14, de même type que le transistor T10, et dont le collecteur est connecté à une source de tension d'alimentation V, dont la base est connectée à une source de tension de référence VREF.La source de courant I1o 0 définit le courant à travers le trajet collecteur-émetteur du transistor T10 alors que les deux jonctions base-émetteur en cascade des transistors T14 et T12 de type opposé fixent le potentiel de collecteur du transistor T10 autour VREF - 2 VBE. Le fonctionnement est donc identique quant à la compensation des distorsions thermiques à celui décrit ci-dessus. Les tensions collecteur-base VCB sont également du même ordre de grandeur que pour les transistors T1 et T2. Une variante de la figure 10, mettant en oeuvre à titre d'exemple un transistor T15, dont les connexions sont représentées en pointillés, permet d'asservir la tension de référence VREF par rapport à la tension de sortie S. Un transistor T15 (ici à effet de champ) a son drain connecté à la source de tension d'alimentation V, sa porte à la sortie S (ou à la base de T10 (Ve)) et sa source à la base du transistor T14. Ceci permet de maintenir à des niveaux faibles les variations de la tension collecteur-émetteur VCE du transistor T10 même lorsque le potentiel d'entrée V e varie beaucoup. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation spécifiquement décrit et représenté. On a en particulier décrit l'invention avec des transistors de type bipolaire. Il faut bien comprendre que l'invention s' applique également au cas des transistors à effet de champ. Il faut donc considérer que la portée des termes "émetteur", "base" et "collecteur" s'étend également respectivement aux termes "source", "porté" et "drain". Exemple : V = 15 Volts ; VREF = V3 = 2 Volts I1 = I2 = 5 mA ; I3=I4 = 2,5 mA R'S1 = R'S2 = 4 kA R12 = 200JX REVENDICATIONS 1. Etage amplificateur comprenant au moins un module présentant un premier transistor d'un premier type de conductivité dont la base constitue une borne d'entrée pour un signal d'entrée et un moyen pour maintenir un courant sensiblement constant dans le trajet collecteur-émetteur du premier transistor et comportant un circuit de contre-réaction (T3, T5) présentant un trajet de courant principal entre une borne active (S'1) de l'étage et l'émetteur du premier transistor (T1, T10), caractérisé en ce que ledit moyen est constitué par une première source de courant (I3) connectée au collecteur du premier transistor (T1) et en ce que le circuit de contre-réaction est agencé de manière telle que la valeur dudit courant principal est fonction de la différence entre la tension (V3) d'une source de tension de référence et le potentiel (VCT2) du collecteur du premier transistor, le gain du circuit de contre-réaction étant choisi de manière telle que le potentiel du collecteur du premier transistor (T1, T10) soit sensiblement constant. 2. Etage amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trajet de courant principal du courant de contre-réaction comporte un deuxième transistor (T3) d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, dont le collecteur est connecté à l'émetteur du premier transistor (T1), dont la base est connectée au collecteur du premier transistor (T1), et dont l'émetteur est connecté à l'émetteur d'un troisième transistor (T5) d'un premier type de conductivité, dont la base est connectée à ladite source de tension de référence (V3), et dont le collecteur constitue ladite borne active de l'étage (S'1). 3. Etage amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première source de courant (I'3) comporte une borne de commande de courant et en ce qu'une première résistance (R'3) est connectée entre ladite borne de commande de la première source de courant (I'3) entre ladite borne de commande de la première source de courant (I'3) et la base du deuxième transistor (T3). 4. Etage amplificateur selon la revendicaton 2, caractérisé en ce que la première source de courant est constituée par une branche de sortie d'un miroir de courant (MC1, MC2). 5. Etage amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un quatrième transistor (T7) du deuxième type de conductivité dont la base est connectée à celle du troisième transistor (T5), dont le collecteur est connecté au collecteur du premier transistor (T1), et dont l'émetteur est connecté à ladite première source de courant (13). 6. Etage amplificateur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième source de courant (I1) connectée à l'émetteur du premier transistor (T1). 7. Etage amplificateur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite borne active est une borne d'alimentation en tension (V) de l'étage et en ce que l'étage amplificateur est du type émetteur suiveur. 8. Etage amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande (T15) destiné à asservir la valeur de la tension de la source de tension de référence en fonction de la tension d'émetteur ou de base du premier transistor (T10). 9. Etage amplificateur caractérisé en ce qu'il comporte deux modules selon une des revendications précédentes, les émetteurs du premier transistor de chaque module étant couplés pour former un étage différentiel (T1, T2), les bornes actives des deux modules constituant des sorties de l'étage différentiel (T1, T2). 10. Etage amplificateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de compensation (R11, R12, G) destiné à décaler la valeur de la tension de la source de tension de référence (V'3) en fonction de la tension de mode commun de l'étage différentiel (T1, T2). 11. Etage amplificateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit de compensation comporte un pont de résistances (R11, R12) présentant un point milieu (A3) dont la tension est la moyenne entre les tensions d'émetteur du premier transistor (T1, T2) des deux modules et en ce qu'il comporte un cinquième transistor (T11) monté en émetteur suiveur ainsi qu'un générateur de tension constante (G) disposés en série entre ledit point milieu (A3) et la base d'un sixième transistor (T9) dont l'émetteur délivre ladite tension (V3) de la première source de tension continue.