Brevet FR2687027A1 — publié le 19930806

AMPLIFICATEUR A TRANSISTOR SUIVEUR L'invention concerne les circuits du type émetteur suiveur également appelé "transistor en collecteur commun", notamment ceux réalisés en circuits intégrés bipolaires Elle concerne particulièrement des moyens pour la polarisation des émetteurs suiveurs. L'emploi d'un transistor bipolaire monté en "suiveur" (ou "collecteur commun") est d'un usage très répandu, particulièrement en électronique analogique Ses principales caractéristiques sont un gain en tension proche de l'unité, et un gain en courant important égal à B+ 1; B étant le gain du transistor égal à IC/IB (IC est le courant collecteur, IB est le courant base) Le signal à traiter ou signal d'entrée est appliqué sur la base du transistor et le signal de sortie correspondant est délivré sur l'émetteur Les variations de la tension de sortie VS sur l'émetteur représentent le signal d'entrée avec un gain proche de 1 L'avantage d'un tel montage est notamment que le signal de sortie peut être obtenu avec un fort courant Son l'utilisation pose parfois des difficultés, notamment lorsque l'on cherche à conférer un courant émetteur de repos relativement important (souvent pour des contraintes de vitesse), ce qui conduit à imposer un courant base de polarisation lui-même relativement important. Les figures 1 et 2 illustrent par des configurations classiques deux cas o la tension "lue" sur la base du transistor suiveur, est entachée d'erreur à cause du courant de base IB non nul. La figure 1 illustre le cas d'un signal en tension VG appliqué à la base B d'un transistor T Le signal en tension VG est délivré par une source de tension SV Le signal de sortie VS correspondant est délivré par l'émetteur E du transistor T. L'émetteur E est relié au potentiel de la masse par l'intermédiaire d'un générateur de courant GI, dans lequel circule le courant émetteur ILE du transistor T Le collecteur C du transistor T est relié à un potentiel d'alimentation VCC positif par rapport à la masse. Le courant base IB produit une chute de tension dans la résistance interne RG de la source SV, de telle sorte que la tension VB lue sur la base B est égale à VG RG IB. La figure 2 illustre un autre cas dans lequel une capacité Ca est disposée entre la base du transistor suiveur T et la masse Le transistor T est relié d'une même manière que dans l'exemple précédent en ce qui concerne son collecteur C et son émetteur E Ceci représente une configuration courante des transistors suiveurs utilisés pour la lecture des échantillonneurs- bloqueurs Dans une telle configuration, la capacité Ca est chargée par une impulsion à une tension VG, tension qui décroît avec le temps du fait de la décharge de la capacité C par le courant base LB On parle de taux de décroissance de la tension en fonction du temps ("drop- rate" en anglais). En vue d'éviter les inconvénients liés à la présence du courant base de polarisation, il est connu d'associer au transistor suiveur un circuit de polarisation qui injecte dans la base de ce dernier un courant additionnel Ce courant additionnel constitue le courant base de polarisation qui ainsi n'est pas prélevé sur le signal appliqué au transistor suiveur. Il est à noter que les inconvénients Illustrés en référence aux figures 1 et 2, dus au courant de polarisation dans la base, existent également dans le cas de transistors du type PNP. La figure 3 montre le schéma d'une configuration classique associant un transistor suiveur Tl à un tel circuit de polarisation CP. Comme dans l'exemple des figures 1 et 2, le collecteur C du transistor suiveur Tl est relié à un premier potentiel délivré par une source de tension à faible résistance interne, premier potentiel qui dans l'exemple est un potentiel positif d'alimentation VCC Son émetteur E est relié à un second potentiel représenté par la masse, par l'intermédiaire d'un générateur de courant GI Les variations de la tension VB sur la base B du transistor suiveur Tl se retrouvent sur la tension de sortie VS prélevée sur l'émetteur E. Le générateur de courant GI impose au transistor suiveur Tl un courant émetteur IE ayant la valeur désirée, et auquel correspond un courant base IB injecté par le circuit de polarisation CP. Le circuit de polarisation CP comprend deux transistors T 2, T 3 montés en miroir de courant, ainsi qu'un circuit générateur de courant CGI Le circuit générateur de courant impose au transistor T 2 un courant collecteur qui constitue une réplique IB' du courant de base IB du transistor suiveur Tl. Ce courant de réplique est recopié par le transistor T 3, et injecté dans la base B du transistor suiveur. Ceci constitue un montage du type en boucle ouverte dont la mise en oeuvre est relativement simple, et dans lequel on utilise, pour la réplique IB', un transistor polarisé dans des conditions identiques (ou presque) à celles du transistor suiveur à compenser D'autres montages sont également utilisés, mais dont la mise en oeuvre est plus complexe, et dans lesquels on réalise une boucle (fermée) de contre- réaction qui compare en permanence le courant base réel et le courant de réplique pour les égaler. Ces différents montages ont en commun qu'ils utilisent des transistors du type opposé à celui du transistor suiveur à polariser, pour réaliser le courant base IB à Injecter dans ce dernier: par exemple dans l'exemple de la figure 3, le transistor suiveur Tl est du type NPN alors que T 2, T 3 sont du type PNP Ceci constitue un premier inconvénient lorsque l'on n'a à sa disposition qu'un processus à un seul type de transistor Il faut rappeler, en effet, qu'en règle générale, réaliser à la fois des transistors PNP et NPN dans un même processus, entraîne un accroissement de complexité de fabrication et donc de coût (surtout si les 2 types doivent être appairés en vitesse) Un autre inconvénient lié aux types de montages de polarisation précédemment décrits, est qu'ils présentent sur l'entrée une capacité parasite de collecteur qui détériore la caractéristique d'impédance d'entrée du montage. La présente invention concerne tout montage (appelé amplificateur dans la suite de la description) dans lequel est utilisé au moins un transistor monté en "suiveur", associé à un circuit de polarisation en vue d'injecter dans la base du transistor suiveur le courant base de polarisation. L'invention propose une architecture nouvelle qui évite les inconvénients ci-dessus cités, et qui notamment permet de réaliser la réplique du courant de base de polarisation et d'injecter ce courant, en utilisant des transistors bipolaires d'un même type que celui du transistor suiveur. Suivant l'invention, un amplificateur comportant un transistor dit transistor suiveur, ayant son collecteur porté à un premier potentiel d'alimentation et son émetteur relié à un second potentiel d'alimentation par l'intermédiaire d'un générateur de courant, le transistor suiveur étant polarisé à l'aide d'un circuit de polarisation, est caractérisé en ce que le circuit de polarisation comporte d'une part, un transistor appelé transistor image dont le courant d'émetteur dit courant image est une réplique du courant d'émetteur dit courant émetteur de polarisation du transistor suiveur, le courant émetteur de polarisation et le courant image passant par le générateur de courant, et en ce qu'il comporte d'autre part des moyens pour injecter dans la base du transistor suiveur un courant constituant une réplique du courant base du transistor image. Par les termes " premier et second potentiels d'alimentation" nous entendons définir tous potentiels délivrés par des sources de tension comportant une faible résistance interne, comme c'est le cas par exemple des potentiels d'alimentation (par exemple VCC pour une polarité positive et la masse pour une polarité négative de la tension d'alimentation). En outre, par l'expression "une réplique du courant " il faut comprendre un courant dont la valeur est homothétique de celle dont il est une réplique, c'est-à-dire que les deux courants sont liés par un rapport connu, fonction notamment du rapport de géométrie entre les deux transistors: couramment les deux courants ont une même valeur quand les transistors de même type ont une même géométrie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, par lesquels: les figures 1 et 2 déjà décrites illustrent le fonctionnement d'un transistor monté en "suiveur"; la figure 3 est un schéma montrant un transistor suiveur polarisé suivant l'art antérieur; la figure 4 est un schéma montrant un amplificateur formé par un transistor suiveur associé à un circuit de polarisation conformément à l'invention; la figure 5 illustre une forme de réalisation préférée d'un amplificateur suivant l'invention. La figure 4 représente un amplificateur 1 comportant un transistor bipolaire Qi formant un transistor suiveur ayant des fonctions semblables à celles expliquées dans le préambule. Dans l'exemple non limitatif décrit, le transistor suiveur Qi est du type NPN, et par conséquent son collecteur Cl est porté à un potentiel positif par rapport au potentiel auquel est porté son émetteur El Dans l'exemple d'une part, l'émetteur El est relié à un générateur de courant GI 1 lui-même relié à la masse, et d'autre part le collecteur Ci est directement relié à un potentiel d'alimentation positif VCC. La base Bl du transistor suiveur Qi reçoit de façon classique un signal d'entrée provenant d'une source VG, et elle est reliée en outre à un circuit de polarisation C Pl dont elle G reçoit un courant IB 4 qui constitue son courant base de polarisation IB 1. Suivant une caractéristique de l'invention, d'une part le circuit de polarisation C Pl comporte un transistor Q 2 appelé transistor image, d'un même type que le transistor suiveur Qi, à savoir NPN dans l'exemple, dont le courant d'émetteur I 2 appelé courant émetteur image est une réplique du courant d'émetteur Il du transistor suiveur Qi, courant qui est appelé courant émetteur de polarisation; et d'autre part, le générateur de courant GI 1 impose un courant dit total It dont la valeur est égale à la somme (IE 1 + IE 2) du courant émetteur de polarisation Il et du courant image I 2 En outre, suivant une autre caractéristique de l'invention, le courant de polarisation 14 injecté dans la base Bl du transistor suiveur Qi, constitue une réplique du courant base IB 2 du transistor image Q 2. Dans l'exemple non limitatif décrit, les deux courants émetteurs, de polarisation Il et image I 2 et par conséquent les deux courants base IBJ, IB 2 sont identiques, le transistor suiveur Qi et le transistor image Q 2 étant appairés et ayant en outre de façon en elle-même classique, une même géométrie. Le courant image I 2, plus précisément le courant collecteur IC 2 du transistor image Q 2 est imposé par un second dispositif générateur de courant GI 2, fonction qui de façon plus générale peut être remplie par une charge active Dans l'exemple non limitatif de la figure 1, une première extrémité 5 du second générateur de courant ou charge active GI 2 est reliée au premier potentiel d'alimentation VCC (positif), et son extrémité 6 opposée est reliée à la fois au collecteur C 2 du transistor image Q 2, à la base B 3 d'un troisième transistor Q 3 et à la base B 4 d'un quatrième transistor Q 4 Tous ces transistors Q 2, Q 3, Q 4 sont d'un même type que le transistor suiveur QI, à savoir NPN dans l'exemple. Le troisième transistor Q 3 a son collecteur C 3 relié au potentiel d'alimentation positif VCC, et il a son émetteur E 3 relié à la base B 2 du transistor image Q 2 Le courant émetteur I 3 du troisième transistor Q 3 est constitué par le courant base IB 2 du transistor image Q 2. Le quatrième transistor Q 4 a son émetteur E 4 relié à la base Bl du transistor suiveur Q 1, et son collecteur est porté au potentiel positif d'alimentation VCC. Les troisième et quatrième transistors Q 3 et Q 4 sont appairés et ont une même géométrie, de telle sorte que le courant I 4 du quatrième transistor Q 4 recopie le courant du troisième transistor Q 3, c'est-à-dire la valeur I 2/(B + 1), B étant le gain du transistor image Q 2 Comme I 1 = I 2, on a I 4 = I 1/(B + 1), c'est-à-dire la valeur désirée pour annuler le courant de base de Q 1. Concernant la boucle formée par les quatre transistors Q 1, Q 2, Q 3 et Q 4, on peut écrire (en supposant que ces quatre transistors ont un même courant de saturation) VBE 4 + VBE 1 VBE 2 VBE 3 = O, soit (I 4 I 1) / (I 2 I 3) = 1, o VBE 4, VBE 3, VBE 2 et VBE 1 sont respectivement les tensions base-émetteur des quatrième, troisième, second et premier transistors Q 4, Q 3, Q 2, Q 1. On peut en déduire: I 4 = I 2 I 3/I 1 = I 1/(B + 1), car I 3 = I 2/ (B + 1), et I 2 = I 1; I 4, I 3, I 2 et I 1 correspondant respectivement au courant émetteur de Q 4, Q 3,Q 2 et Q 1. Dans l'exemple des explications données ci-dessus o les courants émetteurs I 1 et 12 de polarisation et image ont une même valeur, le premier générateur de courant GI 1 (relié aux deux émetteurs El, E 2) impose un courant total It double du courant IC 2 qui est imposé par le moyen servant à constituer le second générateur de courant GI 2 En fait, le second générateur de courant GI 2 définit un courant IC 2 dans la branche image qui contient le transistor image Q 2, et le premier générateur de courant GI 1 définit le courant total It (It étant égal à IC 1 IC IC 2, aux courants base près des transistors Q 1 et Q 2) dans un tronon commun la branche transistors Qi et Q 2) dans un tronçon commun à la branche image et à la branche contenant le transistor suiveur Qi (IC étant le courant collecteur de Qi). Il est possible également de réaliser la configuration générale de la figure 3 avec des courants émetteurs Il, I 2 dans un rapport n, (I 2/Il = n) à condition d'ajuster en conséquence, les courants imposés par les générateurs de courant GI 1, GI 2, et les géométries des transistors Q 2 et Q 3 dans un rapport N avec celles unitaires de Qi et Q 4. La précision de la compensation dépend entre autres des différences dans les conditions de polarisation des transistors Qi à Q 4, plus précisément d'une part, les différences de polarisation (courant émetteur, tension collecteur-émetteur) présentées entre le transistor suiveur Ql et le transistor image Q 2, et d'autre part les différences de polarisation entre les troisième et quatrième transistors Q 3, Q 4, ainsi que des erreurs aléatoires d'offset des transistors. Bien entendu, le schéma montré à la figure 4 utilisant des transistors Qi à Q 4 tous d'un même type (NPN dans l'exemple), est transposable sans problème à une configuration avec des transistors tous du type PNP. La configuration de l'invention présente comme avantage important, par rapport à l'art antérieur, de réaliser un circuit de compensation de polarisation CP qui n'exige pas dans tous les cas d'utiliser des transistors type PNP, compte tenu des nombreux défauts de ces derniers dans les procédés classique (PNIP latéral). Mais la solution de l'invention est intéressante aussi par le fait qu'elle n'utilise qu'un seul type de transistor, notamment un émetteur de transistor pour injecter le courant base de polarisation du transistor suiveur, ce qui ramène très peu de capacité parasite sur l'entrée du montage. La figure 5 est un schéma montrant une forme de réalisation préférée d'un amplificateur 10 conforme à l'invention. Le transistor suiveur Qi, le transistor image Q 2, les troisième et quatrième transistors Q 3, Q 4, ainsi que le premier générateur de courant GI 1, sont dans une même configuration générale que celle illustrée à la figure 4, et fonctionnent d'une façon semblable. Cependant par rapport à la version de la figure 4, la version de la figure 5 est différente en ce que le circuit de polarisation CP 10 comporte en plus un circuit MW du type "miroir Wilson" en lui-même bien connu Le circuit "miroir Wilson" MW permet de faire travailler le transistor suiveur Qi et le transistor image Q 2 dans les mêmes conditions de tension collecteur émetteur (VCE), sans déséquilibre sensible des courants de collecteurs IC 1 et IC 2 En conséquence, l'erreur de décalage des courants de collecteurs IC 1 et IC 2 devient de l'ordre de 1/B 2, alors que cette erreur est de l'ordre de i/B dans le cas de la figure 4. A cette fin, d'une part le moyen GI 2 d'imposer le courant collecteur IC 2 du transistor image Q 2 (moyen constitué par exemple par une charge active) et d'autre part le premier potentiel VCC, sont reliés respectivement au collecteur C 2 du transistor image Q 2 et au collecteur Cl du transistor suiveur Qi par l'intermédiaire du miroir de Wilson MW. Le miroir Wilson MW comporte de manière classique quatre transistors appelés cinquième, sixième, septième et huitième transistors Q 5, Q 6, Q 7, Q 8. La charge active GI 2 est reliée par une extrémité au potentiel d'alimentation VCC, et par son autre extrémité elle est reliée à la fois au collecteur et à la base du huitième transistor Q 8 (le huitième transistor étant monté en diode), ainsi qu'à la base du septième transistor Q 7 L'émetteur du huitième transistor Q 8 est relié au collecteur du sixième transistor Q 6. Le collecteur du septième transistor Q 7 est relié au premier potentiel VCC, et l'émetteur de ce septième transistor est relié à la fois au collecteur et à la base du cinquième transistor Q 5 (ce dernier étant monté en diode) ainsi qu'à la base du sixième transistor Q 6. Enfin, l'émetteur du cinquième transistor Q 5 est relié au collecteur du transistor suiveur Qi, et l'émetteur du sixième transistor Q 6 est relié au noeud Ni formé par le point o sont réunis le collecteur du transistor Image Q 2 et les bases des troisième et quatrième transistors Q 3, Q 4. Il est possible en outre, de réduire l'erreur de polarisation des courants d'émetteurs Il, I 2 due au courant de base IB 1, IB 2 des transistors suiveur et Image Qi, Q 2, à un ordre de grandeur négligeable ( 1/Bn au lieu de i/B, B étant le gain en courant des transistors), en reliant les collecteurs des troisième et quatrième transistors Q 3, Q 4 respectivement à l'émetteur du septième transistor Q 7 et à l'émetteur du huitième transistor Q 8, comme représenté sur la figure 5 par des connexions en traits pointillés, au lieu de les raccorder directement au potentiel d'alimentation VCC; ceci permet en outre de conserver l'égalité des tensions collecteur émetteur (VCE) des troisième et quatrième transistors Q 3, Q 4. Il est à noter que l'invention peut s'appliquer quelle que soit la nature de la ou des charges actives utilisées, et qu'elle se prête particulièrement bien, quand on ne dispose pas de transistors PNP, à utiliser une charge active à réaction (tout NPN) qui possède par ailleurs des caractéristiques de vitesse intéressantes. Des essais d'un circuit semblable à celui de la figure (utilisant une technologie bipolaire NPN rapide) ont été effectués, en conférant: à la tension entre masse et VCC une valeur de 10 volts; au courant total It dans le premier générateur de courant GI 1, une valeur de 200 FA; au courant IC 2 dans la charge active une valeur de 100 p A; il d'o un courant base IB 1 de polarisation dans le transistor suiveur QI de l'ordre de 746 n A ( 746 10-9 A) Dans ces conditions, avec un courant IE d'entrée prélevé sur un signal d'entrée appliqué à l'entrée du suiveur Qi, c'est-à-dire à la base Bi, de l'ordre de 5 n A, vu du signal d'entrée on a l'équivalent d'une division par 150 du courant de base. REVENDICATIONS 1 Dispositif amplificateur comportant, un transistor dit transistor suiveur (Qi) ayant son collecteur (Cl) porté au premier potentiel d'alimentation (VCC), et son émetteur (El) relié à un second potentiel d'alimentation (masse) par l'intermédiaire d'un générateur de courant (GI 1), le transistor suiveur (Qi) délivrant sur son émetteur (El) un signal de sortie (VS) correspondant à un signal d'entrée appliqué à sa base (B 1), le transistor suiveur (Qi) étant polarisé à l'aide d'un circuit de polarisation (C Pi), l O caractérisé en ce que le circuit de polarisation comporte d'une part, un transistor appelé transistor image (Q 2) dont le courant d'émetteur (I 2) dit courant image est une réplique du courant d'émetteur (I 1) dit courant émetteur de polarisation du transistor suiveur (Qi), le courant émetteur de polarisation et le courant image (Il, I 2) passant par le générateur de courant (GI 1), et en ce qu'il comporte d'autre part des moyens (Q 3, Q 4) pour injecter dans la base (B 1) du transistor suiveur un courant constituant une réplique du courant base du transistor image. 2 Dispositif amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor image (Q 2) est d'un même type (NPN) que le transistor suiveur (Qi). 3 Dispositif amplificateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les émetteurs (El, E 2) du transistor suiveur (Qi) et du transistor image (Q 2) sont réunis. 4 Dispositif amplificateur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transistor image (Q 2) et le transistor suiveur (Qi) sont appairés. Dispositif amplificateur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de polarisation (CP 1) comporte en outre des seconds moyens (GI 2) pour imposer au transistor image (Q 2) un courant émetteur (I 2) dont la valeur correspond à la différence (I 2 = It-Il) entre un courant total (It) imposé par le générateur de courant (GI 1) et le courant émetteur de polarisation (Il) du transistor suiveur (Q 2). 6 Dispositif amplificateur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant émetteur de polarisation (Il) et le courant image (I 2) ont une même valeur. 7 Dispositif amplificateur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième et un quatrième transistor (Q 3, Q 4) montés en collecteur commun et dont les bases (B 3, B 4) sont reliées au collecteur (C 2) du transistor image (Q 2), l'émetteur (E 3) du troisième transistor (Q 3) étant relié à la base (B 2) du transistor image (Q 2) et l'émetteur (E 4) du quatrième transistor (Q 4) étant relié à la base (Bi) du transistor suiveur (Qi). 8 Dispositif amplificateur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le transistor image (Q 2) et les troisième et quatrième transistor (Q 3, Q 4) sont d'un même type (NPN) que le transistor suiveur (Qi). 9 Dispositif amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le troisième et le quatrième transistor (Q 3, Q 4) sont appairés. Dispositif amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 8 ou 9, caractérisé en ce que le transistor suiveur (Qi), le transistor image (Q 2) et les troisième et quatrième transistor (Q 3, Q 4) sont tous du type NPN. 11 Dispositif amplificateur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de polarisation (CP 1) comporte en outre un circuit du type "miroir de Wilson" (MW). 12 Dispositif amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le circuit de polarisation (CP 1) comporte un circuit du type "miroir Wilson" (MW) à l'aide duquel le transistor image (Q 2) est relié aux seconds moyens (GI 2) pour imposer un courant émetteur (I 2). 13 Dispositif amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que les second moyens (GI 2) pour imposer un courant émetteur au transistor image (Q 2) sont constitués par une charge active.