Brevet FR2691306A1 — publié le 19931119

AMPLIFICATEUR AVEC LIMITATION DE COURANT DE SORTIE L'invention concerne les circuits intégrés, plus particulièrement mais non exclusivement ceux qui sont réalisés en technologie MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) ou BIMOS (Bipo- laire et Métal Oxyde Semiconducteur). 5 Un but de l'invention est de réaliser un amplificateur qui comporte une fonction de limitation du courant de sortie que peut fournir l'amplificateur. Il peut être nécessaire en effet de limiter ce courant de sortie pour éviter de détruire le circuit intégré en cas de court-circuit à la sortie de l'amplificateur, ou même en cas de connexion d'une charge d'impédance trop faible à la sortie. Cette fonction n'a pas toujours besoin d'être assurée par des éléments de circuit spécifiques En effet, en techno- logie MOS par exemple, l'étage de sortie de l'amplificateur est15 le plus souvent constitué par un amplificateur en classe AB de gain en tension égal à 1 La technologie des transistors MOS est telle que la résistance interne d'un transistor, même en état de conduction maximale, limite le courant à une valeur raisonnable (qui dépend de sa géométrie), même si la sortie est en court- circuit Et si le courant de court-circuit était encore trop fort par rapport à ce que peut supporter le transistor on pour- rait encore insérer une résistance entre la borne d'alimentation et la source des transistors. Toutefois, dans certains circuits, la limitation ainsi réalisée n'est plus possible: c'est le cas des amplificateurs dans lesquels on souhaite avoir une excursion de tension de sor- tie très grande, c'est-à-dire dont les valeurs extrêmes sont très proches des valeurs de tension d'alimentation A titre d'exemple, si les potentiels d'alimentation sont respectivement de O et 10 volts, on souhaite que la tension de sortie de l'amplificateur puisse aller jusqu'à moins de 50 ou 100 milli- volts de ces valeurs sur charge de 10 kiloohms, ou jusqu'à 600 millivolts de ces valeurs sur charge de 600 ohms. Les circuits de ce type excluent a priori qu'on insère une résistance de limitation dans la source des transistors de sortie, car cette résistance réduit automatiquement l'excur- sion de tension de sortie de l'amplificateur, proportionnelle- ment à la valeur de la résistance D'autre part, ces circuits exigent en pratique de gros transistors de sortie, ayant une aptitude à conduire un courant élevé, et par conséquent les transistors ne pourront pas servir à limiter automatiquement le courant à une valeur raisonnable en cas de court-circuit. C'est pourquoi on cherche à proposer selon l'invention un circuit actif de limitation de courant, qui permet, aussi efficacement que possible et sans inconvénients secondaires (tels que des instabilités ou des risques d'oscillations), de limiter le courant de sortie tout en conservant une excursion de tension de sortie aussi élevée que possible. L'amplificateur selon la présente invention comporte un étage de sortie et un circuit de limitation de courant; l'étage de sortie comprend deux transistors de sortie, en série entre deux bornes d'alimentation, et au moins une première borne de commande permettant de contrôler la conduction du premier transistor; le circuit de limitation de courant comprend une résistance en série entre une sortie de l'étage et le point de jonction entre les deux transistors de sortie, et au moins un transistor de limitation ayant sa grille reliée à une extrémité de la résistance et sa source reliée à une autre extrémité, le transistor de limitation ayant son drain relié à un transistor monté en diode et conduisant un courant lorsque le courant de sortie dans la résistance dépasse une valeur déterminée dans un premier sens; il est prévu de plus un transistor de recopie du courant dans le transistor monté en diode, le drain du transis- tor de recopie étant relié à travers un transistor d'isolation à la première borne de commande; le transistor d'isolation est de plus connecté de manière à être rendu conducteur lorsque le cou- rant dans le transistor de limitation dépasse un seuil déter- miné. De préférence, le transistor d'isolation a sa source reliée au drain du transistor de recopie, son drain relié à la première borne de commande, sa grille reliée à la grille du transistor de recopie, et son substrat connecté au potentiel le plus négatif du circuit (dans le cas o ce transistor d'isola- tion est à canal N). En pratique, le drain du transistor de recopie sera relié à une source de tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance. Pour que le circuit de limitation agisse également lorsque le courant de sortie circule en sens inverse dans la résistance, il est prévu de préférence un deuxième transistor de limitation ayant sa grille et sa source reliées respectivement chacun à une extrémité de la résistance, ce transistor de limi- tation étant rendu conducteur lorsque le courant dans la résistance dépasse une valeur déterminée (dans le sens inverse du courant qui rend conducteur le premier transistor de limita- tion); à cet effet, le drain de ce deuxième transistor de limitation est connecté de manière à agir sur une deuxième borne de commande du circuit, dans un sens propre à réduire le courant dans le deuxième transistor de sortie en cas de dépassement d'une valeur maximale admissible du courant de sortie. Bien que l'invention soit destinée préférentiellement à un amplificateur en technologie MOS ou BIMOS, elle peut égale- ment être transposée en un schéma n'utilisant que des transis- tors bipolaires. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en relation avec les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un schéma de principe d'amplificateur à partir duquel est construite la présente invention; la figure 2 représente un schéma d'amplificateur selon un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 3 représente une courbe expliquant les avantages du schéma de la figure 2. Un étage de sortie classique en classe AB d'un ampli- ficateur opérationnel en technologie CMOS comprend en général (voir figure 1) deux transistors de sortie Tl et T 2, de types de conductivité opposés ou de même type, en série entre deux bornes d'alimentation Vcc et Vss du circuit Dans l'exemple décrit il y a un transistor à canal P (Tl) ayant son drain relié à Vss et un transistor à canal N (T 2) ayant son drain relié à la borne Voc, mais l'invention pourrait s'appliquer à des configurations dif- férentes d'amplificateur en classe AB (transistor à canal P connecté à Vcc, ou alors transistors de même type de conducti- vité). La limitation de courant active selon l'invention ca"prend d'abord une résistance R placée entre la sortie S de l'étage et un noeud A qui est le point de jonction des deux transistors TI et T 2 Cette résistance sera parcourue par le courant de sortie de l'amplificateur. Le signal à amplifier est appliqué à une entrée E d'un étage intermédiaire de l'amplificateur Cet étage intermédiaire comprend ici le transistor T 3, les diodes Dl, D 2, et la source de courant SC Il pilote l'étage de sortie en agissant sur les grilles des transistors Tl et T 2 Dans l'exemple décrit, le transistor T 3 est à canal N et a sa source à Vss, son drain10 étant relié à une charge constituée par les deux diodes Dl et D 2 en série avec la source de courant SC La source de courant SC polarise les deux diodes en direct La grille de Tl est reliée directement au drain de T 3; la grille de T 2 est reliée au point de jonction entre la source de courant SC et les diodes Cette15 disposition maintient entre les grilles de Tl et T 2 une diffé- rence de potentiel égale à la chute de tension en direct dans les diodes, c'est-à-dire environ 1,4 volts. Le transistor T 3 agit ainsi sur les transistors Tl et T 2 pour modifier leur conduction; l'action sur la conduction de TI est dans le sens contraire de l'action sur T 2 puisque les transistors sont de type opposés et reçoivent des variations de même sens sur leur grille. Pour la commodité de la description qui suit et pour la référence aux revendications, on appellera "première borne de commande" l'entrée E et "deuxième borne de commande" le noeud F constitué par la grille du transistor T 2 On verra en effet que le circuit de limitation selon l'invention agit sur ces deux points pour limiter le courant de sortie de l'amplificateur. Le circuit de limitation prévu sur la figure 1 compor- te, outre la résistance R, les deux transistors T 4 et T 5, dont l'un (T 4) est à canal P et l'autre (T 5) est à canal N, et qui ont tous deux leur grille reliée au noeud A et leur source re- liée à la sortie S On remarquera qu'il est possible d'inverser les sens de connexion de ces transistors si on inverse aussi leur type de conductivité: le sens de connexion doit être tel qu'on réduise la conduction du transistor de sortie qui tend à être parcouru par un courant trop fort. On comprend que si le courant de sortie circulant dans la résistance R dépasse un seuil déterminé, la chute de tension grille-source des transistors de limitation T 4 et T 5 dépassera le seuil de conduction de ces transistors Pour le transistor T 4 à canal P, le seuil de conduction sera dépassé pour un courant rentrant, de la borne S vers la borne A, tandis que pour le transistor T 5 à canal N, le seuil de conduction sera dépassé pour un courant sortant de la borne A vers la borne S. Le drain du transistor T 5 sert à commander la réduc- tion de la conduction du transistor T 2 Ce drain peut être connecté directement à la grille du transistor T 2, c'est-à-dire15 à la deuxième borne de commande F Si le seuil de conduction de T 5 est dépassé par suite d'une impédance de charge trop faible en courant sortant, la mise en conduction de T 5 abaisse le po- tentiel de grille du transistor T 2 (canal N) et réduit le cou- rant sortant qui est justement fourni par le transistor T 2. Le drain du transistor T 4 sert au contraire à contrô- ler la conduction du transistor Tl en cas de dépassement de cou- rant rentrant Toutefois, dans l'exemple décrit on ne peut pas connecter ce drain directement à la grille de commande de Tl car il faut que la mise en conduction du transistor T 4 fasse remon- ter le potentiel de grille du transistor Tl. On prévoit donc, dans ce mode de réalisation, que le drain du transistor T 4 est connecté à un miroir de courant cons- titué par deux transistors T 6 et T 7 Le transistor T 6 (canal N) est monté en diode (grille et drain réunis), et est connecté30 entre le drain de T 4 et Vss Le transistor T 7 est un transistor de recopie du courant dans le transistor T 6 (courant qui est le même que le courant du transistor T 4) Les grilles de T 6 et T 7 sont connectées ensemble et leurs sources sont à Vss Le drain du transistor T 7 est utilisé pour contrôler la conduction du transistor T 3 de l'étage intermédiaire et par conséquent la conduction du transistor Tl Le plus simple est de connecter directement le drain du transistor T 7 à la grille du transistor T 3 (schéma de la gigure 1) Cette grille reçoit par ailleurs, sur la borne de commande E à laquelle elle est connectée, un signal d'entrée qu'on désire amplifier. Ce signal qu'on désire amplifier provient par exemple de la sortie d'un amplificateur différentiel AD ayant deux bran- ches différentielles alimentées par une source de courant commu- ne SC 2. La mise en conduction du transistor T 4, en cas de dépassement de valeur limite de courant rentrant, engendre un courant I dans le transistor T 6 et donc un courant en principe identique I 7 = I dans le transistor T 7 (si le rapport de recopie des transistors T 6 et T 7 est 1); ce courant 17 est prélevé sur l'entrée E, c'est-à-dire qu'il vient de la branche de sortie de l'amplificateur différentiel AD reliée à l'entrée E Dès que ce courant dépasse le courant maximal que peut fournir la branche de sortie de l'amplificateur différentiel AD, le potentiel de l'entrée E chute; la conséquence en est une augmentation du potentiel de grille du transistor Tl et donc une réduction de la conduction de celui-ci. On obtient donc bien une limitation du courant ren- trant de l'amplificateur. Ce circuit de la figure 1 présente cependant parfois des inconvénients qui peuvent être dus à la progressivité de la mise en oeuvre de la limitation de courant. Selon un mode de réalisation préféré représenté à la figure 2, on évite ces inconvénients en prévoyant un transistor supplémentaire d'isolation T 8 Il sert à couper la liaison entre le transistor T 7 et l'entrée E tant que le transistor T 4 n'est encore que partiellement mis en conduction Le transistor T 8 est ensuite rendu franchement conducteur aussitôt que le courant dans le transistor T 4 dépasse un seuil déterminé. Ainsi, en l'absence de dépassement d'un seuil de cou- rant (rentrant) admissible dans l'étage de sortie, et également dans la phase limite o le courant de sortie dans la résistance R commence à rendre conducteur le transistor T 4, il n'y a pas ou pratiquement pas de réaction de la sortie sur l'entrée, ce qui est favorable (pour résoudre les problèmes d'instabilité). Au contraire, lorsque le transistor T 4 dépasse un certain seuil de conduction, le transistor T 8 devient brusque- ment conducteur, le transistor T 7 absorbe alors suffisamment de courant pour abaisser le potentiel de l'entrée E (cela se pro- duit quand le transistor T 7 absorbe tout le courant que peut fournir la sortie de l'amplificateur AD). Dans la réalisation préférentielle de la figure 2, le drain du transistor de recopie T 7 est de plus relié par une résistance Rl à la borne d'alimentation positive Vcc Bien qu'elle ne soit pas strictement nécessaire pour que le circuit de limitation de courant fonctionne, cette résistance favorise la stabilité du circuit en introduisant une constante de temps de réaction dans la boucle constituée par le circuit de limita- tion de courant. Le transistor T 8 a de préférence sa grille connectée à la grille des transistors T 6 et T 7, sa source reliée au drain du transistor T 7 et son drain relié à l'entrée E De plus, il est souhaitable que le substrat du transistor T 8 (c'est-à-dire la région semiconductrice dans laquelle sont diffusés la source et le drain de ce transistor) soit connecté au potentiel le plus bas du circuit (Vss) plutôt que d'être connecté à la source ou d'être laissé flottant. Le circuit fonctionne alors de la manière suivante, lorsque le courant de sortie Is (dans le sens rentrant) s'appro- che de la valeur maximale autorisée: le courant Is développe une tension R Is aux bornes de la résistance R Lorsque cette tension atteint la tension de seuil Vt 4 nécessaire à la mise en conduction du transistor T 4, celui-ci commence à conduire un courant I qui passe dans le transistor T 6; le courant du tran- sistor T 6 est recopié sous forme d'un courant I 7 dans le tran- sistor T 7 Au début, le potentiel de source du transistor T 8 est 5 trop élevé et son potentiel de grille trop bas pour que le tran- sistor T 8 conduise Le courant du transistor T 7 vient donc uni- quement de la résistance Rl et produit dans cette résistance une chute de tension Rl I 7. Il y a un seuil de courant du transistor T 4 pour lequel on a les conditions suivantes: la tension de grille de T 6 et T 7, donc de T 8, est suffisamment haute du fait que T 6 et T 7 conduisent un courant, et la tension de source de T 8 est suf- fisamment basse du fait de la chute de tension Rl I 7 dans la ré- sistance Rl, pour que la tension grille-source Vgs 8 du transis-15 tor T 8 dépasse le seuil Vt 8 de conduction de ce transistor T 8 devient alors franchement conducteur car toute augmentation même légère du courant I dans le transistor 14 se traduit par une forte augmentation de tension grille-source de T 8. Le transistor T 8 est d'ailleurs choisi relativement petit devant le transistor T 7 pour que T 8 soit franchement conducteur dès lors que la chute de tension dans Rl est presque égale à Vcc. La conduction de T 8 prélève alors un courant en prove- nance de l'entrée E et dirige ce courant dans le transistor T 7. Les transistors sont dimensionnés de telle sorte que le courant I 8 prélevé par le transistor T 8 soit très vite supé- rieur au courant maximal disponible sur l'entrée E Dans le cas ou l'entrée E est pilotée par l'amplificateur différentiel AD, on s'arrange donc pour que le courant prélevé par T 8 soit faci- lement supérieur au courant maximal que peut fournir la branche de sortie de l'amplificateur différentiel AD La tension en E chute alors et interrompt la conduction du transistor T 3 donc celle du transistor Tl. Si on appelle Vgs 7 la tension grille-source du tran- sistor T 7 parcouru par un courant I 7 S au moment o le transistor T 8 va devenir conducteur, et Vt 8 la tension de seuil de conduc- tion de T 8, on peut dire que la conduction du transistor T 8 intervient pour un seuil de courant I 7 S égal à (Vcc Vgs 7 + Vt 8)/Rl. La mise en conduction de T 8 intervient lorsque le cou- rant I dans T 4 dépasse la valeur qui engendre (par recopie) un courant I 7 S dans T 7 Si on suppose que le coefficient de recopie de courant entre T 6 et T 7 est 1, alors la valeur I = I 7 S = (Vcc + Vgs 7 Vt 8)/Rl représente le seuil de courant dans le transis- tor T 4 pour lequel la limitation de courant est effectivement mise en service. La figure 3 représente des courbes de variations de courant I 8 dans le transistor T 8 en fonction du courant de sor- tie Is de l'amplificateur ou de la tension R Is aux bornes de la résistance R La courbe en pointillés représente la variation de I 7 dans un schéma du type de la figure 1, alors que la courbe en traits pleins représente la variation de I 8 dans le schéma de la figure 2 L'avantage de la configuration de la figure 2 est très net: le courant prélevé I 8 est pratiquement nul en dessous d'un certain seuil (plus élevé que dans le cas de la figure 1, ce qui veut dire que la valeur de la résistance R doit être choisie en fonction du schéma adopté); ce courant I 8 augmente très rapide-25 ment au delà de ce seuil On a supprimé toute une zone de fonc- tionnement douteux (en traits pointillés) dans laquelle la limi- tation de courant ne fonctionnait qu'à moitié mais introduisait une boucle de réaction néfaste dans l'amplificateur Sur les courbes de la figure 3, le point Pl représente le début de mise en conduction du transistor T 4, et le point P 2 représente un seuil de courant dans T 4 (ou, par recopie, dans T 7), qui corres- pond au seuil de mise en conduction du transistor T 8 dans le schéma de la figure 2. il REVENDICATIONS 1 Amplificateur comportant un étage de sortie et un circuit de limitation de courant, l'étage de sortie comprenant deux transistors de sortie (Tl, T 2) en série entre deux bornes d'alimentation (Vcc, Vss), et au moins une première borne de commande (E) permettant de contrôler la conduction du premier transistor (Tl); et le circuit de limitation de courant compre- nant une résistance (R) en série entre une sortie (S) de l'étage et le point de jonction (A) entre les deux transistors de sor- tie, avec au moins un transistor de limitation (T 4) ayant sa grille reliée à une extrémité de la résistance et sa source reliée à une autre extrémité, caractérisé en ce que: le transistor de limitation (T 4) a son drain relié à un transistor monté en diode (T 6) et conduit un courant lorsque le courant de sortie dans la résistance dépasse une valeur dé- terminée dans un premier sens; il est prévu de plus un transistor (T 7) de recopie du courant dans le transistor monté en diode (T 6), le drain du transistor de recopie étant relié à travers un transistor d'iso- lation (T 8) à la première borne de commande (E); le transistor d'isolation (T 8) étant connecté de manière à être rendu conducteur lorsque le courant dans le tran- sistor de limitation (T 4) dépasse un seuil déterminé. 2 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor d'isolation (T 8) a sa source reliée au drain du transistor de recopie (T 7), son drain relié à la pre- mière borne de commande (E), sa grille reliée à la grille du transistor de recopie (T 7), et son substrat connecté au poten- tiel le plus négatif du circuit (pour un transistor à canal N). 3 Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le drain du transistor de recopie est relié à une source de tension d'alimentation (Vcc) par l'intermédiaire d'une résistance (Ri). 4 Amplificateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est prévu un deuxième transistor de limitation (T 5) ayant sa grille et sa source reliées respectivement chacune à une extrémité de la résistance de 5 sortie (R), ce transistor de limitation (T 5) étant rendu conducteur lorsque le courant dans la résistance (R) dépasse une valeur déterminée dans le sens inverse du courant qui rend conducteur le premier transistor de limitation, le drain de ce deuxième transistor de limitation (T 5) étant connecté de manière10 à agir sur une deuxième borne de commande (F) du circuit, dans un sens propre à réduire le courant dans le deuxième transistor de sortie en cas de dépassement de valeur du courant de sortie. 5 Amplificateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le drain du deuxième transistor de limitation (T 5) est connecté directement à la grille du deuxième transistor de sortie (T 2). 6 Amplificateur selon l'une des revendications 4 et , caractérisé en ce que la première borne de commande (E) est la grille d'un transistor amplificateur (T 3) dont le drain est relié à la grille du premier transistor de sortie. 7 Amplificateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la deuxième borne de commande (F) est reliée au drain du transistor amplificateur par un ensemble de diodes (Dl, D 2) qui sont par ailleurs polarisées en conduction directe.25 8 Amplificateur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les transistors de limitation sont l'un à canal P et l'autre à canal N.