Brevet FR2695522A1 — publié le 19940311

-1 CIRCUIT CONVERTISSEUR TENSION/COURANT La présente invention concerne un circuit permettant d'obtenir un courant proportionnel à une tension d'entrée, et plus particulièrement un tel circuit simplement réalisable sous forme de circuit intégré. La figure 1 représente un schéma classiquement-utilisé pour une conversion tension/courant Ce circuit comprend deux transistors bipolaires de type NPN QI et Q 2 dont les collecteurs sont reliés à une tension haute VCC et dont les émetteurs sont connectés à une tension basse VEE par l'intermédiaire de sources de courant I Les émetteurs sont interconnectés par une résis- tance Rl Les courants de collecteur de ces transistors sont appelés ICI et IC 2 La tension Ve à convertir en courant est appliquée entre les bases Bl et B 2 des transistors QI et Q 2. Ainsi, la tension aux bornes de Ri, V(Rl) est V(Rl) = Ve + (Vbe 2-Vbel). Le courant AI dans la résistance Ri est AI=V(Rl)/R 1. Le courant d'émetteur de QI est I+AI et celui de Q 2 est I-AI Si l'on admet que les chutes de tension base-émetteur Vbel et Vbe 2 des transistors QI et Q 2 sont égales, et que la différence des courants d'émetteur se retrouve dans la différence des courants de collecteur, on a ICI IC 2 = 2 AI = 2 Ve/Rl. Un circuit classique 10, par exemple du type à miroir de courant, permet de fournir la différence entre les courants I Ci et IC 2 et fournit en sortie le courant 2 AI proportionnel à Ve. Dans ce qui précède, on a fait deux hypothèses simplificatrices La première est que Vbel=Vbe 2, la deuxième est que la différence des courants d'émetteur se retrouve dans la différence des courants de collecteur En fait, les courants de collecteur des transistors Qi et Q 2 sont I Cl=c(I+AI) et IC 2 ="(I-AI) o îx est le gain en courant en base commune des transistors Qi et Q 2 (on suppose que ces deux transistors ont le même gain) ax s'exprime en fonction du coefficient d'amplifi- cation de courant en émetteur commun, À, des transistors Qi et Q 2 par la relation " = 1/( 1 + 1/p) Ainsi, le courant AI, au lieu d'être simplement égal à Ve/Ri s'exprime en fait par la rela- tion: AI = "lVe + (Vbe 2-Vbel)l/Rl. Ainsi, une première erreur résulte de la valeur de Vbe 2-Vbel qui est non nulle et varie avec le courant et la température La deuxième erreur résulte du fait que î n'est pas égal à 1, et peut être non négligeable dans le cas o p est relativement faible Par exemple, si p = 35, î est égal à 0,97 et on a une erreur de proportionnalité de l'ordre de 3 %. Une façon classique de corriger la première erreur est illustrée en figure 2 Une contre-réaction est imposée entre l'émetteur et la base de chacun des transistors Ql et Q 2 par des amplificateurs différentiels Ai et A 2 dont les sorties sont respectivement appliquées aux bases des transistors Qi et Q 2 et dont les entrées inverseuses sont respectivement connectées aux émetteurs des transistors Qi et Q 2 Le signal d'entrée est appliqué entre les entrées non-inverseuses El et E 2 des ampli- ficateurs Ai et A 2 Ainsi, l'erreur liée à la valeur non nulle de Vbe 2Vbel est atténuée d'un facteur AV, o AV est le gain en tension de chacun des amplificateurs A Ce gain peut être très élevé, par exemple supérieur à 100 et la petite erreur sur la différence des tensions base- émetteur devient ainsi une erreur du second ordre bien inférieure à 1/1000. Une façon classique de corriger la deuxième erreur consiste à remplacer chacun des transistors Ql et Q 2 par un montage de type Darlington Comme cela est représenté en figure 3, chacun des transistors Qi et Q 2 est associé en un montage Darlington avec un transistor respectif Q'1 et Q'2 Si l'on considère que les transistors Qi, Q 2, Q'l et Q'2 ont le même coefficient d'amplification de courant en émetteur commun, Y, les coefficients d'amplification de courant en base commune îx deviennent lll+l/l(l+i)l A nouveau, on transforme une erreur du premier ordre en erreur du second ordre qui devient négligeable. Ainsi, le circuit de la figure 3 qui combine les moyens de correction du premier et du deuxième type d'erreur donne satisfaction et l'on a bien des courants I Ci et IC 2 dont la différence est proportionnelle (le coefficient de proportion- nalité étant lié à la valeur de la résistance Rl) à la diffé- rence de tension entre les bornes El et E 2. Toutefois, ce circuit présente un inconvénient lié à la présence d'un montage de type Darlington En effet, quand on considère un transistor isolé tel que le transistor Qi ou Q 2, sa chute de tension collecteur/émetteur à l'état passant, Vsat, est de l'ordre de 0,2 volt Alors que, dans le cas d'un montage Darlington, cette chute de tension est augmentée de la valeur moyenne d'une chute de tension base-émetteur, c'est-à-dire que la chute de tension totale se rapproche d'une valeur de l'ordre du volt Ce phénomène s'aggrave à basse température o Vbe aug- mente Cette chute de tension relativement importante aux bornes des transistors constitue un inconvénient notamment du fait que, comme cela est illustré en figure 1, d'autres étages à transis- tors existent entre la borne d'alimentation haute et la borne d'alimentation basse (entre VCC et VEE) Ceci impose que la dif- férence VCC VEE doit être plus élevée dans le cas du montage de la figure 3 que dans le cas du montage de la figure 1 et interdit l'utilisation du circuit de la figure 3 dans le cas o cette différence de tension (tension d'alimentation) est faible. Un objet de la présente invention est de prévoir un circuit de conversion d 'une tension en courant dans lequel la chute de tension aux bornes des éléments de production du courant soit aussi faible que possible. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit un circuit de conversion d'une tension en une différence de courant, comprenant une première paire différentielle comprenant un premier et un deuxième transistor NPN dont les émetteurs sont reliés à une borne d'alimentation basse par l'intermédiaire d'une source de courant et dont les collecteurs sont reliés à une borne d'alimentation haute, une deuxième paire différen- tielle comprenant un troisième et un quatrième transistors NPN dont les émetteurs sont reliés à une borne d'alimentation basse par l'intermédiaire d'une source de courant et dont les collec- teurs sont reliés à une borne d'alimentation haute, une première résistance entre les émetteurs des transistors de la première paire, une deuxième résistance entre les émetteurs des transis- tors de la deuxième paire, des troisième et quatrième résistan- ces entre les bases des premier et troisième transistors et des deuxième et quatrième transistors respectivement, et un moyen de contre- réaction en tension entre les bornes de la deuxième résistance et les bases des transistors de la première paire pour fixer le potentiel aux bornes de la deuxième résistance à un potentiel d'entrée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de contre-réaction comprennent des amplificateurs opérationnels ayant chacun une première entrée reliée à une borne de la deuxième résistance, une deuxième entrée constituant une borne d'entrée et une sortie appliquée à la base d'un tran- sistor de la première paire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des amplificateurs opérationnels est constitué d'un cin- quième transistor NPN et d'un sixième transistor PNP, la base du cinquième transistor étant reliée à une borne de la deuxième résistance, l'émetteur du cinquième transistor étant relié à la borne d'entrée, le collecteur du cinquième transistor étant relié à la borne d'alimentation haute par une source de courant, la base du sixième transistor étant reliée au collecteur du cin- quième transistor, l'émetteur du sixième transistor étant relié à la borne d'alimentation haute par l'intermédiaire d'une source courant et à la base d'un transistor de la première paire diffé- rentielle, et le collecteur du sixième transistor étant relié à la borne d'alimentation basse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un amplificateur opérationnel est constitué d'un transistor NPN dont le collecteur est relié à la borne d'alimentation haute par l'intermédiaire d'une source de courant et à la base d'un tran- sistor de la première paire, dont l'émetteur est relié à une deuxième borne d'entrée et dont la base est reliée d'une part à une première borne d'entrée, d'autre part à une borne de la deuxième résistance. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les troisième et quatrième résistances ont une même valeur égale à la moitié de la valeur de la deuxième résistance. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 3, destinées à illustrer l'état de la technique, ont été décrites précédemment; la figure 4 représente un premier mode de réalisation d'un circuit de conversion tension-courant selon la présente invention; la figure 5 représente une variante du circuit de la figure 4; et les figures 6 et 7 représentent des réalisations plus détaillées des amplificateurs de contre-réaction utilisés respectivement en figures 4 et 5. La figure 4 représente un mode de réalisation d'un circuit selon la présente invention Ce circuit contient une première paire différentielle comprenant des transistors Qi et Q 2 et une deuxième paire différentielle comprenant des tran- sistors Q 3 et Q 4 Dans le mode de réalisation représenté, tous ces transistors sont de type NPN Les émetteurs des transistors Qi à Q 4 sont reliés à la borne d'alimentation basse VEE par l'intermédiaire de sources de courant I Les collecteurs des transistors Qi à Q 4 sont connectés à une borne d'alimentation haute VCC, directement ou indirectement mais en tout cas par des trajets de même impédance pour chacun des transistors d'une paire différentielle Les émetteurs des transistors Qi et Q 2 sont connectés par l'intermédiaire d'une résistance Rl et les émetteurs du transistor Q 3 et Q 4 sont connectés par l'intermé- diaire d'une résistance R 2 Les sorties d'amplificateurs opéra- tionnels Ai et A 2 sont respectivement connectées aux bases des transistors Qi et Q 2 Les entrées inverseuses de ces amplifica- teurs sont respectivement connectées aux émetteurs des tran- sistors Q 3 et Q 4 et les entrées non-inverseuses El et E 2 de ces amplificateurs correspondent à des bornes d'entrée entre lesquelles est appliquée la tension que l'on veut convertir en un courant, le courant converti étant proportionnel à la différence entre les courants de collecteur I Ci et IC 2 des tran- sistors Qi et Q 2 Les bases des transistors Qi et Q 3 et les bases des transistors Q 2 et Q 4 sont respectivement reliées par des résistances de liaison Rbl et Rb 2 de même valeur, Rb. Pour la commodité de la description, on désigne par les références 11 et 12 les bornes de base des transistors Qi et Q 2, par 13 et 14 les bornes d'émetteur des transistors Q 3 et Q 4, et par 15 et 16 des bornes de collecteur des transistors Qi et Q 2 Ces bornes constituent les accès à un bloc encadré de poin- tillés et désigné par la référence 20 en figure 4. Dans le cas des figures 2 et 3, du fait de la présence des amplificateurs opérationnels Ai et A 2 à fort gain, on retrouvait aux bornes de la résistance Ri la différence de potentiel Ve entre les entrées El et E 2 De même, dans le cas de la figure 4, on retrouve cette différence de potentiel Ve aux bornes de la résistance R 2 Le courant IR 2 dans cette résistance est égal à Ve/R 2 pratiquement sans erreur ou bien avec une erreur négligeable du deuxième ordre On retrouve les courants I + IR 2 et I IR 2 dans les émetteurs des transistors Q 3 et Q 4. La tension différentielle entre les bases des transistors Q 1 et Q 2 est également appliquée de façon différentielle sur les bases des transistors Q 3 et Q 4 d'o il résulte une différence de tension aux bornes de Ri (en négligeant les erreurs sur les différences de Vbe qui sont, dans ce cas du deuxième ordre): V(R 1) = Ve + 2 Rb-IR 2/p ou V(R 1) = Ve ( 1 + 2 Rb/p R 2). La différence de courant de collecteur des transistors Q 1 et Q 2 est égale au double du courant dans la résistance Ri multiplié par le coefficient de gain o ( 1-1/p) Ainsi, en choisissant Rb = R 2/2, on obtient: ICI IC 2 = ( 2 Ve/R 1)(i+i/p)( 1-1/p) soit ICI IC 2 = ( 2 Ve/R 1)( 1-1/p 2) c'est-à-dire, p 2 étant négligeable, que cette différence de courant devient sensiblement égale à 2 Ve/Rl et que, comme on le souhaite, elle est proportionnelle à la tension Ve Ce résultat est obtenu alors que la différence de potentiel aux bornes des transistors Q 1 et Q 2 reste la chute de tension à l'état de conduction d'un transistor bipolaire qui, comme on l'a exposé précédemment, est de 1 ' ordre de 0,2 volt. Comme dans les circuits de l'art antérieur, le coef- ficient de proportionnalité entre la tension et le courant ne dépend que de la valeur de la résistance Ri Les valeurs des résistances R 2, Rbl et Rb 2 n'interviennent que par leur rapport qui peut être extrêmement précis dans une réalisation sous forme de circuit intégré. Bien entendu, l'homme de l'art pourra envisager diverses variantes de réalisation du circuit selon la présente invention. La figure 5 représente une variante dans laquelle le mode de connexion des amplificateurs opérationnels Al et A 2 a été modifié On retrouve dans cette figure le bloc 20 de la figure 4 avec ses bornes 11 à 16 Cette fois-ci, les entrées inverseuses des amplificateurs opérationnels Ai et A 2 sont connectées aux bornes 13 et 14 par l 'intermédiaire de résis- tances respectives R 3 et R 4 et les entrées non-inverseuses sont interconnectées Les bornes d 'entrée El et E 2 correspondent alors à l'entrée inverseuse de l'amplificateur Ai et aux entrées non-inverseuses des amplificateurs Ai et A 2 Dans ce cas, une tension pourra être appliquée entre les entrées El et E 2 avec interposition d'une résistance série sur la borne El d'une façon connue de l'homme de métier. La figure 6 représente un exemple de réalisation des amplificateurs opérationnels dans le cas du montage de la figure 4 Seul l'amplificateur Ai sera décrit en détail, l'amplifica- teur A 2 étant réalisé de façon identique Cet amplificateur Ai est constitué de deux transistors Q 5 et Q 6, respectivement de type NPN et PNP Le collecteur du transistor Q 5 est relié à la source d'alimentation haute par une source de courant I 5. L'émetteur du transistor Q 6 est relié à la borne 11 et à cette borne d'alimentation haute par une source de courant I 6 La base du transistor Q 6 est reliée au collecteur du transistor Q 5 Le collecteur du transistor Q 6 est relié à la borne d'alimentation basse VEE La base du transistor Q 5 est reliée à la borne 13. L'émetteur du transistor Q 5 correspond à la borne d'entrée El. La figure 7 représente un exemple de réalisation des amplificateurs opérationnels Ai et A 2 dans le cadre d'un montage du type de celui de la figure 5 Les amplificateurs opéra- tionnels Ai et A 2 sont respectivement constitués de transistors NPN Q 7 et Q 8 Les collecteurs sont respectivement reliés aux bornes 11 et 12 à la borne d'alimentation haute par l'intermé- 5 diaire de sources de courant respectives I 7 et I 8 Les émetteurs sont interconnectés et constituent la borne d'entrée E 2 Les bases des transistors Q 7 et Q 8 sont respectivement reliées aux bornes 13 et 14 par l'intermédiaire de résistances R 7 et R 8. Comme on l'a indiqué précédemment, la borne d'entrée El est de préférence reliée à la base du transistor Q 7 par l'intermédiaire d'une résistance R 9. REVENDICATIONS 1 Circuit de conversion d'une tension en une diffé- rence de courant, caractérisé en ce qu'il comprend: une première paire différentielle comprenant un pre- mier (Qi) et un deuxième (Q 2) transistor NPN dont les émetteurs sont reliés à une borne d'alimentation basse (VEE) par l'inter- médiaire d'une source de courant et dont les collecteurs sont reliés à une borne d'alimentation haute (VCC), une deuxième paire différentielle comprenant un troi- sième (Q 3) et un quatrième (Q 4) transistors NPN dont les émet- teurs sont reliés à une borne d'alimentation basse (VEE) par l'intermédiaire d'une source de courant et dont les collecteurs sont reliés à une borne d'alimentation haute (VCC), une première résistance (Rl) entre les émetteurs des transistors de la première paire, une deuxième résistance (R 2) entre les émetteurs des transistors de la deuxième paire, des troisième et quatrième résistances (RB 1 et RB 2) entre les bases des premier et troisième transistors et des deuxième et quatrième transistors respectivement, un moyen de contre- réaction en tension (Al, A 2) entre les bornes de la deuxième résistance (R 2) et les bases des tran- sistors de la première paire pour fixer le potentiel aux bornes de la deuxième résistance à un potentiel d'entrée (El, E 2). 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contre-réaction comprennent des amplificateurs opérationnels (Al, A 2) ayant chacun une première entrée reliée à une borne de la deuxième résistance, une deuxième entrée consti- tuant une borne d'entrée et une sortie appliquée à la base d'un transistor de la première paire. 3 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des amplificateurs opérationnels est constitué d'un cinquième transistor NPN (Q 5) et d'un sixième transistor PNP il (Q 6), la base du cinquième transistor étant reliée à une borne de la deuxième résistance, l'émetteur du cinquième transistor étant relié à la borne d'entrée, le collecteur du cinquième transistor étant relié à la borne d'alimentation haute par une source de courant (I 5), la base du sixième transistor étant reliée au collecteur du cinquième transistor, l'émetteur du sixième transistor étant relié à la borne d'alimentation haute par l'intermédiaire d'une source courant (I 6) et à la base d'un transistor de la première paire différentielle, et le collecteur10 du sixième transistor étant relié à la borne d'alimentation basse. 4 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un amplificateur opérationnel est constitué d'un transistor NPN (Q 7, Q 8) dont le collecteur est relié à la borne d'alimen-15 tation haute par l'intermédiaire d'une source de courant (I 7, I 8) et à la base d'un transistor de la première paire, dont l'émetteur est relié à une deuxième borne d'entrée et dont la base est reliée d'une part à une première borne d'entrée, d'autre part à une borne de la deuxième résistance. 5 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les troisième et quatrième résistances ont une même valeur égale à la moitié de la valeur de la deuxième résistance.