Brevet FR2699763A1 — publié le 19940624

i La présente invention concerne un amplificateur à transconductance. On connaît des amplificateurs à transconductance comportant un premier et un second transistors à effet de champ réalisés sur un substrat et ayant des sources reliées à une source de courant commune et des drains respectivement reliés à un premier et un second transistors à jonction dont les bases sont reliées entre elles On sait que pour avoir une forte dynamique d'entrée de l'amplificateur, il est préférable de faire fonctionner les transistors à effet de champ dans un mode ohmique et non dans un mode saturé Pour cela il est connu de fournir une tension drain-source au premier et au second transistors à effet de champ en utili- sant une chute de tension aux bornes d'une résistance réalisée sur le substrat et reliée d'une part à la source du premier et du second transistors à effet de champ, et d'autre part à un troisième transistor à jonction ayant une base reliée à la base des premier et second transistors à jonc- tion, ce troisième transistor à jonction étant relié à une source de courant Cependant, la précision de la mobilité et de la capacité unitaire des transistors à effet de champ, et la valeur de la résistance varient en fonction du procédé de fabrication utilisé et >la dispersion de ces caractéristiques est forte pour un procédé de fabrication courant En outre, la résistance est sensible à la température. Le gain de transconductance de l'amplificateur ainsi réalisé est donc sensible au procédé de fabrication et à la température En outre, les dispersions sur la valeur de la résistance entraînent des dispersions correspondantes sur la tension drain-source de sorte que les transistors à effet de champ de l'amplificateur peuvent être amenés à fonctionner en mode saturé défavorable à une bonne dynamique d'entrée. On peut, certes, diminuer la dispersion des caractéristiques de mobilité et de capacité unitaire des transistors à effet de champ en utilisant des procédés de fabrication à haute technologie De tels procédés sont toutefois onéreux et augmentent de façon importante le prix de revient de la puce comportant l'amplificateur à transcon- ductance. Un but de l'invention est de proposer un amplifica- teur à transconductance réalisable sous forme d'une puce par des procédés de fabrication courants et présentant néanmoins une dispersion acceptable des caractéristiques. En vue de la réalisation de ce but, on propose selon l'invention un amplificateur du type précité dans lequel la résistance est remplacée par un troisième transis- tor à effet de champ réalisé sur le substrat et relié d'une part au premier et au second transistors à effet de champ et d'autre part à l'émetteur du troisième transistor à jonction. Ainsi, la réalisation des trois transistors à effet de champ étant obtenue par le même procédé de fabrication et sur un même substrat on obtient des caractéristiques homogè- nes pour ces transistors à effet de champ avec une très bonne précision même en utilisant un procédé de fabrication courant. Selon un aspect avantageux de l'invention la source des trois transistors à effet de champ est reliée au subs- trat Ainsi on obtient une homogénéité lors des variations de températures. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, on prévoit un quatrième transistor à effet de champ réalisé sur le substrat et relié, d'une part au troisième transistor à effet de champ et d'autre part à une source de courant, le troisième et le quatrième transistors à effet de champ ayant des grilles reliées entre elles et ayant un gain de canal en relation avec des courants fournis par les sources de courant, respectivement associées au troisième et au qua- trième transistors à effet de champ pour que le quatrième transistor à effet de champ fonctionne dans un mode saturé et que le troisième transistor reste dans le mode ohmique. Ainsi, dans le cas d'une dispersion des caractéristiques des transistors à effet de champ, le troisième et le quatrième transistors à effet de champ restent appairés dans un rapport constant avec une bonne précision de sorte qu'en dépit de la dispersion des caractéristiques intrinsèques de chacun des transistors à effet de champ, le troisième transistor à effet de champ continue à fonctionner dans une zone ohmique et assure de ce fait le fonctionnement dans une zone ohmique des premier et second transistors à effet de champ. Selon un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, l'amplificateur selon l'invention comporte un quatrième transistor à jonction relié au troisième transistor à jonction pour assurer une compensation de gain des premier, second et troisième transistors à jonction Ainsi, on divise le courant perdu dans les premier, second et troisième transistors à jonction. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles: la figure 1 est un diagramme schématique illus- trant l'amplificateur à transconductance selon l'invention, la figure 2 est une vue de dessus partielle schématique d'un substrat sur lequel sont réalisés les transistors à effet de champ selon l'invention. En référence aux figures, l'amplificateur à transconductance selon l'invention comporte d'une façon connue en soi un premier transistor à effet de champ 1 et un second transistor à effet de champ 2, par exemple des transistors MOS, réalisés sur un même substrat 3 et ayant chacun un drain D, respectivement Dl, D 2, une source S, respectivement Sl et 52 et une grille G, respectivement Gi et G 2 Les sources Si et 52 sont reliées au substrat 3 et sont reliées entre elles et associées à une source de courant 4. Les grilles Gi et G 2 sont reliées à des bornes d'entrées 5 de l'amplificateur à transconductance, et les drains Dl et D 2 sont chacun reliés à un transistor à jonction, respectivement un premier transistor à jonction 6 et un second transistor à jonction 7 dont les bases sont reliées entre elles et dont l'émetteur et le collecteur sont respectivement reliés au drain du transistor à effet de champ correspondant et à une borne de sortie 8 de l'amplificateur. Selon l'invention, la tension entre le drain et la source des premier et second transistors à effet de champ est déterminée par un troisième transistor à effet de champ 9 dont la source 59 est également reliée au substrat 3, ainsi qu'aux sources des autres transistors à effet de champ, et dont le drain D 9 est relié à l'émetteur d'un transistor à jonction 10 dont la base est reliée à la base commune du premier transistor à jonction 6 et du second transistor à jonction 7, et dont le collecteur est relié à une source de courant 11 La base du transistor à jonction 10 est également reliée à l'émetteur d'un quatrième transistor à jonction 12 dont la base est reliée au collecteur du troisième transistor à jonction 10 et dont le collecteur est relié à la masse La grille du troisième transistor à effet de champ 9 est reliée à la grille d'un quatrième transistor à effet de champ 13 dont la source 513 est également reliée au substrat ainsi qu'aux autres sources des transistors à effet de champ et dont le drain D 13 est relié à une source de courant 14 Le drain D 13 du quatrième transistor à effet de champ 13 est en outre reliée à la grille G 13 de ce même transistor. On sait que dans une puce, les transistors à effet de champ sont réalisés par oxydation du substrat selon des bandes parallèles qui forment le drain et la source du transistor à effet de champ et qui délimitent entre elles un canal dont la longueur L et la largeur W (voir figure 2) déterminent le gain du transistor Afin de forcer le qua- trième transistor à effet de champ 13 à fonctionner dans un mode de saturation et le troisième transistor à effet de champ 9 dans un mode ohmique, il est préférable, compte tenu de la dispersion des caractéristiques intrinsèques des transistors à effet de champ lorsqu'ils sont réalisés par un procédé de fabrication industriel courant, que le courant drain-source dans le troisième transistor à effet de champ 9 soit environ égal à un tiers du courant drain-source dans le quatrième transistor à effet de champ 13 Ceci est obtenu par exemple en prévoyant un troisième transistor à effet de champ 9 et un quatrième transistor à effet de champ 13, présentant les mêmes caractéristiques géométriques de canal, c'est-à- dire la même longueur et la même largeur de canal, et en associant le troisième transistor à effet de champ 9 à une source de courant 11 qui délivre un courant d'une valeur environ égale au tiers du courant délivré par la source de courant 14 auquel le quatrième transistor à effet de champ 13 est relié Ceci peut également être obtenu en prévoyant des sources de courant 11 et 14 fournissant un même courant et en réalisant des transistors à effet de champ 9 et 13 présentant des caractéristiques géométriques donnant un gain d'environ 1/3 pour le quatrième transistor à effet de champ 13. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, le quatrième transistor à effet de champ 13 a la même lon- gueur de canal que le troisième transistor à effet de champ 9 et une largeur égale au tiers de la largeur du troisième transistor à effet de champ 9 Ainsi lorsqu'on fournit au quatrième transistor à effet de champ 13 un courant suffisam- ment fort pour le maintenir dans le mode saturé en tenant compte de la dispersion possible de ses caractéristiques intrinsèques, le troisième transistor à effet de champ 9 reste toujours dans le mode ohmique On notera que le rapport de un tiers n'est pas critique et dépend essentiellement de la dispersion de caractéristiques résultant du procédé de fabrication utilisé En pratique on sait que les sources de courant 11 et 14 sont également réalisées par des transistors à effet de champ et on pourra donc jouer sur les caractéris- tiques géométriques relatives des quatre transistors à effet de champ 9, 11, 13 et 14 pour maintenir le troisième transis- tor à effet de champ 9 dans un mode de fonctionnement ohmique lorsque le quatrième transistor à effet de champ 13 est dans un mode saturé. Bien entendu l'invention n'est pas limité au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention telle que défini par les revendications. En particulier, bien que le circuit décrit en reliant la source 59 du troisième transistor à effet de champ au substrat et en l'associant à un quatrième transistor à effet de champ 13 soit le mode de réalisation qui soit considéré le plus simple, occupant le moins de place sur le substrat pour garantir que le troisième transistor à effet de champ 9 soit dans un mode de fonctionnement ohmique, on notera que le quatrième transistor à effet de champ 13 a essentiellement pour fonction de fixer la tension grille- source du troisième transistor à effet de champ 9 Le quatrième transistor à effet de champ 13 peut donc être remplacé par une autre source de tension forçant le troisième transistor à effet de champ 9 dans le mode de fonctionnement ohmique. On peut également remplacer le quatrième transistor à jonction 12 par une simple boucle de réaction reliant la base du troisième transistor à jonction 10 à son collecteur. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des transistors à effet de champ PNP, on pourra égale- ment réaliser celle-ci avec des transistors NPN en adaptant le circuit de façon correspondante. REVENDICATIONS 1 Amplificateur à transconductance comportant un premier transistor à effet de champ ( 1) et un second transis- tor à effet de champ ( 2) réalisés sur un substrat et ayant des sources reliées à une source de courant commune ( 4) et des drains respectivement reliés à un premier transistor à jonction ( 6) et un second transistor à jonction ( 7) ayant des bases reliées entre elles, caractérisé en ce qu'il comporte10 un troisième transistor à effet de champ ( 9) réalisé sur le substrat et ayant une source reliée d'une part aux sources des premier et second transistors à effet de champ et d'autre part à l'émetteur d'un troisième transistor à jonction ( 10) ayant une base et un collecteur reliés entre eux et à la base des premier et second transistors à jonction, ce troisième transistor à jonction étant relié à une source de courant ( 11) assurant un fonctionnement du troisième transistor à effet de champ ( 9) dans un mode ohmique. 2 Amplificateur à transconductance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source des premier, second et troisième transistors à effet de champ ( 9) est reliée au substrat ( 3). 3 Amplificateur à transconductance selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un quatrième transistor à effet de champ ( 13) réalisé sur le substrat et ayant une source reliée à la source du troisième transistor à effet de champ ( 9), et un drain relié à une source de courant ( 14), le troisième transistor à effet de champ ( 9) et le quatrième transistor à effet de champ ( 13) ayant des grilles reliées entre elles et ayant un gain de canal en relation avec des courants fournis par les sources de courant ( 11, 14) respectivement associées au troisième et au quatrième transistors à effet de champ pour que le quatrième transistor à effet de champ ( 13) fonctionne dans un mode saturé et que le troisième transistor à effet de champ reste dans le mode ohmique. 4 Amplificateur à transconductance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un quatrième transistor à jonction ( 12) ayant un émetteur relié5 aux bases des premier, second et troisième transistors à jonction ( 6, 7, 10), une base reliée à la source de courant ( 11) du troisième transistor à jonction ( 10) et un collecteur relié à la masse.