Brevet FR2703856A1 — publié le 19941014

ARCHITECTURE D'AMPLIFICATEUR ET APPLICATION À UN GENERATEUR DE TENSION DE BANDE INTERDITE La présente invention concerne un amplificateur différentiel et l'application d'un tel amplificateur à la réali- sation d'un générateur de tension de bande interdite (Band-Gap). La tension de bande interdite, d'environ 1,2 volts, est une tension indépendante de la température et dont on se sert comme tension de référenoe dans des applications néces- sitant une grande stabilité en température. La figure 1 représente un générateur de tension de bande interdite classique tel que décrit, par exemple, dans l'ouvrage "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", par P R Gray et R G Meyer, Editions John Wiley & Sons. Un amplificateur opérationnel 10 amplifie la différence de tension entre un noeud A et un noeud B et réin- jecte la tension amplifiée sur un noeud C Le noeud A est relié15 à un potentiel bas Vss par successivement une résistance Rl et un transistor bipolaire PNP Qi connecté en diode, et au noeud C par l'intermédiaire d'une résistance R 2 Le noeud B est relié au noeud C par 1 ' intermédiaire d 'une résistanoe R 3 et au potentiel bas Vss par l'intermédiaire d'un transistor PNP Q 2 connecté en diode La surfaoe d'émetteur du transistor Ql est supérieure à celle du transistor Q 2. L'amplificateur opérationnel 10, alimenté entre un potentiel haut Vdd et le potentiel bas Vss, agit sur le noeud C afin de maintenir égaux les potentiels des points A et B Ainsi la tension aux bornes de la résistance Ri est égale à la diffé- reno des tensions base-émetteur des transistors Qi et Q 2 Cette différence est proportionnelle à la température absolue et au logarithme népérien du rapport de surface d'émetteur des tran- sistors Ql et Q 2 Cette différence de tension, de coefficient de température positif, apparaît aux bornes de la résistance R 2 (entre les noeuds C et A), multipliée par le rapport R 2/Rl La tension entre le noeud A et le potentiel Vss est égale à la tension base-émetteur du transistor Q 2, qui a un coefficient de température négatif En choisissant adéquatement le rapport R 2/Rl, le coefficient de température de la tension résultante entre le noeud C et le potentiel Vss est annulé Dans ce cas, on trouve entre le noeud C et le potentiel Vss la tension de bande interdite La valeur de la résistance R 3 est choisie égale à celle de la résistance R 2. En technologie bipolaire, il existe des solutions très simples pour réaliser de tels générateurs, notamment l'amplifi- cateur opérationnel 10. En technologie CM 08, un amplificateur opérationnel satisfaisant à la fonction de l'amplificateur opérationnel 10 de la figure 1 comprend un certain nombre de branches, c'est-à- dire de chemins de courant entre le potentiel haut Vdd et le potentiel bas Vss, qui doivent toutes être polarisées par un générateur de courant La solution la plus simple pour polariser toutes ès branches consiste à prévoir un générateur de polari- sation 12 qui alimente un miroir de courant à plusieurs sorties dont chacune sert à polariser une branche. Un montage du type de la figure 1, notamment le géné- rateur de polarisation 12, présente un point de fonctionnement stable à courant nul Ainsi, si aucun courant ne se met à circuler dans le montage dès la mise sous tension, l'amplifica- teur 10, et par conséquent le générateur de tension, ne démarre pas Pour éviter cet inconvénient, on prévoit un circuit de démarrage 14 qui a pour rôle de détecter un courant nul dans une branche et d'injecter un courant dans le montage pour faire basculer celui-ci vers un point de fonctionnement à courant non nul. Un inconvénient des montages du type de la figure 1 en technologie CMOS résulte du fait que les réalisations classiques de l'amplificateur opérationnel 10 impliquent la réalisation d'un grand nombre de branches La présence d'un grand nombre de branches entraîne, d'une part, une complexité élevée du montage et, d'autre part, une consommation particulièrement élevée car, en général, les courants dans les branches sont du même ordre de grandeur. Un objet de la présente invention est de prévoir un amplificateur opérationnel présentant un nombre de branches particulièrement faible. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un générateur de tension de bande interdite en technologie CMOS présentant un nombre de branches particulièrement faible. Ces objets sont atteints grâce à un amplificateur différentiel comprenant en série entre des premier et deuxième potentiels d'alimentation des premier à troisième transistors d'un premier type, d'un deuxième type, et du premier type res- pectivement, les premier et deuxième transistors étant respecti- vement un transistor d'entrée d'un premier miroir de courant et un transistor de sortie d'un deuxième miroir de courant, l'élec- trode de commande du troisième transistor formant une entrée inverseuse de l'amplificateur L'amplificateur comprend aussi, en série entre les premier et deuxième potentiels d'alimenta- tion, des quatrième à sixième transistors des premier, deuxième, et premier type respectivement, les quatrième et cinquième tran- sistors étant respectivement un transistor de sortie du premier miroir et un transistor d'entrée du deuxième miroir, l'électrode de commande du sixième transistor formant une entrée non-inver- seuse de l'amplificateur Le courant de sortie de l'amplifi- cateur est fourni par un septième transistor du premier type qui est un transistor de sortie du premier miroir. Un générateur de tension de bande interdite selon l'invention comprend l'amplificateur susmentionné Ce-dernier alimente des premier et deuxième transistors bipolaires de tailles différentes reliés au deuxième potentiel Ces tran- sistors bipolaires sont reliés à la sortie de l'amplificateur respectivement par un couple de résistances et par une résis- tance, le point de connexion des résistances du couple de résis- tances étant relié à l'entrée inverseuse de l'amplificateur, et le point de connexion de ladite résistance et du deuxième tran- sistor bipolaire étant relié à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les troisième et sixième transistors de l'amplificateur sont reliés respectivement aux bases des premier et deuxième tran- sistors bipolaires et au deuxième potentiel par, respectivement, des troisième et quatrième transistors bipolaires, connectés en diode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le générateur comprend des moyens pour fournir un courant au deuxième miroir si le premier miroir ne fournit aucun courant. 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: la figure 1, précédemment décrite, représente un géné- rateur classique de tension de bande interdite; la figure 2 représente un mode de réalisation en technologie CMOS d'un amplificateur selon la présente inven- tion; la figure 3 représente l'amplificateur de la figure 2 inséré dans un générateur de tension de bande interdite; et la figure 4 représente un générateur de double tension de bande interdite selon la présente invention. La figure 2 représente un couple de transistors MOS à canal P M Pl et MP 2 dont les grilles constituent respectivement une entrée inverseuse E et une entrée non-inverseuse E+ d'un amplificateur selon l'invention Les drains des transistors M Pl et MP 2 sont reliés à un potentiel bas Vss et les sources de ces transistors sont respectivement reliées aux sources de tran- sistors MOS à canal N MN 1 et MN 2 Les drains des transistors MN 1 et MN 2 sont respectivement reliés aux drains de transistors MOS à canal P MP 3 et MP 4, eux-mêmes reliés à un potentiel haut Vdd par leurs sources Le drain du transistor MN 2 est relié aux grilles des transistors MN 1 et MN 2, et le drain du transistor MP 3 est relié aux grilles des transistors MP 4 et MP 3 Un tran- sistor MOS à canal P MP 5 est relié en parallèle sur les sourès et grilles des transistors MP 3 et MP 4 La sortie V de l'amplifi- cateur est prélevée sur le drain de ce transistor MP 5. Avec ètte configuration, les transistors MP 3 et MP 4 d'une part et les transistors MN 1 et MN 2 d'autre part, consti- tuent respectivement deux miroirs de courant connectés tête- bêche Le courant de drain I du transistor d'entrée, MP 3, du premier miroir est recopié sur le drain du transistor de sortie, MP 4, de ce miroir De même, le courant de drain I du transistor d'entrée, MN 2, du deuxième miroir est recopié sur le drain du30 transistor de sortie, MN 1, de ce miroir Le transistor MP 5 cons- titue un deuxième transistor de sortie du premier miroir, et recopie donc sur son drain le courant de drain du transistor d'entrée MP 3 Bien entendu, la recopie des courants d'un drain à un autre est effectuée à un coefficient multiplicatif prés correspondant au rapport de surface des transistors considérés (par exemple, si le rapport de surface entre le transistor MP 5 et MP 3 est égal à 2, le courant de drain du transistor MP 5 est égal à deux fois celui du transistor MP 3). On a représenté un pont de résistances Ri, R 2 de contre-réaction de l'amplificateur La résistance Rl est reliée entre le potentiel Vss et l'entrée E et la résistance R 2 est reliée entre le drain du transistor MP 5 (la sortie V) et l'entrée E-. Le fonctionnement de èt amplificateur est le suivant. Au repos, on suppose que les tensions E et E+ sur les bornes E et E+ sont égales Il s'établit un courant de repos identique dans chacune des branches, égal à E-/Rl (ou E+/R 1), et la tension de sortie V est égale à ( 1 +R 2/R 1)E-. Si la tension E+ devient supérieure à la tension E-, la tension grille-source du transistor MN 1 augmente Le tran- sistor MN 1 devient plus conducteur et le courant de drain du transistor MP 3 augmente Par l'effet du miroir MP 3/MP 4, le courant de drain du transistor MP 4, et donc èlui du transistor MN 2, augmente de même Par l'effet du miroir MN 1/MN 2, le courant de drain du transistor MN 1 augmente encore Ce promessus ne diverge pas car l'effet de miroir entre les transistors MP 3 et MP 5 entraîne la recopie de l'accroissement de courant du transistor MP 3 dans le transistor MP 5, ce qui se traduit par une augmentation de la tension V, et donc de la tension E- La tension E augmente jusqu'à ce que les tensions E et E+ soient égales On retrouve alors un nouveau courant E-/Rl=E+/Rl dans les trois branches. Si la tension E+ devient inférieure à la tension E-, la tension grille-source du transistor MN 1 diminue Le transis- tor MN 1 devient moins conducteur et le courant de drain du tran- sistor MP 3 diminue Par l'effet du miroir MP 3/MP 4, le courant de drain du transistor MP 4, et donc celui du transistor MN 2, dimi- nue de même Par l'effet du miroir MN 1/MN 2, le courant de drain du transistor MN 1 diminue encore Ce processus ne diverge pas car l'effet de contre- réaction, décrit ci-dessus, exercé par le transistor MP 5 agit cette fois de façon à abaisser la tension E de manière à la faire tendre vers la nouvelle valeur de la tension E+. L'ensemble des transistors MN 1, MN 2, MP 3, MP 4 cons- titue, comme cela vient d'être décrit, une boucle montée en réaction qui est stabilisée par une boucle montée en contre- réaction. Quelle que soit la valeur de la tension E+, le montage de la figure 2 agit de manière à faire tendre la tension E vers la tension E+, et donc à faire tendre la tension de sortie V vers la valeur ( 1 +R 2/Rl)E+ Le montage se comporte comme un amplificateur de gain (V/E+) égal à 1 i+R 2/Rl. L'amplificateur selon 1 'invention présente la particu- larité d'être auto-polarisé (c'est-à-dire qu'il ne requiert pas d'étage de polarisation) et d'avoir un nombre de branches parti- culièrement faible (trois). Pour améliorer la stabilité de l'amplificateur, on peut prévoir une capacité Cl (de l'ordre de 25 p F, par exemple) connectée entre le potentiel Vdd et les grilles des transistors MP 3 et MP 4. La figure 3 représente un générateur de tension de bande interdite selon la présente invention Ce générateur est obtenu en remplaçant l'amplificateur 10 de la figure 1 par 1 'amplificateur selon l'invention désigrné par la référence 20. Les noeuds A et B (figure 1) sont reliés respectivement aux bornes E et E+ de l'amplificateur selon 1 ' invention Le drain du transistor de sortie MP 5 est relié au noeud C Il est prévu un dispositif de démarrage 14 mesurant le courant dans les tran- sistors MP 3 et MP 4 pour injecter un courant à l'entrée du miroir MN 1/MN 2 Une fois que le circuit de la figure 3 atteint un point de fonctionnement à courant non nul, le dispositif 14 ne consom- me plus qu'un courant résiduel (un exemple de dispositif de démarrage 14 est représenté à la figure 4 décrite ci-après). Un générateur de tension de bande interdite selon l'invention, en technologie CMOS, présente seulement quatre branches consommatrices de courant, à savoir les branches comprenant respectivement les transistors Ql et Q 2, et les branches comprenant respectivement les transistors M Pl et MP 2 de l'amplificateur. La figure 4 représente un mode de réalisation de géné- rateur de double tension de bande interdite utilisant un ampli- ficateur selon l'invention Des mêmes éléments qu'à la figure 3 sont désignés par des mêmes références Les transistors M Pl et MP 2, au lieu d'être reliés directement au potentiel bas Vss, y sont reliés respectivement par des transistors PNP Q 3 et Q 4 connectés en diode Les bases des transistors Qi et Q 2, au lieu d'être reliées au potentiel bas Vss sont reliées respectivement aux émetteurs des transistors Q 3 et Q 4. Ce générateur permet d'obtenir entre le noeud C et le potentiel bas Vss deux fois la tension de bande interdite avec seulement deux transistors bipolaires de plus que pour obtenir une tension de bande interdite; alors qu'il fallait clas- siquement pratiquement doubler le nombre de composants du circuit de la figure 1. L'avantage de produire une tension de référence deux fois plus élevée, comme le générateur de la figure 4, est que l'on diminue l'influence d'un décalage de tension parasite (offset) induit par l'amplificateur (dû, par exemple, à un mauvais appariement des transistors de l'amplificateur). De nombreux autres moyens sont connus pour diminuer les effets de cette tension de décalage Par exemple, les rôles des transistors de la branche MP 3, MN 1, M Pl peuvent être inter- vertis avec les rôles des transistors respectifs de la branche MP 4, MN 2, MP 2 à l'aide d'interrupteurs commutés à fréquence élevée C'est ce que l'on appelle un amplificateur stabilisé par hachage (Chopper Stabilized Amplifier) Cette solution supprime totalement les effets de la tension de décalage. A la figure 4, on a représenté plus en détail un exemple de dispositif de démarrage 14 Ce dispositif de démar- rage comprend un transistor MOS à canal P MP 6 relié en parallèle sur la source et la grille du transistor MP 4 Ce transistor MP 6 5 tend à recopier sur son drain le courant de drain du transistor MP 4 Le drain du transistor MP 6 est relié au potentiel bas Vss par un transistor MOS à canal N MN 3 dont la grille est reliée au potentiel haut Vdd Ainsi, le transistor MN 3 est en permanence conducteur Toutefois, le rapport largeur/longueur (W/L) de10 canal de ce transistor est choisi très faible, ce qui entraîne que ce transistor se comporte comme une résistance de valeur très importante Le point de connexion entre les transistors MP 6 et MN 3 est relié à l'entrée d'un amplificateur de courant formé de deux inverseurs 16 et 17 reliés en série L'inverseur 1715 caommnandae la grille d'un transistor MOS à canal P MP 7 relié entre le potentiel haut Vdd et le drain du transistor MN 2. Si aucun courant ne circule dans le transistor MP 4 (ou dans le transistor MP 3), le transistor MP 6 est bloqué La tension d'entrée de l'inverseur 16 est tirée vers le potentiel20 bas Vss par le transistor MN 3 Le transistor MP 7 devient conduc- teur et injecte un courant dans le drain du transistor MN 2, ce qui active le miroir MN 1/MN 2 Le courant s'établit dans les deux branches de l'amplificateur et le transistor MP 6 devient conduc- teur L'entrée de l'inverseur 16 est tirée vers le potentiel25 haut Vdd et le transistor MP 7 est bloqué Seulement un très faible courant est consammé dans la branche comprenant les tran- sistors MP 6 et MN 3, car le transistor MN 3 se comporte cannmme une résistance de forte valeur. On donne, à titre d'exemple, des valeurs de rapports W/L utilisés pour un générateur consommant 50 microampères avec R 2 =R 3 = 52500 ohms et Rl = 5320 ohms: transistors W/L MP 1, MP 2, MN 1, MN 2 240 um/6 um MP 3, MP 4 60 um/12 um MP 5 120 um/12 um MN 3 1, 5 um/56 um MP 6 24 um/1,2 um MP 7 6 um/1,2 umn (les lettres "um" désignent un micromètre). De nombreuses variantes et modifications de la pré- sente invention apparaîtront à l'homme du métier Notamment, on a décrit une structure d'amplificateur en technologie CMOS adaptée à la réalisation, en technologie CMOS, d'un générateur de tension de référence comportant un nombre minimum de10 branches Toutefois, l'invention consiste essentiellement en la structure à faible nombre de branches de l'amplificateur lui-même, qui peut être transposée en technologie bipolaire. il REVENDICATIONS 1 Amplificateur différentiel caractérisé en ce qu'il comprend en série entre des premier et deuxième potentiels d'alimentation (Vdd, Vss): sucèssivement des premier à troisième transistors (MP 3, MN 1, MP 1) d'un premier type (P), d'un deuxième type (N), et du premier type (P) respectivement, les premier (MP 3) et deuxième (MN 1) transistors étant respectivement un transistor d'entrée d'un premier miroir de courant et un transistor de sortie d'un deuxième miroir de courant, l'électrode de coemmande du troisième transistor formant une entrée inverseuse (E-) de l'amplificateur; sucèssivement des quatrième à sixième transistors (MP 4, MN 2, MP 2) des premier, deuxième, et premier type respec- tivement, les quatrième (MP 4) et cinquième (MN 2) transistors étant respectivement un transistor de sortie du premier miroir et un transistor d'entrée du deuxième miroir, l'électrode de commande du sixième transistor formant une entrée non-inverseuse (E+) de l'amplificateur; et en ce que le courant de sortie de l'amplificateur est fourni par un septième transistor (MP 5) du premier type qui est un transistor de sortie du premier miroir. 2 Amplificateur selon le revendication 1, caractérisé en ce que le premier type est MOS à canal P et le deuxième type est MOS à canal N. 3 Générateur de tension de bande interdite, caracté- risé en ce qu'il comprend un amplificateur selon la revendica- tion 1, alimentant des premier et deuxième transistors bipolai- res (Ql, Q 2) de tailles différentes reliés au deuxième potentiel (Vss), ces transistors bipolaires étant reliés à la sortie de l'amplificateur respectivement par un couple de résistances (R 2, Rl) et par une résistance (R 3), le point de connexion (A) des résistances du couple de résistanoes étant relié à l'entrée inverseuse (E-) de l'amplificateur, et le point de connexion de ladite résistanoe et du deuxième transistor bipolaire (Q 2) étant relié à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur. 5 4 Générateur de double tension de bande interdite selon la revendication 3, caractérisé en ce que les troisième (MP 1) et sixième (MP 2) transistors de l'amplificateur sont reliés respectivement aux bases des premier (Ql) et deuxième (Q 2) transistors bipolaires et au deuxième potentiel par, respectivement, des troisième (Q 3) et quatrième (Q 4) transistors bipolaires, connectés en diode. Générateur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en oe qu'il comprend des moyens ( 14) pour fournir un courant au deuxième miroir si le premier miroir ne fournit aucun15 courant.