Brevet FR2702105A1 — publié le 19940902

DISPOSITIF DE RÉGULATION DE LA TENSION DE MODE COMMUN EN SORTIE D'UN AMPLIFICATEUR ÉQUILIBRÉ La présente invention concerne les amplificateurs différentiels équilibrés, c'est-à-dire les amplificateurs à deux sorties différentielles fournissant respectivement un premier signal et un deuxième signal en opposition de phase. L'invention concerne plus particulièrement un disposi- tif de régulation de la tension de mode commun en sortie d'un tel amplificateur. Les amplificateurs équilibrés sont utilisés lorsque l'on a besoin d'une grande variation de tension de sortie (dyna- mique de sortie) alors qu'on ne dispose que d'une faible tension d'alimentation. La figure 1 représente un amplificateur équilibré 10. Cet amplificateur comprend deux amplificateurs différentiels 12 et 13 alimentés chacun par un potentiel haut Vcc et un potentiel15 bas GND Les sorties des amplificateurs 12 et 13 constituent les sorties différentielles de l'amplificateur équilibré 10 Les entrées inverseuses des amplificateurs différentiels 12 et 13 sont reliées à des bornes d'entrée différentielles, respecti- vement E+ et E-. La tension de mode commun VCM en sortie de l'amplifi- cateur 10, c'est-à-dire la moyenne des tensions de sortie des amplificateurs 12 et 13, est susceptible de varier Une première cause de variation est la variation de la tension de mode commun en entrée, ce qui se produit, par exemple, si les tensions appliquées sur les bornes E+ et E ne sont pas symétriques par rapport à une tension de référence fixe Une deuxième cause, systématique, est la dispersion des caractéristiques entre les transistors de type N et les transistors de type P constituant l'amplificateur 10. Une variation trop importante de la tension VCM par rapport à une valeur de référence, par exemple (Vcc+GND)/2, peut entraîner l'écrêtage du signal de sortie de l'amplificateur 10, notamment si l'amplitude du signal de sortie est proche de sa valeur maximale Il est donc nécessaire de réguler la tension de mode commun en sortie, VCM. Un dispositif de régulation classique de la tension de mode commun en sortie comprend un amplificateur différentiel de correction 15 dont la sortie est reliée aux entrées non inver- seuses des amplificateurs 12 et 13 L'entrée inverseuse de l'amplificateur 15 reçoit la moyenne, VCM, des tensions de sortie de l'amplificateur 10 par l'intermédiaire d'un pont de résistances 17 et 18 de même valeur L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 15 reçoit une tension de référence VCMO sur laquelle on souhaite réguler la tension de mode commun VCM. Avec cette configuration, les erreurs de mode commun, c'est-à-dire les écarts entre la tension VCM et la tension VCMJ, sont inversement proportionnelles au gain de l'amplificateur de correction 15 Ainsi, les erreurs seront minimisées si ce gain est très grand. En pratique, principalement pour des raisons de stabi- lité et de rapidité de la régulation, l'amplificateur 15 est formé d'un seul étage différentiel. Pour limiter la consommation de cet étage, son courant de polarisation est choisi faible, ce qui a pour inconvénient de limiter la dynamique de correction de l'erreur de mode commun. En effet, un étage différentiel fonctionne de manière linéaire si sa tension d'entrée est de faible amplitude Si la tension dl'entrée devient trop importante, l'étage différentiel sature et son gain chute considérablement, ce qui a pour incon- vénient que des erreurs de mode commun trop importantes ne peuvent être corrigées convenablement Le point de saturation d'un étage différentiel est aussi déterminé par le courant de polarisation de l'étage Comme le courant de polarisation de l'étage est choisi faible, l'étage sature rapidement. Un objet de la présente invention est de prévoir un dispositif de régulation de la tension de mode commun du type précédemment décrit, mais ayant un étage différentiel de correc- tion présentant une dynamique de correction élevée tout en consommant peu en moyenne. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel dispositif de régulation, dans lequel l'étage différen- tiel ne risque pas de saturer. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel dispositif de régulation qui soit particulièrement sim- ple. La présente invention est basée sur l'observation du fait que les erreurs de mode commun varient le plus souvent en phase (ou en opposition de phase) avec le courant de sortie de l'amplificateur 10 Pour atteindre les objets susmentionnés, l'invention prévoit un dispositif de régulation dans lequel le courant de polarisation de l'étage différentiel de correction est ajusté proportionnellement au courant de sortie de l'ampli- ficateur. Avec un tel dispositif, le courant de polarisation de l'étage de correction reste faible en l'absence de signal en sortie de l'amplificateur, mais le courant de polarisation instantané devient important en présence d'un signal de forte amplitude, ce qui permet de corriger une erreur de mode commun avec une même efficacité si elle apparaît en présence d'un signal de forte amplitude, que si elle apparaît en présenoe d'un signal de faible amplitude En outre, comme le courant de pola- risation de l'étage de correction suit l'évolution de sa tension d'entrée (l'erreur de mode commun), cet étage ne risque pas de saturer. Une réalisation particulière de ce dispositif à l'aide de miroirs de courant permet une simplification notable de celui-ci. La présente invention vise plus particulièrement un dispositif de régulation de la tension de mode coamun en sortie d'un amplificateur équilibré à deux sorties différentielles, comprenant un étage différentiel fournissant un signal de cor- rection de la tension de mode cammun correspondant à l'écart entre la moyenne des tensions sur les sorties différentielles et une tension de référence, et un générateur de courant fixant le courant de polarisation de l'étage différentiel Selon l'inven- tion, le générateur de courant est un générateur commandé par le courant de sortie de l'amplificateur équilibré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'amplificateur équilibré inclut deux étages de sortie compre- nant chacun deux miroirs de courant de polarité opposée dont les sorties sont reliées ensemble, et l'étage différentiel fournit un courant de correction superposé, avec un signe approprié, au courant d'entrée d'un premier desdits deux miroirs. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le générateur de courant fixant le courant de polarisation de l'étage différentiel comprend un miroir de courant recopiant, à un facteur multiplicatif près, le courant de sortie du premier miroir. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étage différentiel comprend une branche de sortie reliée à l'entrée d'un miroir de courant dont la sortie est reliée en parallèle sur l'entrée du premier miroir de courant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le miroir de courant fournissant le courant de polarisation à l'étage différentiel est commandé par une deuxième sortie du premier miroir de courant, la première sortie de ce premier miroir étant èlle qui est reliée à la sortie de 1 ' autre des deux miroirs de courant de l'étage de sortie. 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 schéma- tiquement un amplificateur équilibré muni d'un dispositif classique de régulation de la tension de mode commun en sortie; la figure 2 représente une demi-vue d'un mode de réalisation d'un dispositif de régulation selon la présente invention inséré dans un étage de sortie classique d'un amplifi- cateur; et la figure 3 représente une demi-vue d'un autre mode de réalisation de dispositif de régulation selon la présente inven- tion. Un dispositif de régulation selon l'invention s'adapte de manière particulièrement aisée à un type particulier d'étage de sortie d'un amplificateur, apparaissant dans la figure 2. La figure 2 montre, à gauche d'un axe de symétrie A, un premier étage de sortie fournissant une première sortie d'un amplificateur équilibré La deuxième sortie de l'amplificateur équilibré est fournie par un étage symétrique au premier par rapport à l'axe A Chaque élément décrit ciaprès d'un côté de l'axe A a un symétrique, non décrit, de l'autre côté de l'axe A que l'on désigne par une même référenoe affectée de l'indice l,,, s. Le premier étage de sortie comprend un miroir de courant Ml relié à un potentiel haut Vcc et un miroir de courant M 2 relié à un potentiel bas GND Ci-après, un miroir relié à un35 potentiel haut est appelé miroir de polarité positive, et un miroir relié à un potentiel bas est appelé miroir de polarité négative Le miroir de polarité positive Ml comprend un tran- sistor d'entrée Tl, MOS à canal P, dont la source est reliée au potentiel Vcc et dont la grille et le drain sont reliés ensemble Le drain du transistor Tl constitue l'entrée du miroir Ml Le miroir Ml comprend un transistor de sortie T 2, MOS à canal P, dont la source est reliée au potentiel Vce et la grille à la grille du transistor Tl Le drain du transistor T 2 cons- titue la sortie du miroir Ml Un miroir de courant de polarité négative a la même configuration que le miroir de polarité posi- tive Ml qui vient d'être décrit, sauf que ses transitors sont à canal N et que les sources de ces transistors sont reliées au potentiel bas GND Le miroir M 2 comprend un transistor d'entrée T 3, MOS à canal N, et un premier transistor de sortie T 4, MOS à canal N Les sorties des miroirs MI et M 2 (drains des transis- tors T 2 et T 4) sont reliées à une borne de sortie S de l'ampli- ficateur équilibré. Pour injecter un courant dans un premier sens dans une charge reliée entre les bornes de sortie S et Ss, un étage de commande classique, non représenté, fournit aux entrées des miroirs Ml et M 2 S des courants de sens opposés Pour injecter un courant AI de deuxième sens dans la charge, des courants I de sens opposés sont fournis, comme cela est représenté, aux entrées des miroirs Mis et M 2. Un pont de résistances R, Rs de même valeur est dispo- sé entre les bornes de sortie S et Ss Au point de connexion entre les résistances R et Rs, on recueille la tension VCM de mode commun de sortie de l'amplificateur Cette tension VCM est appliquée sur la grille d'un premier transistor T 5 d'un étage différentiel D Un deuxième transistor T 6 de l'étage différen- tiel, dont la souroe est reliée à la source du transistor T 5, reçoit sur sa grille une tension de référence constante VCMO qui est la tension de mode commun que l'on veut obtenir en sortie de l'amplificateur Dans l'exemple de la figure 2, les transistors35 T 5 et T 6 sont des transistors MOS à canal P. Selon l'invention, le miroir M 2 comprend un deuxième transistor de sortie T 7, à grille et source reliées respecti- vement à la grille et à la source du transistor T 4, dont le courant de drain k I constitue le courant de polarisation de l'étage différentiel D Pour cela, les sources des transistors T 5 et T 6 sont reliées à la sortie d'un miroir M 3 de polarité positive recevant en entrée le courant de drain du transistor T 7 En outre, le courant d'entrée I du miroir M 2 est partiel- lement dérivé par la sortie d'un miroir de courant M 4 de pola- rité négative dont l'entrée reçoit le courant de drain du tran- sistor T 5 de l'étage différentiel D. Avec cette configuration, si la tension de mode commun VCM varie, par exemple augmente, par rapport à la tension de référence VCMO, le courant de drain du transistor T 5 diminue ainsi que le courant dérivé par la sortie du miroir M 4, ce qui augmente le courant d'entrée du miroir M 2 En conséquence, le transistor T 4 de sortie du miroir M 2 devient plus passant, ce qui a pour résultat d'abaisser la tension sur la borne P, et donc d'abaisser la tension de mode commun VCM. Le courant de drain du transistor T 7 étant proportion- nel au courant de drain du transistor T 4 (le courant de sortie AI), le courant de polarisation de l'étage différentiel D est proportionnel au courant de sortie AI Ainsi, l'étage différen- tiel D ne risque pas de saturer, c'est-à-dire que tout le courant de polarisation k I ne risque plus de passer dans un seul des transistors T 5 et T 6 lorsque l'écart entre les tensions VCM et VCMO devient important. En outre, le courant de polarisation k I de l étage D fixe l'amplitude du domaine linéaire de cet étage, c'est-à-dire l'amplitude de variation du courant de drain du transistor T 5 par rapport à l'amplitude de variation de l'erreur de mode commun VCM-VCMO Pour un étage à transistors MOS, l'amplitude du domaine linéaire est proportionnelle au courant de polarisa- tion Ainsi, plus le courant de sortie de l'amplificateur est important, c'est-à-dire plus l'amplitude de l'erreur de mode commun risque d'être importante, plus la compensation de ètte erreur de mode commun devient efficace. Le symétrique, non représenté, de l'étage différentiel D agit de manière identique sur le miroir M 2 S lorsque les miroirs Ml et M 2 S sont commandés pour injecter un courant -AI de sens opposé dans la charge. La consommation d'un dispositif de régulation selon l'invention est particulièrement faible En l'absence de signal de sortie, le courant de polarisation de l'étage D et de son symétrique est nul Lorsqu'un signal de sortie est présent, l'étage D reçoit un courant de polarisation seulement lors d'alternances paires du signal de sortie (lorsque les miroirs Mis et M 2 sont commandés), et l'étage différentiel symétrique reçoit un courant de polarisation seulement lors des alternanès impaires (lorsque les miroirs Ml et M 2 S sont commandés) En outre, le courant de polarisation moyen d'un étage est bien inférieur à son courant maximal. Bien entendu, les surfaoes des transistors des miroirs sont choisies pour ajuster adéquatement les gains des miroirs, à savoir un gain A des miroirs Ml et Mls, un gain A/(l-k/2) entre les transistors T 4 et T 3 du miroir M 2 et entre les transistors symétriques du miroir M 2 s, et un gain k/( 1-k/2) entre les tran- sistors T 7 et T 3 du miroir M 2 et entre les transistors symétri- ques du miroir M 2 s Les valeurs A et k pourront être choisies par l'homme du métier pour adapter l'amplificateur équilibré selon l'invention à ses besoins. Le drain du transistor T 6 est relié au potentiel GND par l'intermédiaire d'une charge présentant les mêmes caracté- ristiques que l'entrée du miroir M 4 pour des raisons de symé- trie Cette charge est, par exemple, un transistor MOS T 8 à canal N dont la source est reliée au potentiel GND et dont le drain et la grille sont reliées au drain du transistor T 6. La figure 3 représente un autre mode de réalisation du dispositif de régulation de tension de mode commun selon 1 'in- vention Dans cette figure, des éléments similaires à ceux de la figure 2 sont désignés par des mêmes références Dans le circuit de la figure 3, on retrouve un étage différentiel D' dont le courant de polarisation est fixé directement par le courant de drain du transistor T 7 du miroir M 2 L'étage D' comprend des transistors MOS à canal N T 5 ' et T 6 ' reèvant respectivement sur leur grille la tension VCM et la tension VCMO Le drain du transistor T 6 ' est relié au potentiel Vcc par l'intermédiaire d'un transistor de charge T 8 ' et le courant de drain du tran- sistor T 5 ' est dérivé du courant de commande I du miroir Mls par l'intermédiaire d'un miroir de courant M 4 ' de polarité posi- tive Des éléments, non représentés, symétriques à èux que l'on vient de décrire agissent sur le miroir Ml. Le circuit de la figure 3 est théoriquement équivalent au circuit de la figure 2 et permet d'économiser le miroir M 3 de la figure 2 Toutefois, en réalité, le circuit de la figure 2 est plus efficace, car on y mesure le courant de sortie (par le transistor T 7) au niveau du même miroir de courant, M 2, que l'on pilote par l'étage différentiel D. Les modes de réalisation décrits du dispositif de régulation de tension de mode commun sont de complexité équiva- lente ou même moindre que celle des dispositifs de régulation classiques. Bien que l'on ait décrit des modes de réalisation particulièrement avantageux agissant au niveau des étages de sortie de l'amplificateur, la présente invention s'applique également à des circuits dont l'étage de correction agit au niveau de l'entrée de l'amplificateur. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier qui peut, par exemple, intervertir les polarités des transistors ou bien choisir des transistors bipolaires. REVENDICATIONS 1 Dispositif de régulation de la tension de mode commun en sortie d'un amplificateur équilibré à deux sorties différentielles (P, Ps), comprenant un étage différentiel (D) fournissant un signal de correction de ladite tension de mode commun correspondant à l'écart entre la moyenne (VCM) des ten- sions sur les sorties différentielles et une tension de réfé- rence (VCMO), et un générateur de courant fixant le courant de polarisation de l'étage différentiel, caractérisé en ce que le générateur de courant est un générateur (M 3) commandé par le courant de sortie de l'amplificateur équilibré. 2 Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur équilibré inclut deux étages de sortie comprenant chacun deux miroirs de courant de polarité opposée (Ml, M 2) dont les sorties sont reliées ensem- ble, et en ce que ledit étage différentiel (D) fournit un cou- rant de correction superposé, avec un signe approprié, au cou- rant d'entrée d'un premier (M 2) desdits deux miroirs. 3 Dispositif de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur de courant fixant le courant de polarisation dudit étage différentiel (D) comprend un miroir de courant (M 3) recopiant, à un facteur multiplicatif (k) près, le courant de sortie dudit premier miroir (M 2). 4 Dispositif de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage différentiel (D) comprend une branche de sortie reliée à l'entrée d'un miroir de courant (M 4) dont la sortie est reliée en parallèle sur l'entrée du premier miroir de courant (M 2). Dispositif de régulation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir de courant (M 3) fournissant le courant de polarisation à l'étage différentiel (D) est commandé par une deuxième sortie (T 7) du premier miroir de courant (M 2), la première sortie (T 4) de oe premier miroir étant celle qui est reliée à la sortie de l'autre (Ml) desdits deux miroirs de cou- rant de l'étage de sortie.