Brevet FR2728743A1 — publié le 19960628

AMPLIFICATEUR À GRANDE EXCURSION DE MODE CCIOMMUN ET À TRANSCONDUCTANCE CONSTANTE La présente invention concerne un amplificateur à grande excursion de mode commun, c'est-à-dire dont les entrées peuvent être portées à des potentiels pratiquement égaux aux potentiels d'alimentation extrêmes de l'amplificateur, et dont 5 la transconductance est constante sur toute la plage des ten- sions d'entrée. La présente invention vise plus particulièrement un tel amplificateur ayant un étage intermédiaire à cascode replié. La figure 1 représente un exemple d'amplificateur ayant toutes ces caractéristiques, tel que décrit dans IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 24, No. 6, décembre 1989, "1-V Operational Amplifier with Rail-to-Rail Input and Output Ranges". Il comprend deux étages différentiels d'entrée complé- mentaires. Le premier étage différentiel comprend deux transis- tors NPN Ql et Q2 dont les émetteurs sont reliés à un potentiel d'alimentation bas GND par un transistor NPN Q3 formant un tran- sistor de sortie d'un miroir de courant. Le deuxième étage différentiel comprend deux transistors PNP Q4 et Q5 dont les émetteurs sont reliés à un potentiel d'alimentation haut Vcc par l'intermédiaire d'une source de courant 10 fournissant un courant constant 211. Les bases des transistors Q1 et Q4 consti- tuent une première entrée D1 de l'amplificateur, et les bases des transistors Q2 et Q5 constituent une deuxième entrée D2 de l'amplificateur. La source de courant 10 est également reliée au poten- tiel GND par l'intermédiaire successivement d'un transistor de commutation PNP Q6 et d'un transistor NPN Q7 formant le transis- tor d'entrée du miroir de courant ayant le transistor Q3 commrne transistor de sortie. Les émetteurs des transistors Q3 et Q7 sont reliés au potentiel GND et les bases des transistors Q3 et Q7 sont reliées au collecteur du transistor Q7. Le transistor Q6 a son émetteur relié à la source de courant 10, son collecteur relié au collecteur du transistor Q7, et sa base reliée à une tension de commutation constante Vs. L'amplificateur de la figure 1 a deux plages princi- pales de fonctionnement. Dans une première plage, pour laquelle on a représenté les valeurs de courant dans la figure 1, la tension de mode commun d'entrée de l'amplificateur (la moyenne des tensions sur les entrées Dl et D2) est supérieure à la tension Vs. Le transistor Q6 est alors passant et dérive la totalité du courant 211 de la source 10 vers le transistor Q7. Ce courant 211 est recopié par le transistor Q3 dans l'étage différentiel Ql, Q2, ce qui établit le courant de repos de chaque branche de sortie de cet étage (les collecteurs des tran- sistors Q1 et Q2) à la valeur Il. L'étage Ql, Q2 est actif. Par contre, l'étage Q4, Q5 ne reçoit aucun courant de la source 10; il est inactif. Dans la deuxième plage, la tension de mode commun d'entrée est inférieure à la tension Vs. Le transistor Q6 se bloque et la totalité du courant de la source 10 est fournie à 1 'étage Q4, Q5 dont chaque branche de sortie s'établit à un courant Il. Par contre, l'étage Q1, Q2 ne reçoit aucun courant. L'étage Q4, Q5 est actif et l'étage Q1, Q2 inactif. Avec cette configuration, un seul étage à la fois est actif, quelle que soit la tension de mode commun d'entrée. Ceci permet d'assurer que la transconductance de l'amplificateur est toujours égale à celle d'un seul étage, c'est-à-dire qu'elle est constante. En pratique, les deux étages sont partiellement actifs dans une plage transitoire o la tension de mode commun d'entrée est voisine de la tension Vs. La constance de la transconduc- tance n'est pas affectée par cette plage transitoire. L'amplificateur de la figure 1 comprend un étage intermédiaire à cascode replié. On peut être tenté d'utiliser un tel étage car il présente l'avantage d'améliorer la rapidité et la stabilité de l'amplificateur par rapport à d'autres types d'étage de sortie. Cet étage à cascode replié comprend deux transistors cascode PNP Q8 et Q9 dont les bases sont polarisées par une même tension de référence Vb. Les émetteurs des transis- tors Q8 et Q9 sont reliés au potentiel Vcc par des résistances respectives 12 et 13 de même valeur, et sont également reliés respectivement aux collecteurs des transistors Q1 et Q2 (bran- ches de sortie de l'étage Q1, Q2). Les collecteurs des transis- tors Q8 et Q9 sont reliés respectivement aux collecteurs de deux transistors NPN Q10 et Qll. Les transistors Q10 et Qll sont respectivement un transistor d'entrée et un transistor de sortie d'un miroir de courant. Les bases des transistors Q10 et Qll sont reliées au collecteur du transistor Q10 et les émetteurs de ces transistors sont reliés au potentiel GND par des résistances respectives 15 et 16 de même valeur. La sortie de l'amplifica- teur est prélevée sur les collecteurs des transistors Q9 et Qll. Les émetteurs des transistors Q10 et Qll sont également reliés respectivement aux collecteurs des transistors Q4 et Q5 (branches de sortie de l'étage différentiel Q4, Q5). L'utilisation d'un étage de sortie à cascode replié dans un amplificateur à deux étages différentiels d'entrée complémentaires commutés, du type de la figure 1, présente l'inconvénient de détériorer la caractéristique de réjection de mode commun de l'amplificateur. Comme dans tout amplificateur imparfait, le signal de sortie de l'amplificateur de la figure 1 varie en fonction de la tension de mode commun d'entrée. Cette variation reste relativement faible dans chacune des plages de fonctionnement de l'amplificateur. Toutefois, au moiment de la commutation d'une plage à l'autre, le signal de sortie présente un saut qui est à l 'origine de la dégradation de la réjection de mode commun. Un objet de la présente invention est de réaliser un amplificateur du type de la figure 1 muni d'un circuit de compensation pour supprimer le saut présenté par le signal de sortie lorsque l'amplificateur passe d'une plage de fonction- nement à l'autre. Ces objets sont atteints grâce à un amplificateur comprenant deux étages différentiels d'entrée complémentaires; une première source de courant commutée en fonction de la tension d'entrée de l'amplificateur pour rendre actif l'un ou l'autre des étages d'entrée en établissant son courant de repos; et un étage à cascode replié ayant deux transistors cascode dont les courants sont déterminés par une tension de polarisation de ces transistors et diminués par les courants circulant dans les branches de sortie d'un premier des étages différentiels d'entrée. L'amplificateur comprend des moyens commutés en même temps que la première source de courant pour maintenir constant le courant dans les transistors cascode lorsque l'un des étages différentiels passe entre un état actif et un état inactif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un maintien à une valeur constante du courant des transistors cascode est assuré en modifiant la tension de polarisation de ces transistors cascode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les transistors cascode reliés à un potentiel d'alimentation par des premières résistances respectives de même valeur, et forment des transistors de sortie d'un premier miroir de courant. Les branches de sortie du premier étage différentiel sont reliées entre les transistors cascode et les premières résistances. Un transistor d'entrée du premier miroir de courant est relié audit potentiel d'alimentation par une deuxième résistance de même valeur que les premières, et reçoit un courant constant. Une deuxième source de courant est commutée pour injecter entre la deuxième résistance et le transistor d'entrée du premier miroir, lorsque le premier étage différentiel est actif, un courant égal au courant de repos de chaque branche de sortie du premier étage différentiel. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la deuxième source de courant est une première sortie d'un deuxième miroir de courant dont une deuxinème sortie établit le courant de repos du premier étage différentiel, et dont l'entrée est reliée à la première source de courant par un transistor de commutation en fonction de la tension d'entrée de l'amplifica- teur. La première source de courant est également reliée au deuxième étage différentiel d'entrée pour établir le courant de repos de ce deuxième étage différentiel. Ces objets, caractéristiques, avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particu- liers, faite à titre non-limitatif à l'aide des figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un exemple d'amplificateur à transconductance constante sur une grande plage d'excursion de mode commun, muni d'un étage de sortie à cascade replié; et la figure 2 représente un amplificateur du type de la figure 1 muni d'un mode de réalisation de circuit selon l'inven- tion pour améliorer la réjection de mode commun de l'amplifica- teur. La présente invention est basée sur 1 'analyse suivante du fonctionnement de 1 'amplificateur de la figure 1. La tension d'émetteur des transistors Q8 et Q9 est fixée à une valeur cons- tante par la tension de polarisation Vb. Ainsi, le courant dans chacune des résistances 12 et 13 est fixé à une valeur constante I2 que l'on choisit supérieure à la valeur Il du courant de repos dans chacune des branches de l'étage différentiel Q1, Q2. Lorsque l'étage différentiel Q1, Q2 est actif, ses branches prélèvent chacune un courant de repos Il sur les émet- teurs des transistors Q8 et Q9. Ainsi, les courants des transis- tors Q8 et Q9 s'établissent à la valeur I2-I1. L'étage Q4, Q5 étant inactif, ses branches de sortie n'injectent aucun courant sur les émetteurs des transistors Q10 et Qll. Les transistors Q10 et Qll se comnportent en miroir de courant et le courant du transistor Q10 est recopié dans le collecteur du transistor Qll. Toutefois, cette recopie n'est pas parfaite, car le courant I2-I1 arrivant sur le transistor Q10 est recopié avec un coeffi- cient de proportionnalité 1-e légèrement inférieur à 1, quelle que soit la qualité du miroir de courant employé. Par consé- quent, le courant de sortie de l'amplificateur présente un déca- lage de e(I2-I1l) par rapport à la valeur souhaitée. Lorsque l'étage Q4, Q5 est actif, ses branches injec- tent chacune un courant Il sur les émetteurs des transistors Q10 et Qll. Les branches de sortie de l'étage différentiel Q1, Q2 ne soutirent plus de courant sur les émetteurs des transistors Q8 et Q9 qui sont alors traversés chacun par un courant I2. Ce courant I2, arrivant sur le collecteur du transistor Q10, est recopié sur le collecteur du transistor Qll avec le coefficient de proportionnalité 1-e susmentionné. La sortie de l'amplifica- teur fournit alors un courant de décalage de valeur eI2 au lieu de e(I2-I1). Par conséquent, en passant d'une plage de fonctionne- ment à l'autre, le courant de décalage en sortie de l'amplifica- teur présente un saut de valeur eIl qui est loin d'être négli- geable et dégrade considérablement la réjection de mode commun de l'amplificateur. Ce saut, corrmme le montre la précédente analyse, est dû au fait que le courant des transistors Q8 et Q9 passe d'une valeur I2-Il à une valeur I2 lorsque l'on passe d'une plage de fonctionnement à l'autre. Pour éviter le saut du courant de sortie, la présente invention propose de maintenir constant le courant des transistors Q8 et Q9 sur l'ensemble des plages de fonctionnement de 1 'amplificateur. La figure 2 représente l'amplificateur de la figure 1 muni d'un mode de réalisation de circuit selon l'invention per- mettant d'obtenir cette constance de courant dans les transis- tors Q8 et Q9. Ce circuit est représenté dans un cadre en poin- tillés. Les transistors Q8 et Q9, plutôt que d'être polarisés par une tension constante Vp, constituent deux transistors de sortie d'un miroir de courant dont le transistor d'entrée est un transistor PNP Q12. Le transistor Q12 a sa base reliée à son collecteur et aux bases des transistors Q8 et Q9. L'émetteur du transistor Q12 est relié au potentiel Vcc par une résistance 18 de mêne valeur que les résistances 12 et 13. Le collecteur du transistor Q12 est relié au potentiel GND par une source de courant 20 de valeur constante I2-Il. Un transistor NPN Q13 constitue un deuxième transistor de sortie du miroir de courant Q3, Q7 et est relié en parallèle par sa base et son émetteur sur le transistor Q3. Le collecteur du transistor Q13 est relié à l'émetteur du transistor Q12. Comme cela est indiqué sur la figure 2 entre parenthéses, la taille des transistors Q3 et Q7 est deux fois supérieure à celle du transistor Q13. Ainsi, le courant de collecteur du transistor Q13 est la moitié de celui du transistor Q3. Dans la première plage de fonctionnement de l'amplifi- cateur, pour laquelle les valeurs des courants sont indiquées sur la figure 2, la totalité du courant 211 de la source 10 est fournie à l'étage différentiel Q1, Q2 par le transistor Q3, et la moitié de ce courant, I1, est prélevée sur l'émetteur du transistor Q12 par le transistor Q13. Ainsi, un courant I1 est prélevé sur chacun des émetteurs des transistors Q8, Q9 et Q12. Les transistors Q8, Q9 et Q12 se trouvent alors dans les mêmes conditions de fonctionnement et se comportent en miroir de courant; le courant de collecteur I2-Il du transistor Q12 est recopié dans les collecteurs des transistors Q8 et Q9. Dans la deuxième plage de fonctionnement, la totalité du courant 211 de la source 10 est fournie à l'étage différen- tiel Q4, Q5. Aucun courant n'est alors prélevé sur les émetteurs des transistors Q8, Q9 et Q12 par les branches de l'étage diffé- 5 rentiel Q1, Q2 et par le transistor Q13. Les transistors Q8, Q9 et Q12 se trouvent de nouveau dans les mêmes conditions de fonctionnement et se comportent en miroir de courant. Le courant de collecteur I2-I1 du transistor Q12 est toujours recopié dans les collecteurs des transistors Q8 et Q9.10 Les courants de collecteur des transistors Q8 et Q9 ne varient pas d'une plage de fonctionnement à l'autre, ce qui supprime le saut subi par le signal de décalage en sortie de l'amplificateur. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à 1 'homme du métier. Par exemple, si les transistors Q10 et Qll sont des transistors cascode polarisés par une tension fixe, et si les transistors Q8 et Q9 forment un miroir de courant, le saut en sortie de l'amplificateur peut être supprimé en injectant dans20 les résistances 15 et 16 une recopie du courant de collecteur du transistor Q13. REVENDICATIONS 1. Amplificateur comprenant: - deux étages différentiels d'entrée complémentaires (Q1, Q2; Q4, Q5); - une première source de courant (10) commutée en fonction de la tension d'entrée de l'amplificateur pour rendre actif l'un ou l'autre des étages d'entrée en établissant son courant de repos (211); - un étage à cascode replié ayant deux transistors cascode (Q8, Q9) dont les courants (I2) sont déterminés par une tension de polarisation (Vb) de ces transistors et diminués par les courants (Il) circulant dans les branches de sortie d'un premier (Ql, Q2) des étages différentiels d'entrée; caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (Q13, Q12) commutés en même temps que la première source de courant (10) pour maintenir constant le courant dans les transistors cascode lorsque l'un des étages différentiels passe entre un état actif et un état inactif. 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens assurent un maintien à une valeur constante du courant des transistors cascode (Q8, Q9) en modi- fiant la tension de polarisation (Vb) de ces transistors cas- code. 3. Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend: - les transistors cascode (Q8, Q9) reliés à un poten- tiel d'alimentation (Vcc) par des premières résistances respec- tives (12, 13) de même valeur, et formant des transistors de sortie d'un premier miroir de courant (Q12, Q8, Q9), les bran- ches de sortie du premier étage différentiel (Q1, Q2) étant reliées entre les transistors cascode et les premières résis- tances; - un transistor d'entrée (Q12) du premier miroir de courant, relié audit potentiel d'alimentation par une deuxième résistance (18) de même valeur que les premières, recevant un courant constant (I2-I1); et - une deuxième source de courant commutée (Q13) pour injecter entre la deuxième résistance (18) et le transistor d'entrée (Q12) du premier miroir, lorsque le premier étage différentiel est actif, un courant (Il) égal au courant de repos de chaque branche de sortie du premier étage différentiel. 4. Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième source de courant (Q13) est une première sortie d'un deuxième miroir de courant dont une deuxième sortie (Q3) établit le courant de repos du premier étage différentiel (Q1, Q2) et dont l'entrée (Q7) est reliée à la première source de courant (10) par un transistor (Q6) de commutation en fonc- tion de la tension d'entrée de 1' amplificateur, la première source de courant étant également reliée au deuxième étage différentiel d'entrée (Q4, Q5) pour établir le courant de repos de ce deuxième étage différentiel.