Brevet FR2744860A1 — publié le 19970814

AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE A LIMITATICN DE TENSION SURELEVEE La présente invention concerne un amplificateur de puissance du type comportant un condensateur élévateur. Un tel condensateur est communément désigné par son appellation anglo- saxonne "Bootstrap". On utilise un condensateur élévateur, en particulier dans un amplificateur audio, pour forcer la pleine conduction du transistor supérieur de l'étage de sortie de l'amplificateur afin de délivrer une puissance maximum à la charge avec une moindre dissipation d'énergie dans l'amplificateur. L'invention concerne plus particulièrement un circuit de limitation de la tension surélevée pour empêcher que cette tension atteigne la tension de claquage de transistors de l'étage de sortie. La figure LA représente partiellement un étage de sortie à tension surélevée d'un amplificateur classique. L'amplificateur 1 comporte une borne d'alimentation positive 2 et une borne d'alimentation négative 3 qui sont respectivement connectées à une ligne d'alimentation positive +Vcc et à une ligne d'alimentation négative -Vcc (ou la masse). L'étage de sortie est constitué d'un transistor supérieur M1 et d'un transistor inférieur M2, par exemple des transistors MOS à canal N, montés en série entre les bornes 2 et 3. La grille du transistor Ml est connectée par l'intermédiaire d'une source de courant 4 à une borne 5 d'application d'une tension surélevée. La source du transistor Ml, reliée au drain du transistor M2, constitue la borne de sortie 6 de l'amplificateur 1. La grille du transistor Ml est reliée à la ligne d'alimentation - Vcc par une connexion série de deux transistors MOS à canal N M3 et M4. Le transistor M3 est connecté en diode et le transitor M4 est commandé par la tension de commande Vin de l'étage de sortie. La grille du transistor M2 est reliée à la sortie d'un amplificateur opérationnel 7. L'entrée inverseuse de l'amplificateur 7 est reliée à la borne 6, et l'entrée non- inverseuse est reliée au noeud N entre les transistors M3 et M4. Avec cette configuration, l'amplificateur 7 commande le transistor M2 de manière que la tension sur la borne 6 est égale à la tension sur le noeud N. Les transistors Ml et M3 agissent en miroir de courant, le transistor Ml recopiant le courant de la source 4 avec un facteur d'amplification dépendant des rapports W/L des transistors Ml et M3. Un condensateur élévateur C externe et de valeur importante est relié entre les bornes 5 et 6. Ce condensateur élévateur C sert à fournir au transistor supérieur Ml une tension de grille Vg suffisante pour que la tension de sortie puisse atteindre la tension d'alimentation +Vcc, quelles que soient les conditions de charge de la sortie. La borne 5 est reliée à la ligne +Vcc par une diode D1 et un transistor NPN Q1. La base du transistor Q1 est reliée à la ligne +Vcc par une source de courant 8 et à la borne 6 par une diode zener DZ1. La figure lB illustre le fonctionnement de l'étage de sortie à tension surélevée de la figure lA. La tension de sortie, sur la borne 6, est représentée à son excursion maximale, c'est- à-dire qu'elle varie entre les deux tensions d'alimentation -Vcc et +Vcc. Lorsque la tension de sortie 6 atteint sa valeur inférieure -Vcc (le transistor Ml est bloqué et le transistor M2 est conducteur), le condensateur C se charge sensiblement jusqu'à la tension zener Vzl de la diode DZ1 par la diode Dl et les transistors Q1 et M2. La tension zener Vzl, qui correspond sensiblement à la tension grille-source maximale du transistor Ml, est choisie de manière que le transistor Ml soit commandé de manière convenable dans des conditions de pleine charge. Lorsque la tension de sortie 6 atteint sa valeur maximale +Vcc (le transistor Ml est conducteur et le transistor M2 est bloqué), la tension surélevée 5 est égale à la tension de sortie (+Vcc), augmentée de la tension aux bornes du condensateur C. Puisque le condensateur C, de valeur importante, se décharge peu, la tension surélevée 5 atteint une valeur sensiblement égale à +Vcc + Vzl. Comme cela est représenté par des zones hachurées, la tension de grille Vg du transistor Ml varie entre la tension de sortie 6 et la tension surélevée 5, en fonction des conditions de charge. Par exemple, dans des conditions de pleine charge, la tension de grille Vg peut être supérieure de 10 volts à la tension de sortie, alors que, dans des conditions de faible charge, la tension de grille Vg peut être supérieure de 2 volts seulement. Dans cet exemple, la tension zener Vzl serait choisie supérieure à 10 volts. Un problème d'un tel étage de sortie survient dans des applications o la tension d'alimentation n'est pas régulée. La tension d'alimentation peut alors atteindre, de manière imprévisible, une valeur proche de la tension de claquage des composants de l'amplificateur. Même si la tension d'alimentation est encore à une valeur acceptable, la tension de grille Vg du transistor Ml dépassera la tension d'alimentation et provoquera la destruction de composants, par exemple du transistor M4. Par conséquent, une importante marge de sécurité doit être prise pour la tension d'alimentation, ce qui entraîne une perte de puissance de l'amplificateur. La figure 2 représente une solution classique pour réduire la marge de sécurité de la tension d'alimentation. Tous les éléments de la figure LA, excepté le condensateur C, sont intégrés sur la même puce 1. Un circuit externe 9 est utilisé pour limiter la ten- sion appliquée à la borne 5. Le condensateur C n'est plus relié à la borne 5. Au lieu de cela, il est relié à la ligne d'alimenta- tion +Vcc par une diode D2. La tension de la borne 5 est fixée par l'émetteur d'un transistor bipolaire T dont le collecteur est relié à un point A de liaison entre le condensateur C et la diode D2. La base du transistor T est reliée à la ligne -Vcc par l'intermédiaire d'une diode Zener DZ2 et au collecteur du transistor T par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R. Avec cette configuration, lorsque la tension sur le noeud A dépasse la tension zener Vz2 de la diode DZ2, le transis- tor T limite la tension sur la borne 5 à la tension zener Vz2. La tension de grille Vg du transistor Ml sera par conséquent tou- jours inférieure à la tension zener Vz2. La tension zener Vz2 est de préférence choisie proche de la tension de claquage du cir- cuit, de manière à obtenir une puissance maximale à la sortie de l'amplificateur. Toutefois, la tension zener Vz2 varie en fonction des étapes technologiques de fabrication et de la température. Ceci rend difficile de maîtriser avec précision la tension surélevée maximale, d'o il résulte qu'une marge de sécurité est toujours nécessaire pour la tension d'alimentation. Cette marge de sécu- rité est toutefois inférieure à celle qui était nécessaire dans le circuit de la figure LA. Un autre inconvénient du circuit de la figure 2 est que le condensateur élévateur C est pratiquement directement relié à la ligne d'alimentation +Vcc, ce qui provoque du bruit de claquement sur la borne 6 au moment de la mise sous tension. Dans la configuration de la figure LA, diverses mesures peuvent être prises pour supprimer le bruit de claquement (par exemple, en abaissant la tension de base du transistor Q1 au moment de la mise sous tension), mais ces mesures sont vaines dans la configuration de la figure 2. Un objet de la présente invention est de prévoir un étage d'amplificateur à tension surélevée qui permette de réduire la marge de sécurité pour la tension d'alimentation. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel étage d'amplificateur, dans lequel le bruit de claquement peut être supprimé. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un étage de sortie d'un amplificateur comportant un transistor de sortie relié à une tension d'alimentation haute et une borne de tension surélevée reliée à une borne de commiande du transistor de sortie par des moyens de commande, l'étage comprenant un condensateur disposé entre la borne de tension surélevée et la sortie de l'étage pour élever la tension sur la borne de tension surélevée au-dessus de la tension d'alimentation, et des moyens pour limiter la tension sur la borne de tension surélevée à un seuil prédéterminé. Les moyens de limitation agissent directement sur la borne de commande du transistor de sortie pour réduire la conductivité du transistor de sortie quand la tension sur la borne de tension surélevée dépasse le seuil. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de limitation de la tension sur la borne de tension surélevée comprennent un pont diviseur relié entre la borne de tension surélevée et une tension d'alimentation basse, et un transistor commandé par la sortie du pont diviseur et relié entre la borne de commande du transistor de sortie et la tension d'alimentation basse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le transistor commandé par la sortie du pont diviseur est relié à la tension d'alimentation basse par une source de tension de référence. 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 à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures lA à 2 qui ont été décrites précédemment sont destinées à exposer l'état de la technique et le problème posé; et la figure 3 représente partiellement un mode de réalisation d'un amplificateur pourvu d'un circuit de limitation selon la présente invention. Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. De même, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures. Selon la présente invention, dans un amplificateur à tension surélevée, la tension entre la borne d'application de la tension surélevée et la borne d'alimentation négative est détectée pour limiter la tension de commande du transistor de sortie supérieur. Cette solution est illustrée dans la figure 3 qui représente un mode de réalisation d'un amplificateur de puissance associé à un circuit de limitation selon la présente invention. A la figure 3, seul l'étage de sortie de l'amplificateur opérationnel a été représenté. Cet étage de sortie est similaire à celui de la figure 1A. Une caractéristique de la présente invention est que la grille du transistor supérieur Ml est associée à un montage limiteur 10 constitué d'un transistor bipolaire Q2, d'une source 11 de tension de référence Vref, et d'un pont diviseur comprenant deux résistances Ri et R2 reliées en série entre la borne de tension surélevée 5 et la borne d'alimentation négative 3. Le collecteur du transistor Q2 est relié à la grille du transistor Ml tandis que son émetteur est relié, par l'intermédiaire de la source 11, à la borne 3. La base du transistor Q2 est reliée au point milieu du pont diviseur Ri, R2. Ainsi, la tension surélevée sur la borne 5 est comparée continûment par le pont diviseur Ri, R2 à la tension de référence constante Vref fournie par la source 11. Dès que la tension surélevée dépasse un seuil fixé par la tension Vref et le pont diviseur, le transistor Q2 devient conducteur et la tension de grille Vg du transistor Ml décroît en provoquant une diminution de la tension sur la borne 6, et donc de la tension surélevée sur la borne 5. La tension surélevée décroît jusqu'à ce que le transistor Q2 se bloque de nouveau. Par conséquent, la tension de grille Vg du transistor Mi est régulée à une valeur telle que la tension surélevée reste égale au seuil fixé par la tension de référence Vref et le pont diviseur Ri, R2. Ce seuil, égal à la tension Vref divisée par le rapport du pont Ri, R2, est fixé à la valeur souhaitée par un choix convenable des valeurs des résistances Ri, R2, selon la tension Vref. La source de tension de référence 11 sera précise et compensée en température pour que la régulation de la tension surélevée soit particulièrement efficace, d'o il résultera que la marge de sécurité pour la tension d'alimentation pourra être réduite. Il est possible, dans l'invention, d'utiliser une source de référence précise, telle qu'une source de type "band-gap", parce que la tension de référence Vref peut avoir une valeur basse quelconque. Dans le circuit limiteur selon l'invention, le condensateur élévateur C est connecté comme dans la figure 1A, d'o il résulte que toute mesure classique peut être prise pour réduire le bruit de claquement à la mise sous tension. Lorsque la tension surélevée est inférieure à sa valeur seuil, le transistor Q2 est bloqué. Ainsi, la consommation du circuit limiteur 10 selon l'invention est avantageusement limitée aux intervalles de temps o le circuit limiteur est actif. De préférence, le montage 10 est intégré avec l'amplificateur. Ainsi, seul le condensateur C est un composant discret. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, chacun des composants décrits pourra être remplacé par un ou plusieurs éléments remplissant la même fonction. De plus, la détermination des valeurs des résistances, du condensateur ainsi que le choix des composants (transistor, source de courant et de tension) sont à la portée de l'homme de l'art en fonction des caractéristiques de fonctionnement souhaitées. REVENDICATIONS 1. Etage de sortie d'un amplificateur (1) comportant un transistor de sortie (Ml) relié à une tension d'alimentation haute (+Vcc) et une borne de tension surélevée (5) reliée à une borne de commande (Vg) du transistor de sortie par des moyens de commande (4), l'étage comprenant un condensateur (C) disposé entre la borne de tension surélevée et la sortie (6) de l'étage pour élever la tension sur la borne de tension surélevée au- dessus de la tension d'alimentation, et des moyens pour limiter la tension sur la borne de tension surélevée à un seuil prédéterminé, caractérisé en ce que les moyens de limitation (10) agissent directement sur la borne de commande du transistor de sortie pour réduire la conductivité du transistor de sortie quand la tension sur la borne de tension surélevée dépasse le seuil. 2. Etage de sortie d'amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de limitation (10) de la tension sur la borne de tension surélevée (5) comprennent: un pont diviseur (Rl, R2) relié entre la borne de tension surélevée et une tension d'alimentation basse (-Vcc), et un transistor (Q2) commandé par la sortie du pont diviseur et relié entre la borne de commande du transistor de sortie (M1) et la tension d'alimentation basse. 3. Etage de sortie d'amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit transistor (Q2) commandé par la sortie du pont diviseur (Rl, R2) est relié à la tension d'alimentation basse par une source (11) de tension de référence (Vref).