Brevet FR2757283A1 — publié le 19980619

REGULATEUR DE TENSION PARALIELE La présente invention concerne un régulateur de tension destiné à être connecté en parallèle à une charge pour maintenir une tension d'alimentation de la charge à une valeur prédéterminée même en cas de variation du courant appelé par la charge. L'invention concerne plus particulièrement un régulateur qui fournit une tension de référence indépendante de la température et générée par un circuit en technologie bipolaire utilisant la bande interdite du silicium. Les figures 1 et 2 représentent deux exemples classiques d'association d'un tel régulateur avec une charge. Le régulateur (REG) 1 comporte généralement deux bornes d'alimentation, respectivement positive K et négative A, et une borne Vref fournissant une tension de référence stable en température. Pour un régulateur de tension positive, la borne K est reliée à une borne d'alimentation V+ par l'intermédiaire d'une résistance R1 et la borne A est reliée à la masse. La charge (Q) 2 est reliée aux bornes K et A. La fonction du régulateur 1 est de faire varier le courant prélevé par le régulateur sur le noeud K pour maintenir la tension VKA constante lors de variations du courant appelé par la charge 2. Le courant I prélevé sur l'alimentation est sensi blement constant, seule sa répartition entre la charge 2 et le régulateur 1 se trouve modifiée. Dans 1' exemple de la figure 1, la borne Vref est reliée à la borne K, la charge 2 étant destinée à être alimentée sous une tension VKA correspondant à la tension Vref. Dans l'exemple de la figure 2, un pont diviseur résistif constitué de résistances R2, R3 montées en série entre les bornes K et A fixe, avec la résistance R1, un coefficient de proportionnalité entre la tension Vref et la tension VKA d'alimentation de la charge. Le point milieu de l'association des résistances R2, R3 est relié à la borne Vref du régulateur 1. Un problème qui se pose dans ce genre de régulateurs est lié à la plage de fonctionnement en courant du régulateur, c'est-à-dire la plage de courants dans laquelle le régulateur est capable de maintenir la tension VKA sensiblement constante. La figure 3 représente un exemple de schéma classique d'un régulateur 1 tel que représenté aux figures 1 et 2. Le régulateur 1 comporte un circuit 3 de génération de la tension de référence Vref compensée en température, un étage 5 de dérivation prélevant un courant Is sur la borne K et un étage différentiel 4 de régulation du courant Is en fonction du courant dans la charge (non représentée à la figure 3). Le circuit 3 est constitué d'un transistor NPN N1 monté en série avec trois résistances R4, R5, R6 entre les bornes K et A. Le collecteur du transistor N1 est relié à la borne K et sa base constitue la borne Vref. Le circuit 3 comporte également un étage différentiel constitué de deux transistors PNP P2, P3 dont les émetteurs sont reliés à la borne K par l'intermédiaire d'une source 6 de courant constant, et dont les collecteurs sont reliés à la borne A par l'intermédiaire de résistances de polarisation et de réglage de gain R7, R8, R9. Les bases respectives des transistors P2 et P3 sont reliées aux bornes de la résistance R5 qui constitue la résistance intermédiaire de l'association en série des résistances R4, R5 et R6 entre l'émetteur du transistor N1 et la borne A. Le fonctionnement du circuit 3 est parfaitement connu. La différence Avbe entre les tensions base-émetteur Vbe2 et Vbe3 respectives des transistors P2 et P3 est directement proportionnelle à la température. La tension aux bornes de l'association en série des résistances R1, R2 et R3 (donc la tension entre l'émetteur du transistor N1 et la borne A) est également proportionnelle à la température. Par contre, la tension base-émetteur Vbel du transistor N1 est inversement proportionnelle à la température. Ainsi, la tension Vref est stable en température. Les collecteurs des transistors P2 et P3 sont reliés aux bases respectives de deux transistors PNP P4 et P5 de l'étage 4. Les émetteurs des transistors P4 et P5 sont reliés à la borne K par l'intermédiaire d'une source 7 de courant constant. Les collecteurs des transistors P4 et P5 sont reliés aux collecteurs respectifs de transistors NPN N6 et N7 dont les émetteurs sont connectés à la borne A et dont les bases sont reliées au collecteur du transistor N6. Le collecteur du transistor N7 constitue une sortie de l'étage 4 qui délivre un courant I5 de commande d'un transistor NPN N8 de l'étage 5. Le collecteur du transistor N8 est relié, le cas échéant par l'intermédiaire d'un montage Darlington constituant un amplificateur 8 de courant, à la base d'un transistor NPN N9 constituant un transistor de dérivation monté entre les bornes K et A. Les émetteurs des transistors N8 et N9 sont connectés à la borne A. Le coefficient amplificateur (-X) apporté par le montage Darlington 8 a été indiqué comme négatif pour symboliser l'inversion de sens de courant entre le courant de base du transistor N9 et le courant de collecteur du transistor N8. En supposant que le courant appelé par la charge diminue, le courant I (figures 1 et 2) arrivant sur la borne K a tendance à diminuer. Il en découle que la tension VKA, donc la tension Vref a tendance à augmenter. Cela conduit à la circulation d'un courant dans la base du transistor N1 et à la circulation d'un courant It à travers la résistance R5. La différence de tension Vbe entre les bases des transistors P3 et P2 devient posi tive. Le déséquilibre des courants de collecteur des transistors P3 et P2 engendre une différence de tension AV positive entre les bases des transistors P5 et P4, ce qui provoque une augmentation du courant I5 et, par ce biais, une augmentation du courant Is qui rééquilibre le courant I total prélevé sur la borne K pour compenser la baisse d'appel de courant dans la charge. Pour que la tension Vref soit maintenue constante, il faut que le déséquilibre des courants des collecteurs des transistors P2 et P3 soit le plus faible possible. Cela nécessite que la valeur AV soit la plus faible possible, c'est-à-dire que le courant I5 de base du transistor N8 reste négligeable par rapport au courant I7 de la source de courant 7 dans la plage de variations du courant Is. En effet, plus le rapport entre le courant I5 et le courant I7 est élevé (plus précisément, le rapport entre le courant I5 et la moitié du courant I7 en raison de son partage entre les deux branches de l'étage 4), plus la valeur AV conduit à un déséquilibre important entre les courants de base des transistors P2 et P3 et plus la tension Vref dérive. La plage de fonctionnement du régulateur est donc liée à la plage de courant Is dans laquelle le courant de base I5 du transistor N8 reste faible devant le courant I7. Le rôle du montage amplificateur 8 est précisément d'apporter un facteur de gain entre le courant I5 et le courant de base Ib9 du transistor N9. Le gain du montage, lié au nombre d'étages Darlington qu'il comporte, doit cependant rester limité pour ne pas engendrer un problème de stabilité de la boucle de régulation par un gain trop important. A titre d'exemple particulier, la variation de la tension Vref d'un régulateur tel que représenté à la figure 3, dimensionné pour une consommation intrinsèque (c'est-à-dire sans tenir compte du courant Is de dérivation) d'environ 50 pA, est d'environ 330 V par milliampères de variation du courant Is. Le courant Is maximal de fonctionnement d'un tel régulateur, pour maintenir la tension de référence Vref au centivolt près, est alors de l'ordre de 15 mA. Une solution classique pour augmenter la plage de courant dans laquelle le régulateur maintient la tension Vref est d'augmenter la taille de transistors constitutifs de la source de courant 7, afin d'augmenter, de façon permanente, le courant I4 d'alimentation de l'étage de régulation 4 et, par ce biais, les courants des collecteurs des transistors P4 et P5. Un inconvénient d'une telle solution est qu'elle augmente la consommation intrinsèque du régulateur. Il en découle que, si la limite supérieure de la plage de fonctionnement en courant est plus élevée, le courant minimal de fonctionnement du régulateur est également plus élevé. Plus généralement, les problèmes exposés ci-dessus se posent pour tout étage différentiel à sortie non différentielle, monté en sortie d'un amplificateur différentiel. La présente invention vise à proposer un nouveau régulateur parallèle ayant une plage de fonctionnement en courant plus étendue tout en maintenant la tension de référence sensiblement constante. L'invention vise également à proposer un régulateur de faible consommation intrinsèque. L'invention vise également à maintenir la boucle de régulation stable. L'invention vise en outre à proposer une nouvelle structure d'étage à entrées différentielles et à sortie nondifférentielle. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un régulateur de tension destiné à être connecté en parallèle à une charge, comportant un moyen pour générer une tension de référence stable en température ; un moyen commandable propre à dériver une partie d'un courant destiné à la charge ; un moyen pour réguler le courant dérivé en fonction du courant absorbé par la charge cet et un moyen pour asservir un courant d'alimentation du moyen de régulation sur le courant dérivé par le moyen de dérivation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen d'asservissement comporte un moyen pour recopier un courant de commande du moyen de dérivation pour réinjecter le courant reproduit, affecté d'un facteur positif, sur le courant d'alimentation du moyen de régulation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de reproduction est constitué d'un premier transistor bipolaire monté en miroir de courant sur un transistor d'entrée du moyen de dérivation recevant le courant de commande. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de régulation est constitué d'un étage différentiel sur une branche duquel est prélevé le courant de commande du moyen de dérivation, l'étage différentiel étant alimenté par une source de courant constant, un courant de correction proportionnel au courant de commande étant ajouté au courant constant délivré par la source de courant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de réinjection est constitué d'un deuxième transistor bipolaire, monté en diode et en série avec le premier transistor, et d'un troisième transistor bipolaire, monté en miroir de courant sur le deuxième transistor et en parallèle sur la source de courant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le miroir de courant constitutif du moyen de réinjection présente un facteur supérieur ou égal à l'unité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de génération de la tension de référence comporte un étage différentiel, dont une sortie constitue une entrée différentielle du moyen de régulation et dont une entrée différentielle reçoit une tension proportionnelle à une variation de la tension de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de dérivation comporte un transistor de dérivation monté en parallèle sur la charge, ce transistor étant commandé par un montage amplificateur du courant de commande délivré par le moyen de régulation. la présente invention prévoit aussi un étage différentiel recevant en entrée une tension différentielle de commande et délivrant un courant de sortie prélevé sur une branche de l'étage différentiel, et comportant un moyen pour asservir un courant d'alimentation de l'étage différentiel sur le courant de sortie de cet étage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étage différentiel est associé à une source de courant constant d'alimentation, et le moyen d'asservissement comporte un moyen pour ajouter un courant de correction au courant délivré par la source de courant, le courant de correction étant obtenu par reproduction et amplification du courant de sortie de l'étage différentiel. 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 1 à 3 décrites précédemment sont destinées à exposer l'état de la technique et le problème posé la figure 4 représente, sous forme de schéma-bloc, un mode de réalisation d'un régulateur parallèle selon la présente invention ; et la figure 5 représente, de façon plus détaillée, le schéma électrique du régulateur représenté à la figure 4. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. Une caractéristique de la présente invention est d'asservir les courants circulants dans les branches d'un étage différentiel sur le courant de sortie de cet étage. Pour ce faire, l'invention prévoit d'asservir le courant d'alimentation d'un étage différentiel sur le courant de sortie non-différentiel de cet étage. La figure 4 représente, sous forme de schéma-bloc, un mode de réalisation d'un régulateur de tension selon la présente invention, destiné à être monté en parallèle sur une charge (non représentée). Comma précédemment, le régulateur 10 comprend deux bornes d'alimentation, respectivement positive K et négative A, et une borne Vref fournissant une tension de référence. Le régulateur selon l'invention est destiné à être associé à une charge de la même manière qu'un régulateur classique tel que représenté aux figures 1 et 2. Le régulateur comporte, comne un régulateur classique, un circuit (REF) 3, associé à une source de courant 6 et délivrant une tension de référence Vref stable en température, un étage différentiel de régulation (DIFF) 4 associé à une source de courant 7, et un étage (DERIV) 5 de dérivation d'une partie du courant, fourni sur la borne K et destiné à une charge connectée entre les bornes K et A. Selon la présente invention, le régulateur 10 comporte en outre un circuit (ASSERV) 11 destiné à asservir un courant I4 d'alimentation de l'étage de régulation 4 sur un courant I5, fourni par cet étage 4 pour commander l'étage de dérivation 5. Selon l'invention, le circuit 11 recopie le courant I5, l'amplifie, et ajoute un courant de correction Icorr au courant I7 délivré par la source de courant constant 7 pour asservir le courant I4 sur le courant I5. Un avantage de la présente invention est que sa mise en oeuvre ne nécessite pas d'augmenter la taille de la source de courant 7 et n'engendre donc pas d'augmentation de la consommation intrinsèque du régulateur. Ainsi, la limite inférieure de fonctionnement en courant du régulateur selon l'invention n'est sensiblement pas modifiée par l'adjonction du circuit 11. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle n'intervient pas sur la boucle de régulation de la tension Vref. Ainsi, l'invention permet d'augmenter la plage de fonctionnement du régulateur tout en maintenant stable la boucle de régulation. La figure 5 représente un schéma électrique détaillé d'un régulateur de tension représenté à la figure 4. Les étages 3, 4 et 5 sont similaires à ceux d'un régulateur classique tel que représenté à la figure 3. Selon l'invention, le circuit 11 d'asservissement du courant I4 de l'étage de régulation 4 est constitué d'un transistor NPN N10 monté en miroir de courant sur le transistor N8 d'entrée de l'étage de dérivation. L'émetteur du transistor N10 est connecté à la borne A et sa base est reliée à la base du transistor N8. Le collecteur du transistor N10 est relié au collecteur d'un transistor PNP P11, monté en diode et dont l'émetteur est connecté à la borne K. Un transistor PNP P12 est monté en miroir de courant sur le transistor P11. L'émetteur du transistor P12 est connecté à la borne K et son collecteur fournit le courant de correction Icorr en étant relié aux émetteurs des transistors P4 et P5 de l'étage 4. Lorsque le courant I5 de la base du transistor N8 varie, cette variation est amplifiée, au moins par le gain du transistor P12 pour faire varier, de façon proportionnelle, le courant de correction Icorr. Le cas échéant, le rapport entre les surfaces respectives S12 et S11 des transistors P12 et P11 peut être supérieur à 1 pour augmenter le facteur de proportionnalité entre le courant Icorr et le courant 15. Les courants d'émetteur des transistors P4 et P5 correspondent donc au courant I7 majoré du courant Icorr qui est proportionnel au courant I5 avec un facteur de proportionnalité positif et élevé qui correspond, au minimum, au gain d'un transistor bipolaire. Par conséquent, le courant I5 est rendu en permanence négligeable devant les courants des collecteurs des transistors P4 et P5, ce qui maintient la différence de tension AV entre les bases des transistors P4 et P5 sensiblement nulle. Ainsi, la tension Vref est maintenue sensiblement constante, les courants de collecteur des transistors P2 et P3 de l'étage différentiel du circuit 3 étant sensiblement équilibrés. Selon la présente invention, la taille des transistors P4 et P5 est fonction de la plage de fonctionnement en courant choisie pour le régulateur. Par contre, la taille de la source de courant 7 n'est pas modifiée par rapport à un circuit classique de sorte que la consommation minimale intrinsèque du régulateur est faible. On notera que l'adjonction des transistors P11 et P12 n'augmente pas la consommation minimale du régulateur (même si la taille du transistor P12 est plus importante que celle du transistor P11 pour un facteur de miroir supérieur à 1), car le courant prélevé par les transistors P11 et P12 sur la borne K dépend de l'importance du courant de dérivation Is prélevé. La réalisation pratique d'un montage amplificateur 8 est à la portée de l'home de l'art en utilisant un montage Darlington de transistors bipolaires. De même, la réalisation pratique des sources de courant 6 et 7 est à la portée de l'homme de l'art. On pourra, par exemple, utiliser des transistors bipolaires montés en miroir de courant. On notera que si les sources de courant 6 et 7 ont été représentées comne des sources communes pour une paire de transistors, respectivement P2, P3 et P4, P5, chaque branche d'un étage différentiel pourra être associée à un transistor bipolaire constituant sa source de courant. En comparant les résultats obtenus au moyen d'un régulateur selon l'invention tel que représenté à la figure 5 par rapport aux résultats obtenus avec un régulateur classique tel que représenté à la figure 3, et en supposant que des composants identiques sont utilisés à l'exception des transistors P4 et P5 qui sont de taille plus importante dans le régulateur de la présente invention, la variation de la tension Vref devient d'environ 30 v par milliampère de variation du courant Is. On peut donc augmenter la limite supérieure de la plage de fonctionnement en courant et/ou réduire la consommation du régulateur, c'est-à-dire abaisser la limite de fonctionnement inférieure du régulateur. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'hotmie de l'art. En particulier, bien que l'invention ait été décrite cidessus en relation avec une application à un régulateur de tension destiné à être connecté en parallèle à une charge, l'invention s'applique, de façon plus générale, à tout étage différentiel à sortie non-différentielle, monté en sortie d'un amplificateur différentiel. De plus, le dimensionnement des composants du régulateur selon l'invention dépend de l'application à laquelle il est destiné, et en particulier de la plage de fonctionnement souhaitée. En outre, bien que l'on ait fait référence dans la description qui précède à un régulateur de tension positive, l'invention s'applique également à un régulateur de tension négative. REVENDICATIOWS 1. Régulateur (10) de tension destiné à être connecté en parallèle à une charge (2), comportant un moyen (3) pour générer une tension de référence (Vref) stable en température un moyen (5) commandable propre à dériver une partie (Is) d'un courant destiné à la charge ; et un moyen (4) pour réguler le courant dérivé en fonction du courant absorbé par la charge, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (11) pour asservir un courant (I4) d'alimentation du moyen de régulation (4) sur le courant (Is) dérivé par le moyen de dérivation (5). 2. Régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'asservissement (11) comporte un moyen (N10) pour recopier un courant (I5) de commande du moyen de dérivation (5) ; et un moyen (P11, P12) pour réinjecter le courant reproduit, affecté d'un facteur positif, sur le courant (I4) d'alimentation du moyen de régulation (4). 3. Régulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de reproduction est constitué d'un premier transistor bipolaire (N10) monté en miroir de courant sur un transistor d'entrée (N8) du moyen de dérivation (5) recevant le courant de commande (I5). 4. Régulateur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le moyen de régulation (4) est constitué d'un étage différentiel (P4, P5, N6, N7) sur une branche (P5, N7) duquel est prélevé le courant (I5) de commande du moyen de dérivation (5), l'étage différentiel étant alimenté par une source (7) de courant constant (I7), caractérisé en ce qu'un courant de correction (Icorr) proportionnel au courant de commande est ajouté au courant (I7) constant délivré par la source de courant (7). 5. Régulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de réinjection est constitué d'un deuxième tran sistor bipolaire (P11), monté en diode et en série avec le premier transistor (N10), et d'un troisième transistor bipolaire (P12), monté en miroir de courant sur le deuxième transistor et en parallèle sur la source de courant (7). 6. Régulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le miroir de courant (P11, P12) constitutif du moyen de réinjection présente un facteur supérieur ou égal à l'unité. 7. Régulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le moyen (3) de génération de la tension de référence (Vref) comporte un étage différentiel (P2, P3), dont une sortie constitue une entrée différentielle (AV) du moyen de régulation (4) et dont une entrée différentielle reçoit une tension (AVbe) proportionnelle à une variation de la tension de référence. 8. Régulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le moyen de dérivation (5) comporte un transistor de dérivation (N9) monté en parallèle sur la charge (2), ce transistor étant commandé par un montage (8) amplificateur du courant de commande (I5) délivré par le moyen de régulation (4). 9. Étage différentiel (4) recevant en entrée une tension différentielle (AV) de commande et délivrant un courant (I5) de sortie prélevé sur une branche (P5, N7) de l'étage différentiel (4), caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (11) pour asservir un courant d'alimentation (I4) de l'étage différentiel sur le courant de sortie de cet étage. 10. Étage différentiel selon la revendication 9, associé à une source (7) de courant constant (I7) d'alimentation, caractérisé en ce que le moyen d'asservissement (11) comporte un moyen (P11, P12) pour ajouter un courant (Icorr) de correction au courant délivré par la source de courant, le courant de correction (Icorr) étant obtenu par reproduction (N10) et amplification du courant de sortie (I5) de l'étage différentiel (4).