Brevet FR2809833A1 — publié le 20011207

SOURCE DE COURANT A FAIBLE DEPENDANCE EN TEMPERATURE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne une source de courant avec un coefficient de dépendance temperature réduit. On entend par coefficient de dépendance temperature, un paramètre qui, pour un dispositif électronique, relie les variations de caractéristiques de sortie, en l'occurrence le courant de sortie, aux variations de sa température fonctionnement. La température de fonctionnement peut être influencée notamment par la température ambiante. Le coefficient de dépendance en température peut être défini aussi bien pour un dispositif pris dans son ensemble, aue pour ses parties constitutives. L'invention trouve des applications, par exemple, dans la fabrication de circuits électroniques intégrés ou parties de circuit comportant une source courant. En particulier, l'invention vise la fabrication circuits intégrés ou de composants nécessitant une source de courant très peu sensible aux variations de la température, tels que les oscillateurs par exemple. Les oscillateurs peuvent équiper notamment des émetteurs /récepteurs portables, alimentés par pile ou par batterie, et susceptiblés d'être utilisés à des températures très variables. Etat de la technique antérieure Une première possibilité de réalisation d'une source de courant à faible dépendance en température est illustrée sommairement par la figure 1 annexée. La source de courant de la figure 1 comprend une source de courant 10 dite de référence, un générateur de tension de référence 16 de type "bandgap", recevant un courant de référence depuis la source de courant de référence, et un transconducteur 18 pour transformer la tension de référence générateur 16 en un courant de sortie. La source de courant 10 présente deux branches 12, 14. Ces branches fixent un courant de référence qui est copié vers le générateur de tension de référence 16 par un double miroir de courant cascodé 20. Le générateur tension de référence 16 comprend une résistance 22, série avec un transistor 24 bipolaire (PNP). La base de ce transistor est reliée au collecteur et à borne 26 à un potentiel de référence (masse par exemple). Son émetteur est relié à la résistance 22. tension Vpa du générateur 16, mesurée entre une borne 25 et la borne 26 peut être exprimée sous la forme = VEB + RjI. Dans cette expression, VEE est la tension émetteur- base du transistor 2 , R1 la valeur de la résistance 22 et I la valeur du courant copié par le miroir 20 depuis la source de courant de référence vers le générateur de tension de référence 16. transducteur 18 est formé d'un amplificateur 27 et d'un transistor 28 de type MOS (Metal-Oxyde-Semi conducteur). Il délivre dans une résistance charge 29, de valeur R2, un courant Iout tel que Iout = Vbg/R2. Or, pour un transistor bipolaire tel que le transistor 24, la tension base-émetteur une fonction négative de la température (coefficient de dépendance en température négatif). En revanche, les valeurs R- et R2 des résistances ohmiques 22, , de même le courant I copié depuis le générateur de référence 10, évoluent positivement avec la température. somme des termes VEB et RII effectuée avec un choix approprié notamment des valeurs de R1 de I permet d'obtenir à la borne 26 un générateur de tension de reférence avec un coefficient de dépendance en température susceptible de compenser les dérives en température de la résistance de charge 29, et du transconducteur 18. Ainsi, le courant de sortie I,Ut peut être rendu quasiment insensible à la température. Une description plus complète d'une source de tension conforme à la figure 1 peut être trouvee dans le document (1) dont les références sont précisées à la fin du texte. Une source de courant conforme à la figure 1 a l'avantage d'une très bonne stabilité en température. Elle inclut cependant un nombre de composants élevé et présente une forte consommation en énergie électrique. Ces caractéristiques ne sont compatibles ni avec les impératifs d'une intégration de la source de courant dans un circuit intégré de grande densité, ni avec ceux d'une réduction de son coût. En effet, la surface puce requise pour l'intégration de la source de courant est trop importante. Une autre source, avec un plus faible nombre composants, peut être réalisée conformément au schéma de la figure 2 annexée. La source de courant de la figure 2 combine deux sources de courant individuelles présentant des comportements thermiques opposés. La première source individuelle, repérée avec la référence 30, est une source de courant à deux branches, couplées par un miroir de courant. Une telle source est connue en soi et délivre un courant dont l'intensité varie proportionnellement à la température. Plus précisément, l'intensité du courant Ia est telle que Dans ces expressions, k, T, q, Ra, S1 et S2 désignent respectivement, la constante de Bolzmann, la température, la charge de l'électron, la valeur d'une résistance 34 de fixation du courant de 1a source, et les surfaces d'émetteurs de transistors bipolaires 31, 32, 33 et 35 se trouvant respectivement dans deux branches de la source. Le terme OVBE représente une grandeur telle que OVBE= (VBE33+VBE32) - (VBE34+VBE31) , où VBE33, VBE32, VBE34 et VBE31 indiquent respectivement les tensions base-émetteur des transistors mentionnés ci-dessus. La deuxième source individuelle, repérée avec la référence 40 comprend simplement un transistor bipolaire 42 en série avec une résistance 44 de fixation de courant, de valeur Rb. Elle est connectée en parallèle à la première source de courant 30. Le courant Il, délivré par la deuxième source tel que où VBE est la tension base-émetteur du transistor bipolaire 42. Le courant Ib proportionnel à l'inverse de la température, c'est-à-dire à Des transistors 51,52, associés à des résistances 53, 54 relient les deux sources 30, 40, à une première borne d'alimentation 56, fixée à un premier potentiel (V,;,#), et à une deuxième borne d'alimentation 58, fixée à un deuxième potentiel (Vee). Les deux transistors 51, 52 ont leurs bases reliées respectivement à des lignes de polarisation 61, 62 utilisables pour copier le courant des sources 30, 40 vers des charges non représentées. Ils constituent des transistors de commande de miroirs de courant également non représentés. En ajustant les valeurs Ra et Rb des résistances fixation du courant des deux sources individuelles 30 40 ainsi qu'éventuellement les surfaces des transistors 31, 32, 33, 35 et 42, il est possible de fixer contribution de chaque source de courant au courant total traversant les transistors de commande 51 et 52. I1 est également possible de fixer la contribution de chaque source individuelle à la dérive thermique de la source globale combinant les deux sources. les dérives thermiques des sources individuelles 30, 40 sont respectivement proportionnelles à la température (coefficient positif) et inversement proportionnelle à la température (coefficient négatif). Comme exposé précédemment, ceci est dû au fait que l'une des sources est du type " AVBE " et que l'autre source est du type Il VBE ". I1 est R R ainsi possible d'obtenir une compensation au moins partielle des dérives des deux sources, et donc une source globale avec un faible coefficient de dépendance en température. Pour un exposé plus complet de la source de la figure 2, on peut se reporter au document (2) dont les références sont également précisées à la fin de description. Les figures 3, 4 et 5 montrent respectivement comportement en température des première et deuxième sources individuelles 30, 40 et la source globale résultant de leur combinaison. Les figures indiquent sous forme de graphique, respectivement le courant, reporté en ordonnée, en fonction de la température, reportée en abscisse. L'évolution du courant est donnée pour deux valeurs différentes de la tension d'alimentation, 2,7 et 5,5 V, mesurées entre les bornes d'alimentation. Sur chaque graphique, les lettres A et B indiquent respectivement les courbes obtenues à 2 7 et 5 5 volts. Les courants sont exprimés en 10-`'A et temperatures en C. On observe sur la figure 3 que les courbes A et B présentent une pente positive. Celle-ci est caracteristique d'un coefficient de dépendance en température positif pour la première source individuelle 30, c'est-à-dire la source en " AVBE ". R revanche, la figure 4 montre une dépendance en température négative de la source individuelle , c'est-'-dire la source en " VBE "_ R dérives en température des sources sont considérées généralement entre -55 C et +125 C, rapport à une température "ambiante" de +27 C. Ainsi pour la première source individuelle 30, la dérive est de +33% entre -55 et +27 C et de +20% entre +27 C et +125 C, soit une dérive globale de 53%, pour une polarisation à 2,7 volts. Pour la deuxième source individuelle (figure 4), la dérive globale (négative) entre -55 C et +125 C de -44%, toujours pour une polarisation à 2,7 volts. ailleurs, la variation du courant, a température fixe, pour une polarisation qui passe de 2,7 V 5,5 V est respectivement de +30% et +9% pour les deux sources individuelles. la figure 5, qui donne le comportement en température pour la source globale formée de la combinaison des deux sources individuelles, on peut observer une évolution en cloche du courant en fonction de la température pour une polarisation à 2,7 volts. La dérive globale est de 24% au maximum, soit 16% entre -55 C et +27 C et -21% entre +27 C et +125 C. En revanche, pour une tension d'alimentation de 5,5 volts, le comportement en cloche disparaît pour retrouver une dépendance en température avec un coefficient négatif. La dérive de la source globale est cependant réduite à -36% (-12% de -55 C à +27 C et -24% de 27 à +125 0 C). Finalement, par rapport à la source de la figure 1, la source de la figure 2 présente plus faible nombre de composants et une consommation en énergie plus réduite. En revanche, sa dépendance température est plus grande et le courant de repos (à 27 C), de même que le coefficient de dépendance en température, sont très sensibles à la tension d'alimentation. Exposé de l'invention L'invention a pour but de présenter une source de courant présentant une faible dépendance en température et présentant pas les limitations des sources décrites ci-dessus. but est en particulier de proposer une telle source susceptible d'être construite autour d'un nombre de composants réduit et donc susceptible d'occuper une faible surface de puce lorsqu'elle fait partie d'un circuit intégré. autre but est de proposer une source de courant présentant une faible consommation électrique et qui soit sensible à des variations de sa tension d'alimentation. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet une source de courant à faible dépendance en température comportant - une source de courant de référence, - au moins un miroir de courant pour copier le courant de référence vers au moins branche de sortie. Conformément à l'invention, le miroir de courant est un miroir pondéré, et la source de courant de référence et le miroir de courant pondéré présentent respectivement des coefficients de dépendance de température opposés. entend par miroir pondéré un miroir permettant de copier dans les branches asservies, en l'occurrence les branches de sortie, un courant différent, et particulier supérieur à celui de la branche pilote. Comme la dépendance en température du miroir opposée à celle de la source de courant de référence le coefficient de dépendance en température de source globale (référence + miroir) est inférieur à celui de la source de courant de référence, prise isolément. Un ajustage des caractéristiques de la source de référence et du miroir permet ainsi d'obtenir, par compensation, une dépendance en température très faible. Grâce à l'invention, il n'y a pas d'exigence particulière pour 1a réalisation de la source courant de référence. Celle-ci peut être par exemple une source de à réference de tension base-émetteur (type " yDE "). De R telles sources de courant de référence sont connues en soi, décrites, par exemple, dans le document (3) dont les références sont' précisées en fin de description. Pour une réalisation particulièrement simple de la source de courant de l'invention, on peut choisir une source de référence avec dépendance en température négative et un miroir de courant à dépendance positive. Dans ce cas, la dérive positive du miroir compense la dérive négative de la source de référence, lorsque la température augmente inversement lorsque la température diminue. Dans une réalisation particulière de la source de courant de l'invention, le miroir de courant peut comporter un premier transistor de miroir, dans une branche pilote connectée à la source de courant de référence, et au moins deuxième transistor de miroir connecté dans chaque branche de sortie, le premier transistor étant connecté série avec une résistance de pondération. Il convient de préciser que la source de courant peut comporter plusieurs branches de sortie, pour l'alimentation de plusieurs charges, et éventuellement, comme indiqué ci-après, polir alimenter la source de courant de référence elle-meme. En effet, pour réduire encore davantage la dépendance en température de la source de courant, il est possible d'alimenter la source de courant de référence avec un courant d'alimentation sensiblement insensible aux variations de température. Un tel courant peut être fourni par exemple par l'une des branches de sortie du miroir de courant. Une telle branche peut comporter un transistor, dit d'alimentation, qui constitue l'un desdits deuxièmes transistors, et qui forme un miroir de courant avec ledit premier transistor de la branche pilote. La résistance de pondération permet d'obtenir un miroir pondéré et en particulier un miroir capable de copier dans la ou les branches de sortie un courant d'intensité supérieure à celle du courant délivré par la source de courant de référence. miroir pondéré peut également être obtenu en choisissant dans la branche de sortie un deuxième transistor avec une surface d'émetteur supérieure à celle premier transistor. En ajustant la valeur de la résistance de pondération ou la surface du transistor d'alimentation on peut compenser, au moyen du miroir, les variation en température de source. Cela se traduit en pratique par un coefficient de copie du miroir, supérieur à 1. On dispose ainsi d'un courant peu sensible à la température, utilisable, comme indiqué ci-dessus, pour alimenter la source par l'intermédiaire du transistor d'alimentation. D'autres caractéristiques et avantages l'invention ressortiront de la description qui suivre, en référence aux figures des dessins annexés Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - la figure 1, déjà décrite, donne un schéma d'une première source de courant de type connu, - figure 2, déjà décrite, donne un schema d'une deuxième source de courant, composite, également de type connu, - les figures 3, 4 et 5, déjà décrites, sont des graphiques illustrant les comportements en température de la source de la figure 2, et de ses parties constitutives principales, - la figure 6 donne un schéma d'une réalisation particulière d'une source de courant conforme à invention, - figure 7 est un graphique illustrant le comportement en température d'une source courant conforme au schéma de la figure 6. Description détaillée de modes de mise en oeuvre l'invention La source de courant de la figure 6, conforme à l'invention, comporte une source de courant 102, dite de réference, Qui ne présente pas d'exigence particuliere en termes de dépendance en température. Dans l'exemple décrit, la source de courant 102 de la figure 6 est une source ayant un coefficient de dépendance en température négatif. En d'autres termes, le courant, noté IR_, délivré par la source de référence 102 diminue lorsque la température augmente. La source de courant 102 est associée à un miroir de courant 104 capable de copier 1e courant de référence IR vers une ou plusieurs branches de sortie 106, 108. Sur la figure, on l a représenté une première branche de sortie 106 destinée à fournir un courant d'alimentation à la source de référence 102 et une deuxième branche de sortie 108 destinée à alimenter une charge 110. I1 convient de préciser ici que la première branche de sortie 106 peut être omise en prévoyant un autre moyen d'alimentation de la source de courant de référence. Le miroir de courant 104 et en particulier le miroir formé avec la deuxième branche de sortie 108, est un miroir présentant un coefficient de dépendance en température positif. En effet, la branche de sortie délivre un courant qui, pour une valeur fixe du courant de référence IR, augmenterait avec température. Cette tendance de dérive en température est donc inverse à celle de la source de courant référence. source de référence 102 comporte en série dans la branche pilote, un premier transistor bipolaire 120, dont collecteur est relié au miroir de courant 104 et dont l'émetteur est relié à une borne d'alimentation 122, l'intermédiaire d'une résistance 124. Dans l'exemple décrit, la borne d'alimentation 122 évoquée est une borne, par exemple, de masse. La base du premier transistor 120 est reliée à celle d'un deuxième transistor 126, polarisé en diode et connecté en série dans la première branche de sortie 106 avec un troisième transistor 128. Le troisième transistor 128 est connecté à l'émetteur du deuxième transistor 126 par sa base et par son collecteur. Il relie le deuxième transistor 126 à la borne de masse 122. considérant, pour simplifier, que premier et deuxième transistors 120, 126 présentent sensiblement les mêmes tensions base-émetteur, le courant IR de la source de référence, est tel que où VBE128 est la tension base-émetteur du troisième transistor et R124 la valeur de la résistance 124 en série avec le premier transistor 120. Comme évoqué en référence avec 1a description de l'état de la technique, et notamment de la figure 2, le courant IR est proportionnel à l'inverse de la température. miroir de courant 104 comporte dans la branche pilote un quatrième transistor 130, relié par sa base et son collecteur à la source de courant référence 102. Le quatrième transistor 130 est aussi relié par sa base à celle des transistors des branches sortie, et par son émetteur à la borne d'alimentation (positive) î34. Plus précisément, l'émetteur du quatrième transistor 130 est relié à la borne d'alimentation 134, positive dans l'exemple illustré, par l'intermédiaire d'une résistance 136, dite de pondération. Des cinquième et sixième transistors bipolaires (PNP) 146, ï48 du miroir de courant 104 sont en série respectivement dans les première et deuxième branches de sortie 106, 108. Ils sont connectés par leurs émetteurs à la borne d'alimentation positive 134. Leurs bases sont connectées à celle du quatrième transistor 130 comme indiqué ci-dessus. Dans l'hypothèse où les quatrieme, cinquième et sixième transistors sont identiques et présentent sensiblement les mêmes surfaces d'émetteur, la résistance de pondération 136 permet fixer dans les branches de sortie des courants supérieurs à ceux de la branche pilote pour compenser variations en température de la source. On a en effet : VEB130 + R@IR = VEB145 = VEB14ô. Dans ces expressions VEB130, VEB145, VEB128 indiquent respectivement les tensions émetteur-base du transistor 130 de la branche pilote et des transistors 146, 148 des branches de sortie. Rp valeur de la résistance de pondération. Il convient de préciser transistors des branches de sortie peuvent présenter également des surfaces d'émetteur supérieures ' celle du transistor de la branche pilote du miroir de courant pour contribuer à augmenter le courant sortie. Le réglage du courant sortie opéré essentiellement par le choix des transistors (surface d'émetteur) et de la valeur de résistance de pondération, permet de fixer la dérive en température positive du miroir de courant. Cette dérive peut ainsi être ajustée pour compenser, au moins en partie, celle (négative) de la source du courant de référence. De préférence, la dérive est ajustée pour être minimale. Par ailleurs, dans une réalisation particulière, la seule deuxième banche de sortie 108 pourrait constituer un miroir pondéré. Dans ce cas particulier, les surfaces d'émetteur du trânsistor 130 de la branche pilote et du transistor 146 de la première branche de sortie seraient choisies identiques et une résistance de valeur identique à celle de la résistance de pondération serait connectée en série avec le transistor de la première branche de sortie. La figure 7 montre le comportement en température d'une source conforme au schéma de la figure 6. Les courbes A et B sont représentatives du courant délivré en fonction de la temperature pour des tensions d'alimentation de 2,7 et de 5,5 volts respectivement. On observe que quelle que soit la tension d'alimentation, un comportement sensiblement en "cloche" est conserve La dérive globale maximum du courant avec une temperature variant entre -55 C et +27 C et entre +27 C +125 C est de 20$ en valeur absolue. Elle est plus précisément de +16% entre -55 C et +27 C et de -20% entre +27 C et +125 C. Comparativement sources connues examinées dans la première partie de la description, la dérive globale en température est plus faible et son ampleur n'est quasiment pas influencée par la tension d'alimentation. Par ailleurs, la valeur du courant de repos à 27 C (i.e. à température fixe) ne varie que de l'ordre de 10% pour une tension d'alimentation passant de 2,7 à 5,5 volts. Les courbes de la figure 7 sont obtenues en utilisant des transistors du miroir de courant identiques les uns aux autres et en utilisant une résistant de pondération d'une valeur de 60 kQ. Documents cités ( ) Analysis and Design of Analog. Integrated Circuits, Paul, R. Gray/Rober G. Meyer, Sème édition p. 345 (fig. 4.50). Evolution of High-Speed Operational ifier Architectures de Doug Smith et coll., IEEE J. of SSC., Oct. 1994, vol. 29, n 10. Analysis and Design of Analog. Integrated Circuits, Paul, R. Gray/Rober G. Meyer, Sème édition, p. 324 (fig. 4.39.a). REVENDICATIONS 1. Source de courant à faible dépendance en température comportant - une source de courant de référence 102), - un miroir de courant (104) pour copier le courant de la source de référence vers au moins une branche de sortie, caractérisée en ce que la source de courant de référence et le miroir de courant présentent respectivement des coefficients de dépendance de température opposés et en ce que le miroir de courant est un miroir pondéré. 2. Source de courant selon la revendication 1, dans laquelle la source de courant de référence présente une dépendance en température négative et le miroir de courant présente une dépendance en température positive. 3. Source de courant selon la revendication 1, dans laquelle la source de courant de référence (104) est du type à référence de tension base-émetteur. 4. Source de courant selon la revendication 1, dans laquelle 1a source de courant de référence comprend un transistor d'alimentation (146) connecté dans une branche de sortie (106). S. Source de courant selon la revendication 4, dans laquelle le transistor d'alimentation ( ) est connecté dans la branche de sortie avec un transistor de commande (126) polarisé en diode. 6. Source de courant selon la revendication 1, dans laquelle le miroir de courant comporte un premier transistor de miroir (130), dans une branche pilote connectée à la source de courant de référence, et au moins un deuxième transistor de miroir (146, 148) connecté dans chaque branche de sortie, le premier transistor étant connecté en série avec une résistance de pondération (136). . Source de courant selon la revendication 6, dans laquelle le deuxième transistor de miroir (106 108) présente une surface d'émetteur supérieure à cel du premier transistor de miroir. 8. Circuit intégré comprenant une source courant conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.