Brevet FR2809834A1 — publié le 20011207

SOURCE DE COURANT A FAIBLE TENSION D'ALIMENTATION FAIBLE SENSIBILITE EN TENSION DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne une source de courant susceptible d'être alimentée à partir d'une tension d'alimentation très faible, par exemple de l'ordre de 1,1 Volt, et qui est peu sensible variations de la tension d'alimentation. On trouve des sources de courant dans majorité des circuits intégrés. Elles sont utilisées pour la polarisation des différentes parties constitutives des circuits. Or, les circuits intégrés sont généralement conçus de façon à pouvoir être alimentés avec une tension d'alimentation choisie dans une gamme assez large. A titre d'exemple, on connaît des amplificateurs opérationnels pouvant être alimentés par une tension comprise entre 2,7 Volt et 10 ou 12 Volt. Pour ces circuits, il est important que sources de courant utilisées délivrent des courants variant peu avec la tension d'alimentation de sorte le fonctionnement du circuit intégré ne soit influencé par 1a tension d'alimentation disponible. Par ailleurs, il est souhaitable que sources de courant puissent fonctionner à partir d'une tension d'alimentation faible, afin d'en réduire la consommation électrique et d'utiliser au mieux l'énergie disponible. Cette particularité est recherchée notamment pour les dispositifs alimentés par pile ou par batterie. L'invention trouve des applications façon génerale dans la fabrication de circuits électroniques, notamment de circuits intégrés, et en particulier pour des circuits destinés à des équipements portables. Etat de la technique antérieure Une première possibilité de réalisation d'une source de courant sensiblement indépendante de 1a tension d'alimentation consiste à utiliser une tension régulée délivrée par un générateur de tension à bande interdite (bandgap), et à alimenter une source de courant classique sous tension constante avec ce génerateur. Les générateurs à bande interdite désignes par génerateurs "bandgap" en terminologie anglo saxonne sont décrits par exemple dans le document (1) dont les réferences sont précisées à la fin de la presente description. Ils délivrent une tension constante de l'ordre de 1,2 Volt et nécessitent donc une tension d'alimentation supérieure à cette valeur. La tension d'alimentation minimum requise par les générateurs "bandgap" est d'au moins 1,3 à 1,5 Volt. Un autre exemple de source de courant connue est illustré par le figure 1 annexée. Il s'agit d'une source dite croisée. La source croisée est construite autour de quatre transistors de source 10, 12, 25, 26, connectés respectivement dans une branche pilote 14 et une branche asservie 16. Une résistance de fixation de courant 18, de valeur R, est en série avec le premier transistor 10 de la branche pilote. On observe que la base de chacun des transistors 10 et 12 de source d'une branche donnée est respectivement reliée collecteur du transistor de source 1 autre branche. Un miroir de courant indiqué avec la référence genérale 20 permet de copier le courant I circulant dans la branche pilote vers la branche asservie. Le miroir de courant 20 est construit autour deux transistors 21 et 22 connectés respectivement dans la branche pilote et la branche asservie. Un courant de sortie destiné à une charge quelconque peut être copié dans une branche sortie, représentée, soit à partir de la branche pilote, soit à partir de la branche asservie. Le courant I c-@rculan:t -dans 1 a branche pilote 14 est égal à où AVBE est que AVBE- (VBE26+VBE12) - (VBE25+VBE10 Dans cette expression, VBE26, VBE12, VBE25 VBE10 désignent respectivement les tensions base-émetteur des transistors 26, 12, 25 et 10. Une particularité très intéressan#:.e de la source de courant de la figure 1 est que le courant des branches 14,16, évolue en fonction décroissante avec la tension. d'alimentation appliquée entre bornes d'alimentation 24,26 de la source. En d'autres termes, le courant de la source tend à augmenter lorsque la tension d'alimentation chute. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse lorsque la source de courant est associée à d'autres éléments dont la sortie évolue positivement, c'est-à-dire en fonction croissante avec la tension alimentation. ' Pour autoriser le fonctionnement d'une source courant conforme à la figure 1 il faut disposer entre bornes d'alimentation 24 et 26 d'une tension vccmin égale à au moins deux fois la tension base émetteur Vbe d'un transistor bipolaire (transistor de source et transistor de l'étage de cascode), à laquelle est ajoutée la tension de saturation collecteur- émetteur Veesat d'un troisième transistor (miroir de courant). Soit Uccmin=2Vbe+Vcesat Pour des transistors bipolaires au silicium usuels tels que ceux représentés sur la figure 1, la tension d'alimentation minimum est de l'ordre de 1,8 Volt. Cette tension est comparable à celle requise par la source utilisant le générateur de type "bandgap". Un troisième exemple de source de courant connue est illustrée par la figure 2 annexée. Il s'agit d'une source cascodée simple. Pour simplifier la description, différents éléments de cette source, comparables à ceux de la source de la figure 1 sont repérés avec les mêmes index numériques. On peut, pour ces éléments, se référer à la description qui précède. A la différence de la figure 1 on observe que les bases des transistors de source 10 et 12 sont reliées entre elles. Les transistors 25 et 26 connectés transistors de source constituent en fait un étage cascode. La figure montre également une branche sortie 30 comprenant une charge à alimenter 32 et un transistor de copie 34 piloté par les bases communes des transistors de l'étage de miroir 20. L'utilisation d'un étage de cascode, repéré avec les références 25, 26, permet d'obtenir une impédance de sortie élevée pour la source et donc une variation relativement faible du courant de sortie. Par analogie avec la figure précédente on observe que la tension d'alimentation minimum est toujours telle que Vccmin= 2Vbe +Vcesat - 1 8 Volt . Avec la source de la figure 2, dans laquelle un rapport de surface d'émetteur des transistors de source est égal à 10, et dans laquelle la résistance de fixation du courant a une valeur de 5 k2, on peut obtenir une sensibilité du courant de la branche pilote aussi faible que 1,6% par volt (la sensibilité du courant dans la branche asservie est alors de l'ordre 5, % par volt). Un quatrième exemple de source de courant est illustré par la figure 3 annexée. Une telle source est connue, par exemple, du document (2) dont les références sont également précisées à la fin de la description. Il s'agit d'une source dite à dégénérescence d'émetteur- La source de figure 3 comporte toujours deux branches 14 et 16 couplées par un miroir de courant 20. La branche pilote comporte un premier transistor de source 10 en série avec une résistance de fixation de courant 18 et branche asservie comporte un deuxième transistor source 12 connecté au premier transistor par sa base. A la férence des figures précédentes l'étage cascode a cependant été supprimé. Les transistors de source sont en effet reliés directement à ceux du miroir de courant 20. En revanche, les émetteurs des transistors bipolaires 21, 22 utilisés pour former le miroir de courant 20 sont reliés à la borne d'alimentation haute 24, respectivement par des résistances 41, 42 dites de dégénérescence. Les valeurs de ces résistances sont respectivement indiquées par R3 et R4 dans la suite du texte. La tension d'alimentation minimum devient à présent, par exemple _ Vcc:nin- Vbe12+Vcesat22+R4I2 Dans cette expression Vbe12 est 1 a tension base émetteur du transistor de source de la branche asservie 14, Vcesat22 est la tension collecteur-emetteur de saturation du transistor de miroir 22 et I; est le courant circulant dans la branche asservie 16. Le courant circulant dans la branche pilote est indiqué I- . Pour une source comparable à la figure 3 le choix de faibles valeurs de résistance de degénérescence permet de réduire tension d'alimentation minimum requise pour 1e fonctionnement de la source. En revanche, ces valeurs faibles des résistances de dégénérescence augmentent sensibilité du courant de sortie à la tension d'alimentation. Cet aspect apparaîtra plus clairement dans la suite de la description. Exposé de l'invention L'invention a pour but de proposer une source courant ne présentant pas les limitations des sources mentionnées ci-dessus. Un but est en particulier de proposer une source de courant dont le courant de sortie ne dépend quasiment pas de la tension d'alimentation. Un but est enfin de proposer une telle source susceptible d'être alimentée' sous une faible tension alimentation. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet une source de courant comprenant - une branche pilote pourvue d'une résistance de fixation de courant de la branche, - au moins une branche asservie, - un miroir de courant comprenant un transistor de miroir respectivement dans chacune des branches pilote et asservie pour coupler les branches Conformément à l'invention la source de courant comporte en outre au moins l'un parmi . - un premier moyen d'injection dans résistance de fixation de courant d'un courant proportionnel au courant de la branche pilote, - un deuxième moyen d'injection dans résistance de dégénérescence du transistor de miroir de 1a branche asservie d'un courant proportionnel courant de la branche asservie. Grâce aux moyens d'injection courant, il est possible de réduire à la fois la valeur minimum de la tension d'alimentation et de réduire la sensibilité du courant de la source à cette tension. Un courant de sortie peut être copié dans une branche de sortie au moyen d'un transistor piloté soit par les bases communes de transistors dits de source, soit par les bases communes des transistors de miroir. On désigne par "transistors de source", des transistors destinés à fixer la valeur du courant de 1a source. Ils sont en série avec les transistors de miroir. Dans une mise en/ #uvre particulière de l'invention, le premier moyen d'injection de courant peut comporter un premier transistor d ' 'ection, relié à la résistance de fixation de courant et formant un miroir de courant avec le transistor miroir de la branche pilote. La résistance de fixation de courant est ainsi traversée non seulement par le courant de la branche pilote mais encore par le courant que lui fournit premier transistor d'injection. De préférence, le transistor d'injection peut être piloté par le transistor de miroir de façon à former avec celui-ci un miroir de courant pondéré. Plus précisément, le miroir de courant pondéré peut être obtenu en associant au transistor de miroir de 1a branche pilote une résistance de dégénérescence. Selon une autre possibilité, non exclusive de la première, le miroir de courant pondéré peut encore être obtenu en utilisant un premier transistor d'injection dont la surface d'émetteur supérieure à celle du transistor de miroir de la branche pilote. Dans une autre mise en #uvre particulière, le deuxième moyen d'injection de courant peut comporter un deuxième transistor d'injection relié a la résistance de dégénérescence et formant un miroir de courant avec un transistor, dit de source, connecté dans la branche asservie, en série avec le transistor de miroir de ladite branche asservie. Il convient de préciser que ces caractéristiques peuvent être combinées ' celles de la première mise en ouvre particulière exposée précédemment (premier moyen d'injection). Dans ce cas, la branche pilote et la branche asservie peuvent comporter chacune une résistance de dégénerescence. Le deuxième transistor d'injection peut auss' être choisi de façon à présenter une surface d'émetteur supérieure à celle du transistor de source de branche de façon à former avec celui-ci un miroir pondéré. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de 1a description qui va 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, est un schéma électrique d'une première source de courant de 15 connu. La figure 2, déjà décrite, est un schema électrique d'une deuxième source de courant de connu. La figure 3, déjà décrite, est un schema électrique d'une troisième source de courant également de type connu. La figure 4, décrite ci après, est un schéma électrique d'une source de courant conforme à l'invention. Description détaillée de modes de mise en aeuvre de l'invention La source de courant de la figure 4 comprend pour l'essentiel deux branches 114, 116 associées par un miroir de courant 120. Les branches de la source sont connectées entre une première borne d'alimentation 124 à un potentiel positif, noté V, et une deuxième borne d'alimentation 126, prise ici comme borne de masse. La première branche 114 constitue une branche pilote. Elle comporte, dans l'ordre depuis la première borne d'alimentation, une première résistance de dégénérescence 141 de valeur Rz, un premier transistor de miroir 121, un premier transistor de source 110 et résistance de fixation de courant 118. Le premier transistor de miroir, de type PNP dans l'exemple illustré, est relié à la résistance de dégénérescence par son émetteur et est relié par son collecteur au collecteur du transistor de source 110. Le collecteur du transistor de miroir est également relié à la base ce transistor. Le transistor de source 110 de la branche pilote, de type NPN est relié à la résistance de fixation de courant par son émetteur. La deuxième branche 116 de la source de courant constitue une branche asservie. Elle comporte dans l'ordre, depuis la première borne d'alimentation, deuxième résistance de dégénérescence 142 de valeur R3, un deuxième transistor PNP de miroir 122, relié par son émetteur à la résistance de dégénérescence 142 un deuxième transistor de source 112, de type NPN, relié par son collecteur à celui du transistor de miroir, et relié à la borne de masse par son émetteur. Le collecteur du deuxième transistor de source est relié à sa base et à la base du transistor de source 110 de la branche pilote. De la même façon, les bases des transistors de miroir des deux branches, sont reliées entre elles. Un premier transistor d'injection de courant 151, de type PNP, est connecté par son emetteur à 1a première borne d'alimentation 124 et par collecteur à un noeud 154 situé entre l'émetteur du premier transistor de source et la résistance de fixation de courant. La base du premier transistor d'injection de courant 151 est relié aux bases des transistors de miroir, de façon à être piloté par le transistor de miroir de la branche pilote 114. Un deuxième transistor d'injection de courant 152, type NPN est relié par son collecteur à un noeud 156 situé entre la résistance de dégénérescence 142 de la branche asservie 116 et l'émetteur du transistor de miroir 122 de cette même branche. L'émetteur du deuxième transistor d'injection de courant est relié à la borne de masse 126. Le fonctionnement des deux transistors d'injection de courant 151,152 est indépendant. Chaque transistor d'injection contribue cependant à la constance du courant fourni par la source. Le premier transistor d'injection de courant 151 forme un miroir de courant ponderé avec le transistor de miroir 121 de la branche pilote. Le caractere pondéré du miroir provient de la résistance de dégénérescence 141. En effet, on peut écrire Vbe151-Vbe121+R2I3 où Vbe121 Vbe151 et indiquent respectivement la tension base-émetteur du transistor de miroir de la branche pilote, le tension base- émetteur du premier transistor d'injection de courant, et le courant circulant dans la branche pilote. En d'autres termes, la tension base-émetteur du transistor d'injection de courant est supérieure à celle du transistor de miroir de la branche pilote. Le transistor d'injection de courant permet donc d'injecter dans la résistance de fixation de courant 118 un courant d'intensité supérieure celle du courant qu elle reçoit de la branche pilote Lorsque la tension d'alimentation Vcc appliquée entre les bornes d'alimentation 124 et 126 tend à augmenter, le courant 13 circulant dans la branche pilote 114 tend également à augmenter par effet Early sur le transistor de source 110 de la branche pilote. Comme le courant de la branche pilote est copié dans la résistance de fixation de courant 118 par le premier transistor d'injection de courant 151, la tension aux bornes de cette résistance tend également a augmenter. Par ailleurs, comme le courant de la branche pilote est également copié dans la branche asservie par le miroir de courant 120, formé par les transistors de miroir 121, 122, une augmentation du courant 13 de la branche pilote entraîne une augmentation du courant 14 la branche asservie. Ceci résulte de l'effet de miroir, auquel s'ajoute l'effet Early du transistor de miroir 122 de la branche asservie. Le courant 14 augmente donc plus rapidement. Or, lorsque le courant 14 de la branche asservie tend à augmenter, il en va de même pour la tension base-émetteur du deuxième transistor de source 112. Grâce à l'injection de courant dans la résistance de fixation de courant, on peut obtenir une variation de la tension aux bornes de cette résistance, qui est plus forte que celle de la tension base- émetteur du transistor de source 112 de la branche asservie 116. Or, lorsque la tension aux bornes de la résistance de fixation de courant 118 augmente davantage que la tension de base du transistor de source de la branche asservie 116, le courant 13 circulant dans la branche pilote tend à diminuer parce que la tension base-émetteur du transistor de source 110 de branche pilote tend à diminuer. Ce phénomène compense tendance à l'augmentation du même courant en réponse à une augmentation la tension d'alimentation. Finalement, le courant de la branche pilote, même que celui de la branche asservie, reste sensiblement stable et indépendant des variations de la tension d'alimentation. Le deuxième transistor d'injection de courant 152 constitue un miroir de courant avec le transistor de source 112 de la branche asservie 1 et permet de copier dans la résistance de dégénérescence 142 de la branche. asservie un courant proportionnel au courant 14 circulant dans cette branche. En d'autres termes, la résistance de dégénérescence 142 est traversée non seulement par le courant de la branche asservie, tout comme transistor de source, mais aussi par le courant du deuxième transistor d'injection. Lorsque la tension d'alimentation vcc, appliquée entre les bornes d'alimentation 124 et 126, tend à augmenter, il en va de même pour courants 13 et 14 circulant dans les branches pilote et asservie. Ce point a été examiné ci-dessus (effet Early sur les transistors 110 (transistor de source) et 122 (miroir)). Comme le courant 'de la branche asservie augmente, le courant délivré par le transistor d'injection de courant 152 augmente également. La tension aux bornes de la deuxième résistance de dégénérescence, traversée par la somme de ces courants tend donc a priori à augmenter avec la tension d'alimentation. Cependant, la tension aux bornes de deuxième résistance de dégénérescence 142 (branche asservie) tend à augmenter davantage que la tension aux bornes de la première résistance de dégénérescence 141 (branche pilote). Ceci est dû au fait que le courant fourni par le deuxième transistor d'injection courant n'est injecté que dans la deuxième résistance de dégénérescence et non dans la première. I1 en résulte que la tension de base transistor de miroir 122 de la branche asservie 116 tend à chuter et entraîne une diminution du courant 14 de branche asservie, et donc de la branche pilote Cette diminution vient donc compenser la tendance d'augmentation du même courant provoquée l'augmentation de la tension d'alimentation. Dans ce cas encore, une variation de la tension d'alimentation laisse le courant de la source de courant sensiblement inchangé. Pour alimenter une charge électrique à partir de la source de courant il est possible de copier courant de l'une des branches 114, 116 dans une branche de sortie. Bien que ne faisant pas directement partie de la source de courant, la figure 4 indique, en trait discontinu, de telles branches de sortie. Dans branches 160a, 160b, les charges électriques sont repérées avec les références 162a et 162b et des transistors de copie, associés aux charges, sont repérés avec les références 164a et 164b. Le transistor 164a de la première branche de sortie est du type PNP et est relié par son émetteur à la première borne d'alimentation 124. Son collecteur est relié à la charge électrique et sa base est reliée à la base du transistor de miroir 121 de la branche pilote 114. Le courant fourni à la charge électrique est dont proportionnel au courant 13 circulant dans branche pilote. Le transistor 164b de la deuxième branche de sortie 160b est du type NPN et est relié à borne de masse par son émetteur. Son collecteur est relié à la première borne d'alimentation par l'intermédiaire de la charge électrique. Enfin sa base est reliée a celle du transistor de source de la branche asservie pour être pilotée par celui-ci. Le tableau I ci-après permet de comparer le comportement d'une source connue, conforme à la figure 3, une source de courant de l'invention, conforme à la figure 4. Le tableau indique pour différentes caractéristiques des sources les valeurs suivantes . - courants 121 14 circulant dans la branche asservie pour une tension d'alimentation de 2,7 Volt, - la variation de courant de la branche asservie en pour cent par volt, - la variation de courant dans la branche pilote en pour cent par volt, - le courant total traversant les branches de la source, - la tension d'alimentation minimum nécessaire pour le fonctionnement de la source. Les colonnes du tableau indiquent respectivement - cas A1 : la source de la figure 3 avec R2=R3=0 ; R1=5 , , - cas : la source de la figure 3 avec R2=R3=1, 4KS2 ; R1=5, , - cas : la source de la figure 3 avec R2=R3=50Kf2 ; R1=5, - cas : la source de la figure 4 avec R2=R3=1,4Kf2 - avec transistor 151 - sans transistor 152 - cas 12 : la source de la figure 4 avec R2=R3=1, 4Kn ; - sans transistor 151 - avec transistor 152 - cas 13 : la source de la figure 4 avec R2=R3=1, 4Kf2 ; - avec transistors 151 et 152 Cas A1 A2 A3 I1 12 13 12 OpA 10uA 10uA 14 10uA 10uA 10uA p12 5 8%/V 3,8%/V 1,1%/V A14 1, 9%/V , 3%/V 0,74%/V 011 2,2%/V 1,7%V 0,9%/V 013 -0,25%/V ,4%/V -0,4%/V ICC 21uA 21uA 21uA 55uA 32uA 66uA Vocmin 1,1V 1,1V 1,6V 1,1V ,1V 1,1V (Les variations à courant sont indiquées en pour-cent par volt de V,:c) . On peut observer dans le tableau que les variations du courant dans les branches de la source conforme à l'invention (Fig. 4) est quasiment toujours plus faible que celles de la source à dégénérescence d'emetteur (Fig. 3). La variation est particulièrement faible dans la branche pilote. Seule une très forte dégénérescence d'emetteur de la source de la figure 3 permet d'obtenir bonne insensibilité du courant à la tension d'alimentation. Toutefois ceci est au prix d'une valeur plus forte de la tension minimum d'alimentation (1,6 Volt lieu de 1, Volt). DOCUMENTS CITES Analysis and Design of ANALOG INTEGRATED CIRCUITS de Paul R. Gray/ Robert G. Meyer Third Edition Ch. 4, A 4.3.2, p. 345-346. (2) Analysis and Design of ANALOG INTEGRATED CIRCUITS de Paul R. Gray/ Robert G. Meyer Third Edition Ch. 4, 4.2.1, p. 276. REVENDICATIONS 1. Source de courant comprenant - une branche pilote (114) pourvue d'une résistance ( ) de fixation de courant de la branche, 5 - moins une branche asservie (116), - un miroir de courant (120) comprenant un transistor miroir (121, 122) respectivement dans chacune des branches pilote et asservie, pour coupler les branches, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins l' parmi . - un premier moyen (151) d'injection dans la résistance de fixation de courant d'un courant proportionnel au courant de la branche pilote, - un deuxième moyen (152) d'injection dans une résistance (142) de dégénérescence du transistor de miroir (122) de la branche asservie (116), d' courant proportionnel à un courant de la branche asservie. 2. Source de courant selon la revendication , dans laquelle le premier moyen d'injection comporte un premier transistor d'injection (151), relié à la résistance de fixation de courant et formant un miroir de courant avec le transistor de miroir (121) de la branche pilote. 3. Source de courant selon la revendication 2, dans laquelle le premier transistor d'injection forme avec le transistor de miroir, un miroir de courant pondéré. 4. Source de courant selon la revendication 3, dans laquelle la branche pilote comporte une résistance de dégénérescence associée au transistor de miroir. 5. Source de courant selon la revendication 3, dans laquelle le premier transistor d'injection (151) présente une surface d'émetteur supérieure à celle du transistor de miroir de la branche pilote. 6. Source courant selon la revendication 1, dans laquelle le deuxième moyen d'injection comporte un deuxième transistor d'injection (152), relié à la résistance de dégenérescence (142) de la branche asservie, et formant un miroir de courant avec un transistor (112), dit de source, connecté dans la branche asservie, en série avec le transistor de miroir de ladite branche asservie. 7. Source de courant selon la revendication 6, dans laquelle le deuxième transistor d'injection (152) présente une surface d'émetteur supérieure à celle du transistor de source (112) de la branche asservie. 8. Circuit intégré comprenant une source de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes.