Brevet FR2832819A1 — publié le 20030530

SOURCE DE COURANT COMPENSEE EN TEMPERATURE La présente invention concerne une source de courant compensée en température et vise plus particulièrement à l'optimisation d'un circuit de référence en courant de façon à obtenir une compensation en température du courant généré. En effet, la possibilité d'obtenir des transistors possédant des caractéristiques pratiquement identiques a donné lieu à une nouvelle génération de sources de courant dites miroirs de courant. Or une augmentation de la température conduit notamment aux résultats suivant : augmentation des courants de fuite des transistors utilisés dans de tels circuits de référence en courant, augmentation des charges stockées, augmentation du gain... Ces phénomènes, entre autres, entraînent une modification des caractéristiques intrasèques des transistors mis en oeuvre dans les sources de courant et les recopies de courant sont alors faussées. Le courant généré dans de telle source de courant est donc tributaire des variations de température. Il est difficile en réalité d'obtenir une source de référence en courant fournissant un courant constant qui soit insensible aux variations en température. Pour illustrer ce phénomène, regardons maintenant en référence à la figure 1 le schéma d'une source de courant classique selon l'art antérieur en technologie CMOS (pour complementary Metal Oxyde Semiconductor ). La source de courant selon l'art antérieur est composé de trois branches distinctes bl, b2 et b3. La branche du milieu, b2, est une branche de référence en courant dont le rôle est de fixer un courant de référence. La troisième branche b3 est une branche de sortie où le courant de référence Iref est recopié. Quant à la première branche bl, son rôle est de fixer une tension de référence V1. La branche de référence en courant b2 comprend un premier transistor MOS M2 dont l'électrode de source est connectée à une borne d'alimentation en tension VDD et dont l'électrode de grille et l'électrode de drain sont connectées l'une à l'autre. Le transistor MOS M2 permet donc de fixer un courant de référence dans les branches bl et b3. En effet, l'électrode de drain du premier transistor MOS M2 est connectée à l'électrode de source d'un deuxième transistor MOS M5, dont l'électrode de drain est connectée à un noeud N au potentiel V2 mis à la masse par l'intermédiaire d'une première résistance Ri placée en série avec un ensemble de n éléments Q2 en parallèle permettant de fixer une tension V3, n étant un nombre entier au moins égale à deux. Selon un mode de réalisation préférée de l'invention, chaque élément Q2 en parallèle est constitué par une diode. Il s'agit plus précisément d'un transistor MOS dont on utilise le bipolaire parasite monté de façon à former une diode La branche de sortie b3 de la source de courant est constituée d'un transistor MOS M3 dont la source est connectée à la borne d'alimentation VDD et dont la grille est connectée à la grille du transistor MOS M2 de la branche b2 de référence en courant. Ainsi, par recopie du courant de référence fixé par la branche de référence en courant (b2) dans le miroir de courant M2 M3, le courant de sortie Iref de la source de courant est récupéré au niveau du drain du transistor M3. La branche bl de la source de courant comprend un premier transistor MOS Ml dont l'électrode de source est connectée à la borne d'alimentation VDD. L'électrode de grille du transistor Ml est connectée à l'électrode de grille du transistor M2 de la branche b2 de référence en courant de la source de courant formant ainsi un second miroir de courant, de sorte que le courant généré dans la branche de référence en courant b2 soit recopié dans la branche bl. On a donc l'égalité des courants circulant dans la branche bl et dans la branche b2. L'électrode de drain du transistor MOS Ml est connectée à l'électrode de source d'un deuxième transistor MOS M4, dont l'électrode de grille est connectée à l'électrode de grille du transistor MOS M5 de la branche b2 de référence en courant. De plus, l'électrode de grille du transistor M4 est connectée à son électrode de source. Enfin, l'électrode du drain du transistor M4 est mise à la masse par l'intermédiaire d'un élément Ql permettant de fixer la tension V1 et strictement identique à chacun des n éléments Q2 en parallèle de la branche b2. Ainsi, selon un mode de réalisation préféré Ql est un transistor MOS dont on utilise le bipolaire parasite monté de façon à former une diode. Les transistors MOS M4 et M5 permettent en fait de symétriser la première et la deuxième branche, respectivement bl et b2, et forment un circuit de recopie en tension qui autorise ainsi la recopie de la tension de référence V1 fixée par la diode Ql au niveau du noeud N au potentiel V2 de la branche b2 , de sorte que V2 = V1. La configuration des transistors MOS M1, M2, M4 et M5 telle qu'elle a été décrite ci-dessus, permet donc d'obtenir l'égalité des courants Il et 12 circulant respectivement dans les branches bl et b2 de la source de courant, ainsi que l'égalité des tensions V1 et V2, selon un principe de fonctionnement bien connu qu'il est inutile de détailler ici. De ce fait, la différence de potentiel #V aux bornes de la résistance R1 peut être exprimée de la façon suivante : AV = V2 - V3 = VI - V3 Or, selon une équation standard régissant le fonctionnement des transistors bipolaires, on a : V1 = VT.ln (I1/Is1), et V3 = VT. ln (I2/n.Is2) Avec Isl et Is2, les courants de saturation respectifs des transistors montés en diode Ql et Q2 et VT la tension thermique qui correspond physiquement au rapport du coefficient de diffusion des charges à la mobilité des charges et qui peut s'exprimer de la façon suivante : VT = k.T q avec : k étant la constante de Boltzmann, T la température (en Kelvin) et q la charge élémentaire. -23 -1 Numériquement, k = 1,381.10 - J.K (Joule par Kelvin) -19 et q = 1,602. 10 C (coulomb). Par conséquent : AV = k.T.ln [Il . n.Is2] q Isl 12 Les transistors montés en diode Ql et Q2 sont avantageusement dessinés de manière strictement identique de façon à présenter les mêmes propriétés physiques, d'où Isl = Is2. De plus, on a déjà vu précédemment que, par recopie de courant, les courants Il et 12 sont identiques. La différence de potentiel AV aux bornes de la résistance R1 peut alors s'exprimer de la façon suivante : AV = k.T . ln (n) q Le courant 12, généré par la différence de potentiel AV aux bornes de la résistance Ri et circulant à travers la branche b2, s'exprime classiquement par la relation suivante : 12 = AV RI Or, par la recopie de courant dans le transistor MOS M3, les courants Iref et 12 sont identiques, par conséquent : Iref = k.T . ln(n)/Rl (1) q On comprend ici l'intérêt de placer n transistors Q2 en parallèle, puisque sans cette caractéristique, par le biais des simplifications dans les équations, le courant Iref de sortie de la source de référence en courant serait théoriquement nul. La relation (1) ci-dessus montre clairement que le courant Iref varie linéairement avec la température T (dans le cas idéal où la valeur de la résistance Ri ne varie pas avec la température), et la variation du courant Iref en fonction de la température s'exprime selon l'expression suivante : #Iref = k . ln(n)/Rl #T q Une telle source de courant de l'art antérieur présente donc un problème de stabilité du courant de référence fourni par rapport à la température. Cet aspect peut s'avérer rédhibitoire dans de nombreuses applications. C'est par conséquent un objet de la présente invention de pallier aux inconvénients de l'art intérieur susmentionnés en proposant une amélioration aux sources de courant du type de celles décrites à la figure 1 de sorte que le courant de référence fourni soit totalement indépendant de la température. A cet effet, l'invention prévoit de mettre en oeuvre un circuit de référence en courant dont la stabilité par rapport à la température dépend directement d'un rapport de résistance, ce qui permet de compenser les variations du courant de référence par rapport à la température en jouant sur les valeurs respectives de ces dites résistances. L'invention concerne donc une source de courant compensée en température comprenant une première branche fixant une tension de référence par l'intermédiaire d'une diode, une deuxième branche fixant un courant de référence et une troisième branche fournissant un courant de sortie stable en température obtenu par recopie dans un premier miroir de courant dudit courant fixé par ladite deuxième branche de référence en courant, un deuxième miroir de courant étant prévu pour recopier dans ladite première branche de référence en tension ledit courant fixé par ladite deuxième branche de référence en courant, tandis qu'un circuit de recopie en tension'recopie ladite tension de référence fixée par ladite première branche au niveau d'un noeud de ladite deuxième branche relié à la masse par l'intermédiaire d'une première résistance en série avec n diodes en parallèle, ladite source de courant étant caractérisée en ce que ladite deuxième branche de référence en courant comprend en plus une deuxième résistance connectée en parallèle avec l'ensemble composé de ladite première résistance ensérie avec les n diodes en parallèle, de façon à ce que les variations dudit courant de référence soient compensées en jouant sur les valeurs respectives desdites première et deuxième résistances. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma d'une source de courant selon l'art antérieur et a déjà été décrite; - la figure 2 est un schéma illustrant une source de courant compensée en température selon la présente invention et consistant en une amélioration de la source de courant de la figure 1 ; - la figure 3 est un schéma illustrant un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 4 est un schéma illustrant un mode de réalisation particulier à l'invention. La figure 2 représente donc la source de courant compensée en température selon l'invention. La description des caractéristiques structurelles et fonctionnelles déjà effectuée plus haut en référence à la figure 1 illustrant une source de courant de l'art antérieur, s'applique totalement au circuit de la figure 2 et reste valable dans le contexte de l'invention. En effet, la seule différence entre la source de courant selon l'invention et le circuit de la figure 1 représentant l'état de l'art consiste en l'adjonction d'une résistance R2 en parallèle avec la branche composée de la résistance R1 en série avec les n diodes en parallèle. La branche supplémentaire constituée de la résistance R2 est donc connectée entre la masse et le noeud N au potentiel V2, et est parcourue par un courant 13. Une approche physique de la solution peut être mise en oeuvre dans un premier temps de façon à raisonner sur les courants circulant dans les différentes branches du circuit selon l'invention et leurs variations en fonction de la température. Selon une caractéristique connue des transistors bipolaires, une augmentation de la température T provoque une diminution de la tension aux bornes d'un transistor bipolaire et plus précisément, de la tension base-émetteur. Cette diminution de la tension aux bornes d'un transistor bipolaire par rapport à la température est d'environ -2mV/ C (millivolts par degré Celsius). Aussi, une augmentation de la température T entraîne une diminution du potentiel V1. En effet, le potentiel VI est fixé par la diode Ql, laquelle est formée en utilisant le bipolaire parasite monté en diode d'un transistor MOS. Le potentiel V1 servant de référence au potentiel V2, celui-ci diminue donc également lorsque la température T augmente. Ainsi, la différence de potentiel aux bornes de la résistance R2 diminue, ce qui entraîne la diminution du courant 13 traversant la branche composée de la résistance R2 par application-de la loi d'Ohm. Dans l'autre branche en parallèle constituée de la résistance RI en série avec les n diodes Q2 en parallèle, une augmentation de la température T entraîne une augmentation de la valeur du courant 12 parcourant cette branche. En effet, le courant 12 est lié à la température T par la relation (1) vu précédemment en référence à la figure 1 et selon laquelle 12 = k.T . ln(n)/Rl. q Sous réserve des variations de la valeur de la résistance avec la température qui ne sont pas prises en compte ici, le courant 12 varie donc linéairement avec la température et dans le même sens que la température. Au vu des variations respectives des courants 12 et 13 en fonction de la température, il apparaît qu'en taillant correctement les résistances Ri et R2, il est possible d'obtenir un courant total 12 + 13 constant en température à travers les transistors M2 et M5 et donc, par recopie à travers le transistor MOS M3, un courant de référence Iref constant en température. En effet, le résultat (1) a tout d'abord permis d'établir la relation suivante : 12 = k.T . ln(n)/Rl. q On peut donc en déduire que la variation du courant 12 en fonction de la température T s'établit comme suit : #I2 = k . ln(n)/Rl. #T q Il est rappelé ici qu'en référence à la figure 2 illustrant le mode de réalisation préféré de l'invention, les variations des valeurs des résistances en fonction de la température T ne sont pas prises en compte. Egalement, en considérant la branche composée de la résistance R2, le courant 13 peut être exprimé de la manière suivante : 13 = V2 = VBE1 R2 R2 où VBE1 correspond à la tension base-émetteur du bipolaire parasite du transistor MOS utilisé pour former la diode Ql. Et sachant que, comme déjà vu précédemment, pour un transistor bipolaire, on a #VBE = -2mV/ C, la variation #T du courant 13 en fonction de la température peut s'exprimer ainsi : -3 813. = -2. 10 /R2. #T Le courant de référence Iref étant égale à la somme des courants 12 et 13 par recopie à travers le transistor MOS M3, la relation exprimant la variation du courant de référence en fonction de la température peut alors être établie comme suit : -3 #Iref = k . ln(n)/Rl-2.10 /R2 (2). #T q Le rapport #Iref doit alors être rendu nul pour assurer #T la constance du courant de référence Iref vis-à-vis de la température. Pour ce faire, il s'agit de tailler correctement les résistances Ri et R2 de sorte à obtenir un rapport de taille adéquat entre les deux résistances respectives Ri et R2, permettant d'annuler l'expression (2) ci-dessus. Par exemple, pour n=8, soit huit transistors montés en diode Q2 placés en parallèle, le rapport obtenu est R2=11.Rl. ce rapport entre les deux résistances Ri et R2 doit nécessairement être appliqué dans la mise en oeuvre de la source de courant pour obtenir la constance en température du courant de référence Iref. L'invention propose donc une solution simple et peu coûteuse pour optimiser le circuit de référence en courant de l'art antérieur tel qu'il a été décrit en référence à la figure 1, et permet ainsi d'obtenir, en rajoutant simplement un seul élément, un circuit stable en température. En fait, en jouant sur les valeurs respectives des résistances Ri et R2, les variations de courant par rapport à la température peuvent être compensées de manière à pouvoir fournir un courant de référence stable en température. La source de courant selon l'invention est donc d'une part, indépendante de la température et, d'autre part, très stable face aux variations de procédé de fabrication puisque sa stabilité dépend d'un rapport de résistance. La figure 3 présente un mode de réalisation particulier de l'invention qui est plus particulièrement prévu pour s'adapter au cas non idéal où les variations des valeurs des résistances en fonction de la température sont prises en compte. En effet, une telle prise en compte a pour conséquence directe d'introduire des termes de second ordre dans l'équation (2) vue plus haut. Or, la solution décrite précédemment en référence à la figure 2 ne permet pas de compenser ces termes de second ordre. La stabilité de la source de courant se trouve donc affaiblie lorsque ces termes de second ordre sont considérés. Pour remédier à ce problème, le mode de réalisation particulier de l'invention en référence à la figure 3 consiste en l'adjonction de la seconde résistance R2 à la branche de référence en courant b2 directement en parallèle avec l'ensemble des n transistors montés en diode Q2 en parallèle. Cette configuration particulière permet avantageusement de diminuer sensiblement la dérive en température au second ordre du courant de référence fourni par la source selon l'invention en jouant comme précédemment sur le rapport des résistances Ri et R2. il est à noter que la modélisation théorique de cette solution se faisant par un système non-linéaire d'équations, elle n'est pas présentée ici étant donné la complexité des calculs à mettre en oeuvre. Cependant, en considérant toujours un système qui prend en compte les variations de la valeur des résistances en fonction de la température, une meilleure stabilité de la source de courant peut encore être obtenue vis-àvis de la dérive en température au second ordre grâce à la configuration de la figure 4, qui illustre un autre mode de réalisation particulier de l'invention. Dans ce mode de réalisation particulier, la branche de référence en courant b2 décrite en référence à la figure 3 est cascadée . Autrement dit, une branche supplémentaire b2' est intercalée entre la branche b2 et la branche de sortie b3 de la source de courant selon l'invention. La branche supplémentaire b2' présente exactement la même structure que la branche de référence en courant b2 et comprend donc les mêmes éléments connectés de la même manière. Ainsi, la branche b2' comprend un premier transistor MOS M2' dont l'électrode de la source est connectée à l'alimentation VDD et dont l'électrode de grille et l'électrode de drain sont connectées l'une à l'autre. L'électrode de grille de M2' est également connectée à l'électrode de grille du transistor MOS M3 de façon à assurer la recopie du courant 12' généré dans la branche b2' au niveau de l'électrode de drain du transistor M3 avec Iref = 12'. L'électrode de drain du transistor M2' est connectée à l'électrode de source d'un deuxième transistor MOS M5' dont l'électrode de grille est connectée à l'électrode de grille du transistor M5 de la branche b2. Enfin, l'électrode de drain du deuxième transistor M5' de la branche supplémentaire est connectée à un noeud N'mis à la masse par l'intermédiaire d'une première résistance Ri' placée en série avec un ensemble de n/2 transistors MOS montés en diodes Q2' en parallèle, auxquels une seconde résistance R2' est directement connectée en parallèle. Dans cette configuration, la résistance R2' est donc disposée directement en parallèle avec l'ensemble de n/2 diodes Q2' de la même façon que dans la branche b2, la résistance R2 est disposée directement en parallèle avec un ensemble de n/2 diodes Q2. Une bonne compensation étant atteinte pour des rapports R2/R1 et R2'/R1' différents, le principe est de compenser de manière opposée les deux branches de manière à stabiliser le courant en température. La résistance R2' peut alors être optionnelle. REVENDICATIONS 1. Source de courant compensée en température comprenant une première branche (bl) fixant une tension de référence (V1) par l'intermédiaire d'une diode (Q1), une deuxième branche (b2) fixant un courant de référence et une troisième branche (b3) fournissant un courant de sortie (Iref) stable en température obtenu par recopie dans un premier miroir de courant (M2, M3) dudit courant fixé par ladite deuxième branche de référence en courant (b2), un deuxième miroir de courant (Ml, M2) étant prévu pour recopier dans ladite première branche de référence en tension (bl) ledit courant fixé par ladite deuxième branche de référence en courant (b2), tandis qu'un circuit de recopie en tension (M4, M5) recopie ladite tension de référence (V1) fixée par ladite première branche (bl) au niveau d'un noeud (N) de ladite deuxième branche (b2) relié à la masse par l'intermédiaire d'une première résistance (R1) en série avec n diodes (Q2) en parallèle, ladite source de courant étant caractérisée en ce que ladite deuxième branche de référence en courant (b2) comprend en plus une deuxième résistance (R2) connectée, soit en parallèle avec l'ensemble composé de ladite première résistance (R1) en série avec les n diodes (Q2) en parallèle, soit directement en parallèle avec les n diodes (Q2) en parallèle, de façon à ce que les variations dudit courant de référence (Iref) soient compensées en jouant sur les valeurs respectives desdites première (R1) et deuxième (R2) résistances. 2. Source de courant compensée en température selon la revendication 1 prise dans sa deuxième alternative, caractérisé en ce qu'elle comprend en plus un branche supplémentaire (b2') intercalée entre la branche de référence en courant (b2) et la branche de sortie (b3) de ladite source de courant et présentant exactement la même structure que ladite branche de référence en courant (b2), ladite branche de référence en courant (b2) et ladite branche supplémentaire (b2') comprenant alors chacune respectivement n/2 diodes en parallèle (Q2, Q2'). 3. Source de courant compensée en température selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les miroirs de courant (M2, M3 et Ml, M2) et le circuit de recopie en tension (M4, M5) sont mis en oeuvre par l'intermédiaire de transistors en technologie CMOS. 4. Source de courant compensée en température selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les diodes mises en oeuvre (Ql, Q2, Q2') sont formées par des transistors MOS dont le bipolaire parasite est monté en diode.