Brevet FR3084223A1 — publié le 20200124

Etage de sortie suiveur classe A La présente invention concerne un étage de sortie suiveur classe A du type comportant, entre deux rails d'alimentation : - un étage suiveur à paire de rétroactions complémentaires (CFP) comportant : - un étage d'amplification en source commune comportant deux transistors de puissance MOS de polarités différentes dont les sources sont reliées aux rails, les drains étant reliés ensemble pour former une sortie de l'étage de sortie, - deux transistors suiveurs de polarités différentes reliés par leur source à la sortie et dont les drains sont reliés à chacun des rails d'alimentation au travers d'une première source de courant, chaque transistor suiveur ayant son drain relié à la grille du transistor de puissance connecté à l'autre rail d'alimentation par l'intermédiaire d'un transistor monté en grille commune de polarité différente et dont le drain est relié à l'autre rail d'alimentation par une seconde source de courant, le transistor suiveur et le transistor de puissance reliés étant de même polarité ; et - un étage d'entrée comportant une entrée pour l'étage de sortie suiveur classe A, appliquée aux grilles des transistors suiveurs, caractérisé en ce qu'il comporte : - un circuit de polarisation à boucle translinéaire comportant deux transistors de polarisation translinéaires de polarités différentes reliés en parallèle entre les grilles des deux transistors de puissance; et - deux générateurs de tensions de référence distincts reliés chacun à la grille d'un des transistors translinéaires pour fixer le courant de repos des transistors de puissance. Il est souhaité, pour les amplificateurs audio de puissance analogique, que la tension de sortie puisse être comprise sur l'essentiel de l'étendue de la plage d'alimentation comprise entre les deux tensions continues extrêmes d'alimentation. Dans ce cas, l'amplificateur est qualifié de rail à rail, la sortie pouvant prendre toutes les valeurs comprises entre les deux tensions des rails d'alimentation. Une excursion de la tension de sortie entre les tensions des deux rails d'alimentation est complexe à obtenir lorsque les transistors de puissance utilisés sont des transistors de type MOS en montage suiveur ( Un tel circuit est décrit notamment dans le document IEEE Transactions On Circuits and Systems - Il: Analog and Digital Signal Processing, vol. 48, n° 8, August 2 2001, ayant pour titre «A Low Voltage, Rail-to-Rail, Class AB CMOS Amplifier with High Drive and Low Output Impedance Characteristics». Pour la commande des transistors, le circuit décrit dans le document précité met en oeuvre un sélecteur de minimum pour la définition du courant de repos des transistors 5 de puissance, qui nécessite la stabilisation d'une boucle. Il est relativement complexe à mettre au point. L'invention a pour but de proposer un étage de sortie suiveur classe A permettant une sortie quasi rail à rail et de structure simple. A cet effet l'invention a pour objet un étage de sortie d'amplification classe A du 10 type précité, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de polarisation à boucle translinéaire comportant deux transistors de polarisation translinéaires de polarités différentes reliés en parallèle entre les grilles des deux transistors de puissance et deux générateurs de tensions de référence distincts reliés chacun à la grille d'un des transistors translinéaires pour fixer le courant de repos des transistors de puissance. 15 Suivant des modes particuliers de réalisation, l'étage de sortie suiveur classe A comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - chaque générateur de tension de référence comporte au moins un transistor relié en série avec une source de courant de polarisation, les grilles d'un des transistors et des transistors translinéaires correspondant étant reliées ensemble ; 20 - chaque générateur de tension comporte deux transistors montés en série ; - les deux transistors montés en série de chaque source de tension, d'une part, et le transistor de puissance et le transistor translinéaire, d'autre part, ont deux à deux des facteurs de formes ratiométriques ; et - il comporte un étage suiveur de type c, diamond buffer » comportant deux 25 transistors d'entrée montés en série avec une source de courant de polarisation entre les deux rails, pour former l'étage d'entrée les grilles des deux transistors d'entrée étant reliés ensemble et formant l'entrée de l'étage d'entrée, les sources de chaque transistor d'entrée étant reliées aux grilles des transistors suiveurs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 30 donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique du circuit électrique d'un mode de réalisation de l'étage de sortie d'amplification de classe A selon l'invention. L'étage de sortie 8 présente une entrée 10 pour un signal Vh à amplifier et une sortie 12 pour un signal amplifié Vout. Il comporte deux rails d'alimentation continue 14, 15 35 de tensions par exemple opposées, entre lesquels la tension de sortie Vout est susceptible de varier. 3 Comme connu en soi, l'étage de sortie comporte un étage d'amplification à source commune 16 formé de deux transistors MOS 17, 18 de polarités différentes. La sortie 12 est aménagée entre les drains des deux transistors reliés ensemble. Les transistors sont chacun reliés aux rails d'alimentation 14, 15 par leur source, 5 un transistor MOS à canal P 17 ayant sa source reliée au rail 14 et un transistor MOS à canal N 18 ayant sa source reliée au rail 15. L'étage d'amplification à source commune 16 est intégré dans un étage suiveur 20 à paire de rétroactions complémentaires (« complementary feedback pair source follower » en anglais). Chaque transistor 17, 18 de l'étage d'amplification à source 10 commune 16 est commandé, depuis l'étage suiveur 20, par un transistor suiveur 24, 22 (connu sous le nom « source follower » en anglais) par l'intermédiaire d'un transistor monté en grille commune 28, 26. Les transistors 22 et 24 forment également l'étage de sortie d'un circuit suiveur 40 du type « diamond buffer » dont des transistors 42 et 44 forment l'étage d'entrée. 15 Ce circuit suiveur de type diamond buffer comporte comme connu en soi deux transistors de type MOS de polarités différentes 42, 44, chacun relié en série avec une source de courant 46, 48 entre les deux rails d'alimentation 14, 15. Ainsi, les sources de chaque transistor 42, 44 de type PMOS et NMOS respectivement, sont reliées, au travers de la source de courant respectivement 46, 48, 20 aux rails 14, 15, le drain étant relié directement à l'autre rail. L'entrée 10 de l'étage d'amplification est reliée directement à la grille de chaque transistor 42, 44. L'étage de sortie du circuit suiveur 40 de type diamond buffer comporte deux transistors suiveurs 22, 24 de type MOS, de polarités différentes, reliés en série par leur 25 source et dont les drains sont reliés aux rails d'alimentation 14, 15 au travers de sources de courant de polarisation 56, 58. Ainsi, le transistor 22 de type NMOS a son drain relié au rail d'alimentation 14 par la source de courant 56, alors que le transistor 24 de type PMOS a son drain relié au rail d'alimentation 15 par la source de courant 58. 30 Les grilles des transistors 22, 24 sont reliées respectivement aux sources des transistors 42, 44 de l'étage d'entrée du circuit 40 de type « diamond buffer » 40. L'étage suiveur 20 à paire de rétroactions complémentaires comporte, pour chaque transistor de puissance 17, 18, un transistor monté en grille commune de liaison 28, 26 de polarités différentes dont la source est connectée au drain du transistor suiveur 35 respectivement 24, 22 et dont le drain est connecté au rail opposé par une source de courant 66, 68. 4 Ainsi, le drain du transistor monté en grille commune 26 est relié au rail d'alimentation 15 par la source de courant 66, alors que le transistor monté en grille commune 28 est relié au rail d'alimentation 14 par la source de courant 68. Les grilles des transistors 26, 28 sont reliées à deux potentiels de référence. 5 Les grilles des transistors de puissance respectivement 17 et 18 sont reliées aux drains des transistors montés en grille commune respectivement 28 et 26. Le point de liaison des sources des transistors suiveurs 22, 24 est relié à la sortie 12, laquelle est donc constituée des points milieux entre les transistors suiveurs 22, 24 et les transistors de puissance 17 et 18. 10 Un circuit de polarisation à boucle translinéaire 70 est reliée entre les grilles des transistors de puissance 17, 18 pour définir un courant de repos dans les transistors 17 et 18 et fixer un courant minimum pour que les transistors ne s'éteignent pas. Cette boucle comporte deux branches reliées en parallèle comportant pour l'une un transistor MOS 72, pour l'autre 74, de polarités différentes, dont la source est reliée à 15 la grille des transistors de puissance 17, 18 respectivement. La grille de chaque transistor 72, 74 de la boucle translinéaire est reliée à un générateur de tension de référence propre noté respectivement 92, 94. Les générateurs de tension 92, 94, de structure symétrique, comportent chacun deux transistors 96, 98 respectivement 106, 108 connectés en diode et reliés en série 20 avec une source de courant de polarisation 112, 114 entre les deux rails d'alimentation 14 et 15. Ainsi, chaque transistor de type MOS, connecté en diode, a son drain relié à la grille. Les grilles des transistors 72, 74 sont reliées entre les deux transistors reliés en diodes 96, 98 et 106, 108 respectivement et la source de courant correspondante 112, 25 114. Les transistors reliés en diode 96, 98 du générateur de tension 92 connecté à la grille du transistor 72 ont respectivement des facteurs de forme W/L ratiométriques à ceux des transistors correspondants 17 et 72 de sorte que les tensions grille-source V' sont sensiblement identiques. 30 De même, les transistors montés en diode 106, 108 du générateur de tension 94 connecté à la grille du transistor 74 ont respectivement des facteurs de forme W/L ratiométriques à ceux des transistors de puissance 18 et transistor translinéaire 74. La grille de chaque transistor du circuit de polariation translinéaire 72, 74 est reliée au drain du transistor respectivement 98, 106, dont le drain est relié à la source de 35 polarisation 112, 114 de sorte que les tensions grille-source Vgs des deux transistors d'un même générateur de tension sont rigoureusement égales aux tensions grille-source Vgs 5 d'un transistor du circuit de polarisation translinéaire et du transistor de puissance correspondant pour le point de repos lout=0. Lors d'une augmentation du courant de sortie lout dans la charge, le transistor monté en suiveur (source follower) 24 verrait initialement son courant diminuer. Ceci a 5 pour effet d'augmenter le courant dans le transistor monté en grille commune 28 par l'action de la source de courant constante 66 et donc d'augmenter (en valeur absolue) la tension grille-source Vgs du transistor 17 qui fournirait la majorité du courant de sortie lout demandé. Ainsi, la portion du courant de sortie fournie par 22 est minimisée et la tension 10 grille-source Vgs de ce transistor varie peu par rapport à un étage de sortie suiveur composé d'un « diamond buffer » seul. Ainsi, la tension de sortie peut explorer une grande partie de la plage de tension entre les deux rails d'alimentation 14, REVENDICATIONS1. Etage (8) de sortie suiveur classe A comportant, entre deux rails d'alimentation (14, 15) : - un étage suiveur (20) à paire de rétroactions complémentaires comportant : - un étage (16) d'amplification en source commune comportant deux transistors de puissance MOS (17, 18) de polarités différentes dont les sources sont reliées aux rails (14, 15), les drains étant reliés ensemble pour former une sortie (12) de l'étage de sortie, - deux transistors suiveurs (22, 24) de polarités différentes reliés par leur source à la sortie (12) et dont les drains sont reliés à chacun des rails d'alimentation (14, 15) au travers d'une première source de courant (56, 58), chaque transistor suiveur (22, 24) ayant son drain relié à la grille du transistor de puissance (18, 17) connecté à l'autre rail d'alimentation (15, 14) par l'intermédiaire d'un transistor monté en grille commune (26, 28) de polarité différente et dont le drain est relié à l'autre rail d'alimentation (15, 14) par une seconde source de courant (66, 68), le transistor suiveur (22, 24) et le transistor de puissance (18, 17) reliés étant de même polarité ; et - un étage d'entrée (42, 44, 46, 48) comportant une entrée (10) pour l'étage de sortie suiveur classe A, appliquée aux grilles des transistors suiveurs (22, 24), caractérisé en ce qu'il comporte : - un circuit de polarisation à boucle translinéaire (70) comportant deux transistors de polarisation translinéaires (72, 74) de polarités différentes reliés en parallèle entre les grilles des deux transistors de puissance (17, 18); et - deux générateurs de tensions de référence distincts (92, 94) reliés chacun à la grille d'un des transistors translinéaires (72, 74) pour fixer le courant de repos des transistors de puissance (17, 18). 2. Etage de sortie selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque générateur de tension de référence (92, 94) comporte au moins un transistor (96, 98, 106, 108) relié en série avec une source de courant de polarisation (112, 114), les grilles d'un des transistors (96, 98, 106 108) et des transistors translinéaires (72, 74) correspondant étant reliées ensemble. 7 3. Etage de sortie selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque générateur de tension (92, 94) comporte deux transistors (96, 98, 106, 108) montés en série. 4. Etage de sortie selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux 5 transistors (96, 98, 106, 108) montés en série de chaque source de tension (92, 94), d'une part, et le transistor de puissance (17, 18) et le transistor translinéaire (72, 74), d'autre part, ont deux à deux des facteurs de formes ratiométriques. 5. Etage de sortie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un étage suiveur (40) de type « diamond buffer 10 comportant deux transistors d'entrée (42, 44) montés en série avec une source de courant de polarisation (46, 48) entre les deux rails (14, 15), pour former l'étage d'entrée (42, 44, 46, 48), les grilles des deux transistors d'entrée (42, 44) étant reliées ensemble et formant l'entrée (10) de l'étage d'entrée, les sources de chaque transistor d'entrée (42, 44) étant reliées aux grilles des transistors suiveurs (22, 24). 15 6. Amplificateur audio comportant un étage de sortie selon l'une quelconque des revendications précédentes. 20