Brevet FR3085563A1 — publié le 20200306

Etage de sortie classe A notamment pour casque audio La présente invention concerne un étage de sortie classe A du type comportant, entre deux rails d'alimentation : - un étage d'amplification comportant deux transistors de puissance MOS de mêmes polarités reliés ensemble en série entre une première tension d'alimentation et une tension de référence pour former, en leur point milieu, une sortie de l'étage de sortie, et - un étage d'entrée comportant une entrée pour l'étage de sortie classe A, dont la sortie d'étage d'entrée est appliquée aux grilles des transistors de puissance MOS, Il est souhaité, pour les amplificateurs 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 circuit permettant de limiter cet obstacle est décrit dans le document EP 2.518.896. 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 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 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 classe A du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte : - pour chaque transistor de puissance MOS, un circuit à boucle translinéaire, comportant un circuit de polarisation à boucle translinéaire comprenant un transistor de polarisation translinéaire principal et un transistor de polarisation secondaire de polarités différentes, reliés en parallèle entre une seconde tension d'alimentation et la tension de référence au travers de deux sources de courant, la source du transistor translinéaire principal et le drain du transistor translinéaire 2 secondaire de chaque circuit de polarisation à boucle translinéaire étant reliés à la grille d'un transistor de puissance correspondant ; et - deux générateurs de tension de référence distincts reliés chacun à la grille du transistor translinéaire principal d'un circuit à boucle translinéaire pour fixer le 5 courant de repos des transistors de puissance. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'étage de sortie 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 10 transistors et des transistors translinéaires correspondant étant reliées ensemble ; - 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 principal, d'autre part, 15 ont deux à deux des facteurs de formes ratiométriques ; les grilles des deux transistors de polarisation secondaire sont reliées à une même tension ; - les grilles des deux transistors de polarisation secondaire sont reliés à des tensions différentes ; et 20 - les deux transistors de puissance MOS sont chacun à canal N. L'invention a également pour objet un amplificateur audio, caractérisé en ce qu'il comporte un étage de sortie tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant à la figure unique qui est une 25 vue schématique du circuit électrique d'un mode de réalisation de l'étage de sortie de classe A selon l'invention. Il est destiné par exemple à être intégré dans un casque audio sans fils comprenant une batterie d'alimentation de faible capacité ayant une tension à ses bornes de 3,6 V. 30 L'étage de sortie 8 pour un amplificateur audio présente une entrée 10 pour un signal Vin à amplifier et une sortie 12 pour un signal amplifié V't. Il comporte deux rails d'alimentation continue 14, 15, entre lesquels la tension de sortie Voul est susceptible de varier. Le rail 14 correspond ici à une tension de référence formée de la masse et le rail 15 à une première tension d'alimentation continue Vdd par exemple égale à 1V. La tension 35 de 1V est fournie par la batterie via un convertisseur courant continu - courant continu. 3 L'étage de sortie comporte des moyens de commande du convertisseur de sorte que la tension Vdd est modulée en fonction de l'amplitude du signal de sortie. Avantageusement, la tension Vdd est abaissée lorsque l'amplitude du signal de sortie diminue afin de limiter la consommation électrique. 5 Comme connu en soi, l'étage de sortie 8 comporte un étage d'amplification 16 formé de deux transistors de puissance MOS 17, 18 de mêmes polarités. La sortie 12 est aménagée entre les deux transistors reliés ensemble en série. Les transistors 17, 18 sont chacun de type MOS à canal N. Les transistors sont reliés entre les deux rails d'alimentation 14, 15. Le transistor 10 MOS 17 a son drain relié au rail 15 alors que le transistor 18 a sa source reliée au rail 14. L'étage de sortie 8 comporte un étage d'entrée différentiel 22, propre à recevoir entre ses deux entrées 24, 26, le signal d'entrée différentiel L'étage d'entrée 22 comporte un étage de gain à transconductance 28, dont les deux sorties 30, 32 sont reliées chacune directement aux grilles des transistors 17, 18 respectivement pour leur 15 commande. Pour chaque transistor 17, 18 de l'étage d'amplification, l'étage de sortie comporte un circuit à boucle translinéaire 50, 52 respectivement. Chaque circuit 50, 52 est relié entre la masse 14 et une seconde tension de référence complémentaire 54 pour définir un courant de repos dans les transistors 17 et 18 et fixer un courant minimum pour que les 20 transistors 17, 18 ne s'éteignent pas. La seconde tension de référence est égale par exemple à 3,6 V et est fournie par la batterie. Les circuits 50, 52 comportent chacun un circuit de polarisation 60, 62 à boucle translinéaire respectivement relié entre la tension de référence 14 et la seule tension 25 d'alimentation 54 au travers de deux sources de courant notées respectivement 64, 66 pour le circuit de polarisation à boucle translinéaire 60 et notés 68, 70 pour le circuit de polarisation à boucle translinéaire 62. Chaque circuit de polarisation à boucle translinéaire 60, 62 comporte deux branches reliées en parallèle comportant pour l'une un transistor MOS de polarisation 30 translinéaire principal 72, 74 et pour l'autre un transistor de polarisation secondaire 76, 78. Les transistors d'un même circuit de polarisation à boucle translinéaire ont des polarités différentes. La grille de chaque transistor principal 72, 74 de chaque circuit de polarisation à boucle translinéaire 60, 62 est reliée à un générateur de tension de référence propre noté 35 respectivement 92, 94. 4 Les grilles des transistors secondaires 76, 78 sont reliées à une même tension de polarisation Vcase. En variante, les grilles des transistors 76, 78 sont soumises à des tensions de polarisation distinctes. Les générateurs de tension 92, 94, de structures identiques, comportent chacun 5 deux transistors 96, 98 respectivement 106, 108 connectés en diode et reliés en série avec une source de courant de polarisation 112, 114. 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, 10 114. 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 72 et 17 de sorte que les tensions grille-source V' sont sensiblement identiques. 15 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 du transistor translinéaire 74 et du transistor de puissance 18. Le générateur de tension de référence 92 propre au circuit de polarisation à boucle translinéaire 60 de polarisation du transistor 17 est relié entre la seconde tension 20 d'alimentation 54 et la sortie flottante 12, alors que le générateur de tension de référence 94 propre au circuit à boucle translinéaire 62 de polarisation du transistor 18 est relié entre la seconde tension d'alimentation 54 et la tension de référence 14, les sources de courant 112, 114 étant reliées directement à la seconde tension d'alimentation 54. La grille de chaque transistor 72, 74 du circuit de polarisation à boucle 25 translinéaire est reliée au drain du transistor respectivement 96, 106, dont le drain est relié à la source de polarisation 112, 114 de sorte que les tensions grille-source V' des deux transistors d'un même générateur de tension sont rigoureusement égales aux tensions grille-source V' d'un transistor du circuit de polarisation à boucle translinéaire et du transistor de puissance correspondant pour le point de repos lout=0. 30 Deux boucles translinéaires sont ainsi formées. Une première intégrant successivement les transistors 72, 17, 98 et 96 et une seconde intégrant successivement les transistors 74, 18, 108 et 106. Le fonctionnement de la polarisation à base de boucle translinéaire est expliqué en détail dans le brevet US4570128A. 35 Ici le fonctionnement d'une boucle translinéaire, par exemple celle qui fixe le courant de repos du transistor 18, est le suivant. 5 Par construction la somme des tensions grille-source Vgs du transistor 18 et du transistor de polarisation translinéaire principal 74 est égale à la somme des tensions Vgs des transistors 108 et 106. Si deux à deux (le transistor 18 avec le transistor 108 et le transistor de polarisation translinéaire principal 74 avec le transistor 106) les transistors 5 ont des facteurs de forme ratiométriques, les tensions Vgs du transistor de polarisation translinéaire principal 74 et du transistor 106 sont identiques et les tensions Vgs du transistor 18 et du transistor 108 sont identiques également. Le courant de repos dans le transistor 18, défini par sa tension Vgs, est donc fonction du courant dans le transistor 108 imposé par la source de courant de polarisation 114 et du ratio de taille entre le 10 transistor 108 et le transistor 18. Dans le cas d'un fonctionnement à faible signal de sortie (quelques mV par exemple), il est idéal de réduire le plus possible la tension Vdd pour ne pas dissiper inutilement en chaleur la différence entre la tension de sortie et Vdd. Dans le cas où le circuit 50 et 52 serait alimenté par la même tension Vdd que l'étage de sortie, la tension 15 minimale pour Vdd serait de l'ordre d'une tension grille-source Vgs d'un des transistors 17, 18 donc autour de 1V. Le fonctionnement présenté ici avec une tension différente pour l'étage de sortie permet d'alimenter ce dernier avec une tension bien moindre pouvant descendre à moins de 200mV donc une réduction significative des pertes dans celui-ci. 20 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 classe A comportant, entre deux rails d'alimentation (14, 15) : - un étage (16) d'amplification comportant deux transistors de puissance MOS (17, 18) de mêmes polarités reliés ensemble en série entre une première tension d'alimentation (15) et une tension de référence (14) pour former, en leur point milieu, une sortie (12) de l'étage de sortie ; et - un étage d'entrée (22) comportant une entrée (10) pour l'étage de sortie classe A, dont la sortie d'étage d'entrée (22) est appliquée aux grilles des transistors de puissance MOS (17, 18), caractérisé en ce qu'il comporte : - pour chaque transistor de puissance MOS (17, 18), un circuit à boucle translinéaire (50, 52), comportant un circuit de polarisation à boucle translinéaire (60, 62) comprenant un transistor de polarisation translinéaire principal (72, 74) et un transistor de polarisation secondaire (76, 78) de polarités différentes, reliés en parallèle entre une seconde tension d'alimentation (54) et la tension de référence (16) au travers de deux sources de courant (64, 66, 68, 70), la source du transistor translinéaire principal (72, 74) et le drain du transistor translinéaire secondaire (76, 78) de chaque circuit de polarisation à boucle translinéaire (60, 62) étant reliés à la grille d'un transistor de puissance (17, 18) correspondant ; et - deux générateurs de tension de référence distincts (92, 94) reliés chacun à la grille du transistor translinéaire principal (72, 74) d'un circuit à boucle translinéaire (50, 52) 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. 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 transistors (96, 98, 106, 108) montés en série de chaque source de tension (92, 94), 7 d'une part, et le transistor de puissance (17, 18) et le transistor translinéaire principal (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 que les grilles des deux transistors de polarisation secondaire (76, 78) 5 sont reliées à une même tension (V''). 6. Etage de sortie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les grilles des deux transistors de polarisation secondaire (76, 78) sont reliés à des tensions différentes. 7. Etage de sortie selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que les deux transistors de puissance MOS (17, 18) sont chacun à canal N. 8. Amplificateur audio, caractérisé en ce qu'il comporte un étage de sortie (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15