EP1248176A1 - Source de courant apte à fonctionner sous faible tension d'alimentation et à variation de courant avec la tension d'alimentation quasi nulle - Google Patents

Source de courant apte à fonctionner sous faible tension d'alimentation et à variation de courant avec la tension d'alimentation quasi nulle Download PDF

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EP1248176A1
EP1248176A1 EP02290442A EP02290442A EP1248176A1 EP 1248176 A1 EP1248176 A1 EP 1248176A1 EP 02290442 A EP02290442 A EP 02290442A EP 02290442 A EP02290442 A EP 02290442A EP 1248176 A1 EP1248176 A1 EP 1248176A1
Authority
EP
European Patent Office
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transistor
mirror
current
transistors
current source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02290442A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Sirito-Olivier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics SA
Original Assignee
STMicroelectronics SA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/267—Current mirrors using both bipolar and field-effect technology
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
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    • G—PHYSICS
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    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/265—Current mirrors using bipolar transistors only

Definitions

  • the present invention relates to a current source capable of operating under low supply voltage and current variation with almost zero supply voltage
  • This type of power source is used especially for polarizing circuits, for example operational amplifiers, which are intended for operate over wide voltage ranges.
  • polarizing circuits for example operational amplifiers
  • These devices can be radio, playback or reproduction devices his.
  • the supply voltage is relatively low, the order of 3V for example and it decreases with wear batteries until reaching about 2V or less.
  • the supply voltage is around 5V. There may have a ratio 2 or even 3 between the two tensions Power.
  • This current source produced in the example in bipolar technology, is connected between two supply terminals, one 20 brought to a high potential V DC and the other 21 brought to a low potential Vee, generally the ground.
  • the source comprises a core C and a current mirror M connected in series between the two supply terminals 20, 21.
  • the core C is the part of the source which governs the equation of the current of the source. Here, it is a so-called V BE / R source.
  • the core C comprises a transistor Q1, a resistor R for fixing the current and possibly an additional transistor Q2.
  • the core C is connected to one of the supply terminals 21, here the terminal 21 brought to the potential Vee.
  • the transistors Q1, Q2 of the heart are of the same type, here of the NPN type.
  • V BE represents a base-emitter voltage
  • V CE represents a collector-emitter voltage
  • the mirror M includes a pilot transistor Q5 and at least one feedback transistor Q4. It is connected to the other supply terminal 20, in the example that brought to the potential V CC .
  • the mirror transistors Q4, Q5, of the same type, here of PNP type, are complementary to those of the core C. They are produced at the same time and are therefore identical.
  • the transistor Q1 is connected between the power supply terminal 21 and the feedback transistor Q4 of the mirror M. These two transistors Q1, Q4 form between the two supply terminals 20, 21 a branch slave 22.
  • the base of transistor Q1 is connected to a first end of the fixing resistor R of current, the second end of resistor R is connected to the supply terminal 21 brought to the Vee potential.
  • the first end of resistance R is also connected to the pilot transistor Q5 of the mirror M via the additional transistor Q2.
  • the resistance R of fixing the current, the additional transistor Q2 and the pilot transistor Q5 form between the two terminals supply 20, 21 a pilot branch 23.
  • the transistor Q1 is mounted on a diode, it is to say that its base is connected to its collector via the additional transistor Q2.
  • the mirror M is connected to the other supply terminal 20, here that brought to the potential V CC .
  • the feedback transistor Q4 of the mirror M has its emitter connected to the power supply terminal 20 brought to the potential V CC , its collector connected to the transistor Q1 of the core C and its base connected to the base of the pilot transistor Q5 of the mirror M.
  • the pilot transistor Q5 of mirror M has its base connected to the base of the feedback transistor Q4 of mirror M and to its collector. It is mounted on a diode. Its collector is also connected to the resistance R of the core C via the additional transistor Q2. The emitter of the pilot transistor Q5 is connected to the supply terminal 20 brought to the potential V CC .
  • the bias current of the source is accessible at the level of the collector of an output transistor Q6 which is mounted as a feedback transistor opposite the mirror M. Its emitter is connected to the power supply terminal 20 brought to the potential V CC and its base at the base of the pilot transistor Q5 of the mirror M.
  • the output transistor Q6 is identical to the pilot transistor Q5.
  • I (V T / R) x ln (I / I S ) with V T thermal voltage equal to kT / q, in this ratio k is the Boltzmann constant, T the temperature in degrees Kelvin and q the charge of the electron. I S represents the saturation current of transistor Q2.
  • Ic (Q6) I x (1 + V THIS (Q6) / V EA (Q6)) / (1 + V THIS (Q5) / V EA (Q5)) with V EA (Q6) and V EA (Q5) the Early voltages of the transistors Q6 and Q5 respectively. They are equal, since the transistors Q6 and Q5 are of the same PNP type and identical.
  • the voltage V CE (Q5) is equal to V BE (Q5) since the pilot transistor Q5 is mounted as a diode.
  • the voltage V BE (Q5) remains substantially constant when V CC varies.
  • the current Ic (Q6) varies in the same direction as the potential difference between the two supply terminals 20, 21 because V CE (Q6) varies in the same direction as this potential difference.
  • This potential difference is in the following description assimilated to V CC since it was assumed that the supply terminal 21 was at ground potential.
  • This Q3 feedback transistor has its base connected to the base of transistor Q1, its emitter connected to the first supply terminal 21 carried at potential Vee and its collector forms another out of the source.
  • V BE (Q1) and V BE (Q2) remain substantially constant when V CC varies but V CE (Q3) varies in the same direction as V CC and therefore I C (Q3) varies in the same direction as V CC .
  • the characteristics of the circuits electronics biased by a current source are intrinsically linked to the current consumption of their components. For example, the gain of a transistor the stronger the current flowing through it is strong. We are looking for characteristics as constant as possible to control them and therefore the most constant bias current possible regardless of the voltage value Power.
  • the bias current source of the figure 1 is not entirely satisfactory at this point view.
  • this bias current source does not start until the supply voltage V CC reaches a relatively high value.
  • This characteristic presents a disadvantage when the supply voltage comes of a battery and that it is relatively discharged, the bias current source may not to start.
  • V CCmin V BE (Q1) + V BE (Q2) + V CEsat (Q4) or 2V BE + V CEsat .
  • V CCmin RI + V CEsat (Q2) + V BE (Q5)
  • V CCmin V BE (Q1) + V CEsat (Q2) + V BE (Q5)
  • V CCmin 2V BE + V CEsat .
  • V CCmin is of the order of 1.7 Volt.
  • the object of the present invention is precisely to remedy the drawbacks presented by the source shown in Figure 1.
  • the present invention is a current source intended to be mounted between two power terminals. It includes a mirror of current and a heart connected to each other and distinct. This current mirror and this heart form several branches to connect between the two terminals Power.
  • the mirror includes a pilot transistor and at least one feedback transistor, the heart has a first transistor, a second transistor and a resistance.
  • the first core transistor and the first connected copy transistor form the first branch, resistance and a second transistor recopy of the connected mirror form the second branch, the pilot transistor and the second core transistor connected form the third branch, the first core transistor being connected to the second branch between the resistor and the second feedback transistor, the second core transistor being connected to the first branch between the first transistor of the heart and the first feedback transistor.
  • An output transistor makes the source current, this transistor being a transistor additional mirror copy but placed outside plugged.
  • the mirror transistors are the same type. It is the same for the transistors of the heart. In addition the transistors of the heart and the transistors of the mirror are complementary.
  • the mirror transistors can be bipolar.
  • the pilot transistor of the mirror can be diode mounted through a transistor additional.
  • the mirror transistors can be MOS transistors.
  • the transistors of the heart can be bipolar transistors or MOS transistors.
  • the additional transistor can be bipolar or MOS type.
  • Figure 1 is a diagram electric from a conventional current source.
  • Figure 2 is an electrical diagram of a example of a current source according to the invention carried out in bipolar technology.
  • Figure 3 is an electrical diagram of a another example of a current source according to the invention realized in bipolar technology.
  • Figure 4 is an electrical diagram of a another example of a current source according to the invention with the heart in MOS technology and the current mirror in bipolar technology.
  • Figure 5 is an electrical diagram of a example of a current source according to the invention with the heart in bipolar technology and the current mirror in MOS technology.
  • FIG. 6 is a diagram representing the current of the source of FIG. 1 as a function of the supply voltage V DC .
  • FIG. 7 is a diagram representing the current of the current source of FIG. 2 as a function of the supply voltage V DC .
  • This source has several branches 24, 25, 26, each branch is mounted between the two power terminals.
  • This current source has as in the prior art a C1 core and a Mi current mirror distinct from the heart C1, this mirror Mi and this heart C1 are connected to each other. We will detail them for highlight the differences with the prior art.
  • the C1 core is connected to one of the terminals supply 21, here the power supply terminal at Vee potential.
  • Heart C1 is formed of a resistance R1 for fixing the current and two transistors T1, T2 of the same type. Each of these elements belongs to a different branch.
  • the current mirror Mi is connected to the other supply terminal 20, here the supply terminal 20 brought to the potential V CC .
  • the current mirror Mi comprises a pilot transistor T5 and two feedback transistors T4 and T3, these three transistors belonging to different branches.
  • the first feedback transistor T4 and the first transistor T1 of the connected core C1 form the first branch 25.
  • the second feedback transistor T3 and the connected resistor R1 form the second branch 24.
  • the pilot transistor T5, mounted as a diode, and the second transistor T2 of the connected core C1 form the third branch 26.
  • the first transistor of the core T1 is connected to the second branch 24 between the resistor R1 and the second copy transistor T3.
  • the second transistor T2 of the heart C1 is connected to the first branch 25 between the first T4 feedback transistor and the first transistor T1 of the core C1.
  • the Mi mirror transistors are of the same type, here of type PNP.
  • the transistors of the core C1 are of the same type, here NPN type, they are complementary to transistors of mirror.
  • the resistor R1 has one of its ends connected to the supply terminal 21 brought to the potential Vee and its other end connected on the one hand to the base of the first transistor T1 of the core C1 and on the other hand to the collector of the second transistor copy T3 of the mirror Mi.
  • the second copy transistor T3 has its emitter connected to the supply terminal 20 brought to the potential V CC and its base connected to the base of the pilot transistor T5 of the mirror Mi.
  • the first transistor T1 of the core C1 has its emitter connected to the supply terminal 21 brought to the potential Vee, and its collector connected on the one hand to the collector of the first feedback transistor T4 of the mirror Mi and on the other hand to the base of the second transistor T2 of the core C1.
  • the base of the first feedback transistor T4 is connected to the base of the pilot transistor T5 and its emitter is connected to the supply terminal 20 brought to the potential V CC .
  • the second transistor T2 of the core C1 has its emitter connected to the supply terminal 21 brought to the potential Vee and its collector connected to the collector of the pilot transistor T5.
  • the pilot transistor T5 has its emitter connected to the supply terminal brought to the potential V CC and as it is mounted as a diode, its base and its collector are connected together.
  • the mirror Mi also includes a transistor T6 outlet which makes the current from the source.
  • This output transistor T6 is a mirror copy transistor Mi. It is mounted as in the conventional source in Figure 1.
  • Is represents the saturation current of transistor T1.
  • the transistor T6 will have the same Early effect as the transistor T3 which supplies the current to the resistor R1.
  • the transistor which supplied the current to the resistance R was the transistor Q5, it was precisely the pilot transistor of the mirror M.
  • Ic (T6) IX (1+ (V THIS (T6) / V EA (T6)) / (1+ (V THIS (T3) / V EA (T5))
  • Ic (T6) Ix (1+ (V THIS (T6) / V EA (T6)) / (1+ ((V CC -V BE (T1)) / V EA (T5))
  • a component (not shown) of the circuit to be supplied is intended to be connected between the collector of the output transistor T6 and the supply terminal 21 brought to the potential Vee.
  • the voltage V CE (T6) can then be expressed in the same way as the voltage V CE (T3), that is to say in the form of a voltage difference V DC minus the voltage across the terminals of the component (not shown). ). Consequently, the two differences vary in the same way as a function of V CC and their ratio becomes almost constant and independent of V CC .
  • V CCmin V BE (T1) + V CEesat (T3)
  • V CCmin V BE (T2) + V CESAT (T4)
  • V CCmin V BE (T5) + V CESAT (T2)
  • V CCmin V BE + V CESAT
  • This voltage V CCmin is of the order of a volt with bipolar transistors.
  • the boot is clearly visible, it matches the steep front of the graphics and occurs around 1.7 Volt in Figure 6 and around 0.9 Volt in the figure 7.
  • the additional transistor T7 is a PNP transistor like other mirror transistors Mi. Its base is connected to the collector of the transistor pilot T5, its transmitter is connected to the base of the pilot transistor T5 and its collector is connected to the supply terminal 21 brought to potential Vee.
  • the transistor additional could be a MOS transistor. This variant is illustrated in Figure 4.
  • the transistor T7 is used to compensate for base currents of the transistors of the mirror Mi produced in bipolar technology.
  • the configurations which have been described do not contained only bipolar transistors. It is possible that the C1 core is made with MOS transistors as illustrated in figure 4.
  • the mirror Mi is identical to that of figure 3 except of the additional transistor which is now a MOS transistor called M7. He could be absent.
  • the core C1 includes the resistance R1 and now two MOS transistors M1 and M2.
  • the connections are comparable to those in Figure 2.
  • the drain of transistor M1 is connected on the one hand to the gate of transistor M2 and on the other hand to the collector of transistor T4.
  • the source of transistor M1 is connected to the supply terminal 21 brought to the potential Vee.
  • the gate of transistor M1 is connected to one of ends of resistor R1.
  • the source of the transistor M2 is connected to the power supply terminal 21 carried to the potential Vee, the drain of transistor M2 is connected to collector of the pilot transistor T5.
  • This current source instead of being qualified as a source in V BE / R is qualified as a source in V GS / R.
  • the Mi mirror now has a pilot transistor M5, two feedback transistors M4 and M3 and an output transistor M6.
  • the second feedback transistor M3 has its source connected to the power supply terminal 20 brought to the potential V cc , its gate is connected to the gate of the pilot transistor M5, its drain is connected to the resistor R1 of the core C1.
  • the gate of the first feedback transistor M4 is connected to the gate of the pilot transistor M5, its source is connected to the supply terminal 20 brought to the potential V CC and its drain to the collector of the transistor T1 of the core C1.
  • the pilot transistor M5 has its source connected to the power supply terminal brought to the potential V CC and as it is mounted as a diode, its gate and its drain are connected together. Its drain is also connected to the collector of the transistor T2 of the core C1.
  • the output transistor M6 has its gate connected to the gate of the pilot transistor M5, its source is connected to the supply terminal 20 brought to the potential V CC and its drain is intended to be connected to a user device not shown.
  • All the transistors which have been described could be replaced by their complementary ones by reversing the supply terminals.
  • the emitters or the sources of the transistors which were connected to the power supply terminal brought to the potential Vee would now be connected to the power supply terminal brought to the potential V CC and vice versa.
  • the resistor R1 instead of being connected to the power supply terminal brought to the potential Vee, it would be connected to the power supply terminal brought to the potential V CC .
  • the direction of current at the user device would be reversed.

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Abstract

Il s'agit d'une source de courant destinée à être montée entre deux bornes d'alimentation (20, 21). Elle comporte un miroir de courant (Mi) et un coeur (C1) connectés l'un à l'autre. Le miroir (Mi) comporte un transistor pilote (T5) et au moins un transistor de recopie (T4). Le coeur (C1) comporte un premier transistor (T1), un second transistor (T2) et une résistance (R1). Le premier transistor (T1) du coeur (C1) et le premier transistor (T4) de recopie reliés forment une première branche (25). La résistance (R1) et un second transistor de recopie (T3) reliés forment une seconde branche (24). Le transistor pilote (T5) et le second transistor du coeur (T2) reliés forment une troisième branche (26). Ces branches sont à connecter entre les deux bornes d'alimentation. Le premier transistor (T1) du coeur est relié à la seconde branche (24) entre la résistance (R1) et le second transistor (T3) de recopie. Le second transistor (T2) du coeur est relié à la première branche (25) entre le premier transistor (T1) du coeur et le premier transistor de recopie (T4). <IMAGE>

Description

DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est relative à une source de courant apte à fonctionner sous faible tension d'alimentation et à variation de courant avec la tension d'alimentation quasi nulle
Ce type de source de courant est utilisé notamment pour polariser des circuits, par exemple des amplificateurs opérationnels, qui sont destinés à fonctionner sur de larges plages de tension. On peut penser par exemple à des appareils portables qui peuvent être alimentés soit avec batterie, soit sur secteur. Ces appareils peuvent être des appareils de radio, des appareils de lecture ou de reproduction du son. Lorsque ces appareils fonctionnent sur batterie la tension d'alimentation est relativement basse, de l'ordre de 3V par exemple et elle diminue avec l'usure des batteries jusqu'à atteindre environ 2V voire moins. Lorsque ces appareils fonctionnent sur secteur, la tension d'alimentation est de l'ordre de 5V. Il peut y avoir un rapport 2 voire 3 entre les deux tensions d'alimentation.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Actuellement les sources de courant employées dans ce type d'application sont telles que celle illustrée sur la figure 1.
Cette source de courant, réalisée dans l'exemple en technologie bipolaire, est connectée entre deux bornes d'alimentation, l'une 20 portée à un potentiel haut VCC et l'autre 21 portée à un potentiel bas Vee, généralement la masse.
La source comporte un coeur C et un miroir M de courant montés en série entre les deux bornes d'alimentation 20, 21. Le coeur C est la partie de la source qui régit l'équation du courant de la source. Ici, il s'agit d'une source dite en VBE/R. Le coeur C comporte un transistor Q1, une résistance R de fixation du courant et éventuellement un transistor additionnel Q2. Le coeur C est connecté à l'une des bornes d'alimentation 21, ici la borne 21 portée au potentiel Vee. Les transistors Q1, Q2 du coeur sont de même type, ici de type NPN.
Dans la suite de la description, une tension notée VBE représente une tension base-émetteur et une tension notée VCE représnte une tension collecteur-émetteur.
Le miroir M comporte un transistor pilote Q5 et au moins un transistor de recopie Q4. Il est relié à l'autre borne d'alimentation 20, dans l'exemple celle portée au potentiel VCC. Les transistors de miroir Q4, Q5, de même type, ici de type PNP, sont complémentaires à ceux du coeur C. Ils sont réalisés en même temps et sont donc identiques.
Le transistor Q1 est connecté entre la borne d'alimentation 21 et le transistor de recopie Q4 du miroir M. Ces deux transistors Q1, Q4 forment entre les deux bornes d'alimentation 20, 21 une branche asservie 22.
La base du transistor Q1 est connectée à une première extrémité de la résistance R de fixation du courant, la seconde extrémité de la résistance R est connectée à la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee. La première extrémité de la résistance R est aussi reliée au transistor pilote Q5 du miroir M via le transistor additionnel Q2. La résistance R de fixation du courant, le transistor additionnel Q2 et le transistor pilote Q5 forment entre les deux bornes d'alimentation 20, 21 une branche pilote 23.
Le transistor Q1 est monté en diode, c'est à dire que sa base est reliée à son collecteur via le transistor additionnel Q2.
Le miroir M est connecté à l'autre borne d'alimentation 20, ici celle portée au potentiel VCC.
Le transistor de recopie Q4 du miroir M a son émetteur connecté à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC, son collecteur connecté au transistor Q1 du coeur C et sa base connectée à la base du transistor pilote Q5 du miroir M.
Le transistor pilote Q5 du miroir M a sa base connectée à la base du transistor de recopie Q4 du miroir M et à son collecteur. Il est monté en diode. Son collecteur est aussi relié à la résistance R du coeur C via le transistor additionnel Q2. L'émetteur du transistor pilote Q5 est connecté à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC.
Le courant de polarisation de la source est accessible au niveau du collecteur d'un transistor de sortie Q6 qui est monté en transistor de recopie vis à vis du miroir M. Son émetteur est connecté à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC et sa base à la base du transistor pilote Q5 du miroir M. Le transistor de sortie Q6 est identique au transistor pilote Q5.
Cette source de polarisation est décrite page 324 de l'ouvrage « Analysis and Design of Analog Integrated Circuit» de PR GRAY et R.G. MEYER, 3ème Edition.
Au premier ordre, on peut considérer que dans le coeur C, le courant I qui traverse la résistance R et qui correspond au courant collecteur du transistor Q2 est le même que celui qui circule dans la branche 22 par effet miroir.
On a donc : I = (VT/R) x ln(I/IS)    avec VT tension thermique valant kT/q, dans ce rapport k est la constante de Boltzmann, T la température en degré Kelvin et q la charge de l'électron. IS représente le courant de saturation du transistor Q2.
La connaissance de I permet de déterminer l'expression du courant de polarisation Ic(Q6) de la source au niveau du transistor de sortie Q6 : Ic(Q6) = I x (1+VCE(Q6)/VEA(Q6))/(1+VCE(Q5)/VEA(Q5))    avec VEA(Q6) et VEA(Q5) les tensions d'Early des transistors Q6 et Q5 respectivement. Elles sont égales, puisque les transistors Q6 et Q5 sont de même type PNP et identiques.
La tension VCE(Q5) est égale à VBE(Q5) puisque le transistor pilote Q5 est monté en diode. La tension VBE(Q5) reste sensiblement constante lorsque VCC varie.
Le courant Ic(Q6) varie dans le même sens que la différence de potentiel entre les deux bornes d'alimentation 20, 21 car VCE(Q6) varie dans le même sens que cette différence de potentiel. Cette différence de potentiel est dans la suite de l'exposé assimilée à VCC puisqu'on a supposé que la borne d'alimentation 21 était au potentiel de la masse.
Si l'on veut obtenir un courant de polarisation de sens inverse au courant Ic(Q6) c'est-à-dire complémentaire au courant Ic(Q6), on peut ajouter un second transistor de sortie Q3 monté en miroir avec le transistor Q1 du coeur. Dans ce second miroir, le transistor Q1 est le transistor pilote et le transistor Q3 est un transistor de recopie.
Ce transistor de recopie Q3 a sa base connectée à la base du transistor Q1, son émetteur connecté à la première borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee et son collecteur forme une autre sortie de la source.
Le courant collecteur du transistor Q3 est donné par : IC(Q3)=Ix(1+VCE(Q3)/VEA(Q3))/(1+VCE(Q1)/VEA(Q1)) IC(Q3)=Ix(1+VCE(Q3)/VEA(Q3))/(1+(VBE(Q1)+VBE(Q2))/VEA(Q1))    VEA(Q3) et VEA(Q1) sont les tensions d'Early des transistors Q3 et Q1 respectivement, elles sont égales et correspondent à des tensions d'Early de transistors NPN puisque Q1 et Q3 sont tous les deux des transistors NPN identiques.
Ici encore VBE(Q1) et VBE(Q2) restent sensiblement constants lorsque VCC varie mais VCE(Q3) varie dans le même sens que VCC et donc IC(Q3) varie dans le même sens que VCC.
Les caractéristiques des circuits électroniques polarisés par une source de courant sont intrinsèquement liées à la consommation en courant de leurs composants. Par exemple, le gain d'un transistor est d'autant plus fort que le courant qui le traverse est fort. On cherche à avoir des caractéristiques les plus constantes possibles pour les maítriser et donc à ce que le courant de polarisation soit le plus constant possible quelle que soit la valeur de la tension d'alimentation.
La source de courant de polarisation de la figure 1 ne donne pas toute satisfaction à ce point de vue.
De plus, cette source de courant de polarisation ne démarre que lorsque la tension d'alimentation VCC atteint une valeur relativement élevée.
Cette caractéristique présente un inconvénient lorsque la tension d'alimentation provient d'une batterie et que celle-ci est relativement déchargée, la source de courant de polarisation risque de ne pas démarrer.
La tension d'alimentation minimale pour faire démarrer la source de courant est donnée par : VCCmin = VBE(Q1) + VBE(Q2) + VCEsat(Q4)    soit 2VBE + VCEsat.
Cette équation provient de la branche 22. Dans la branche 23 on aurait : VCCmin = RI + VCEsat(Q2) + VBE(Q5) VCCmin = VBE(Q1) + VCEsat(Q2) + VBE(Q5)    soit VCCmin = 2VBE + VCEsat.
Avec des transistors bipolaires cette tension VCCmin est de l'ordre de 1,7 Volt.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a justement pour but de remédier aux inconvénients présentés par la source de courant illustrée à la figure 1.
Elle propose une source de courant dont le courant est quasiment constant lorsque la tension d'alimentation varie et qui de plus peut démarrer pour une faible valeur de tension d'alimentation.
Plus précisément, la présente invention est une source de courant destinée à être montée entre deux bornes d'alimentation. Elle comporte un miroir de courant et un coeur connectés l'un à l'autre et distincts. Ce miroir de courant et ce coeur forment plusieurs branches à connecter entre les deux bornes d'alimentation. Le miroir comporte un transistor pilote et au moins un transistor de recopie, le coeur comporte un premier transistor, un second transistor et une résistance.
Le premier transistor du coeur et le premier transistor de recopie reliés forment la première branche, la résistance et un second transistor de recopie du miroir reliés forment la seconde branche, le transistor pilote et le second transistor du coeur reliés forment la troisième branche, le premier transistor du coeur étant relié à la seconde branche entre la résistance et le second transistor de recopie, le second transistor du coeur étant relié à la première branche entre le premier transistor du coeur et le premier transistor de recopie.
Un transistor de sortie rend accessible le courant de la source, ce transistor étant un transistor de recopie supplémentaire du miroir mais placé hors branche.
Les transistors du miroir sont de même type. Il en est de même pour les transistors du coeur. De plus les transistors du coeur et les transistors du miroir sont complémentaires.
Les transistors du miroir peuvent être bipolaires.
De manière à compenser les courants de base des transistors de miroir, le transistor pilote du miroir peut être monté en diode à travers un transistor supplémentaire.
Les transistors du miroir peuvent être des transistors MOS.
De la même manière, les transistors du coeur peuvent être des transistors bipolaires ou des transistors MOS.
Le transistor supplémentaire peut être de type bipolaire ou de type MOS.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à la lecture de la description qui suit illustrée par les figures jointes.
La figure 1 (déjà décrite) est un schéma électrique d'une source de courant classique.
La figure 2 est un schéma électrique d'un exemple de source de courant selon l'invention réalisée en technologie bipolaire.
La figure 3 est un schéma électrique d'un autre exemple de source de courant selon l'invention réalisée en technologie bipolaire.
La figure 4 est un schéma électrique d'un autre exemple de source de courant selon l'invention avec le coeur en technologie MOS et le miroir de courant en technologie bipolaire.
La figure 5 est un schéma électrique d'un exemple de source de courant selon l'invention avec le coeur en technologie bipolaire et le miroir de courant en technologie MOS.
La figure 6 est un diagramme représentant le courant de la source de la figure 1 en fonction de la tension d'alimentation VCC.
La figure 7 est un diagramme représentant le courant de la source de courant de la figure 2 en fonction de la tension d'alimentation VCC.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère à la figure 2.
On retrouve comme sur la figure 1, les deux bornes d'alimentation 20, 21 l'une portée au potentiel haut VCC et l'autre portée au potentiel bas Vee, généralement la masse.
Lorsqu'on va parler de tension d'alimentation, il s'agit en fait de la différence de potentiel entre le potentiel VCC de la borne d'alimentation 20 et le potentiel Vee de la borne d'alimentation 21. Dans ce cas, il s'agit de VCC puisqu'on a supposé que la borne d'alimentation 21 était portée à la masse.
Cette source comporte plusieurs branches 24, 25, 26, chaque branche est montée entre les deux bornes d'alimentation.
Cette source de courant possède comme dans l'art antérieur un coeur C1 et un miroir de courant Mi distinct du coeur C1, ce miroir Mi et ce coeur C1 sont connectés l'un à l'autre. On va les détailler pour faire ressortir les différences avec l'art antérieur.
Le coeur C1 est connecté à l'une des bornes d'alimentation 21, ici la borne d'alimentation portée au potentiel Vee. Le coeur C1 est formé d'une résistance R1 de fixation du courant et de deux transistors T1, T2 de même type. Chacun de ces éléments appartient à une branche différente.
Le miroir de courant Mi est connecté à l'autre borne d'alimentation 20, ici la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC. Le miroir de courant Mi comporte un transistor pilote T5 et deux transistors de recopie T4 et T3, ces trois transistors appartenant à des branches différentes.
Le premier transistor de recopie T4 et le premier transistor T1 du coeur C1 reliés forment la première branche 25. Le second transistor de recopie T3 et la résistance R1 reliés forment la seconde branche 24. Le transistor pilote T5, monté en diode, et le second transistor T2 du coeur C1 reliés forment la troisième branche 26.
Le premier transistor du coeur T1 est relié à la seconde branche 24 entre la résistance R1 et le second transistor de recopie T3. Le second transistor T2 du coeur C1 est relié à la première branche 25 entre le premier transistor de recopie T4 et le premier transistor T1 du coeur C1.
Dans l'exemple de la figure 2, les transistors de miroir Mi sont de même type, ici de type PNP. Les transistors du coeur C1 sont de même type, ici de type NPN, ils sont complémentaires des transistors de miroir.
On va décrire plus précisément les connexions des composants de la figure 2.
La résistance R1 a une de ses extrémités reliée à la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee et son autre extrémité reliée d'une part à la base du premier transistor T1 du coeur C1 et d'autre part au collecteur du second transistor de recopie T3 du miroir Mi. Le second transistor de recopie T3 a son émetteur relié à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC et sa base reliée à la base du transistor pilote T5 du miroir Mi.
Le premier transistor T1 du coeur C1 a son émetteur relié à la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee, et son collecteur relié d'une part au collecteur du premier transistor de recopie T4 du miroir Mi et d'autre part à la base du second transistor T2 du coeur C1. La base du premier transistor de recopie T4 est reliée à la base du transistor pilote T5 et son émetteur est relié à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC.
Le second transistor T2 du coeur C1 a son émetteur relié à la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee et son collecteur relié au collecteur du transistor pilote T5. Le transistor pilote T5 a son émetteur relié à la borne d'alimentation portée au potentiel VCC et comme il est monté en diode, sa base et son collecteur sont reliés ensemble.
Le miroir Mi comporte de plus un transistor de sortie T6 qui permet de rendre accessible le courant de la source. Ce transistor de sortie T6 est un transistor de recopie du miroir Mi. Il est monté comme dans la source conventionnelle de la figure 1.
Ainsi sa base est reliée à la base du transistor pilote T5, son émetteur est relié à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC et son collecteur est destiné à être relié à un dispositif utilisateur du courant qui n'est pas représenté.
On va maintenant écrire les équations en courant qui régissent cette source de courant.
Dans le coeur, le courant traversant la résistance R1 est au premier ordre, tel que : I = VBE(T1)/R1 I = VT x ln(I/Is)
Is représente le courant de saturation du transistor T1.
En tenant compte de l'effet Early, le courant de polarisation de la source, disponible au niveau du collecteur du transistor T6, est tel que : Ic(T6)=Ix(1+(VCE(T6)/VEA(T6))/(1+(VCE(T5)/VEA(T5)) Ic(T6)=Ix(1+(VCE(T6)/VEA(T6))/(1+(VBE(T5)/VEA(T5))
Mais lorsque la tension d'alimentation VCC varie, le courant I va légèrement varier à cause des effets Early des transistors T3 et T4. Le transistor T6 va avoir le même effet Early que le transistor T3 qui fournit le courant à la résistance R1. Précédemment, le transistor qui fournissait le courant à la résistance R était le transistor Q5, c'était précisément le transistor pilote du miroir M.
On obtient donc : Ic(T6)=IX(1+(VCE(T6)/VEA(T6))/(1+(VCE(T3)/VEA(T5)) Ic(T6)=Ix(1+(VCE(T6)/VEA(T6))/ (1+( (VCC-VBE(T1))/VEA(T5))
Un composant (non représenté) du circuit à alimenter est destiné à être connecté entre le collecteur du transistor de sortie T6 et la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee. La tension VCE(T6) peut alors s'exprimer de la même manière que la tension VCE(T3), c'est à dire sous forme d'une différence de tension VCC moins la tension aux bornes du composant (non représenté). En conséquence, les deux différences varient de la même manière en fonction de VCC et leur rapport devient quasiment constant et indépendant de VCC.
Le courant Ic(T6) de la source de courant selon l'invention est quasiment constant lorsque la tension d'alimentation varie.
En ce qui concerne la tension d'alimentation minimum VCCmin assurant le démarrage de la source de courant, elle est donnée, pour la branche 24, par : VCCmin = VBE(T1) + VCEesat(T3) Pour la branche 25 on a : VCCmin = VBE(T2) + VCesat(T4) Pour la branche 26 on obtient : VCCmin = VBE(T5) + VCesat(T2) VCCmin = VBE + VCesat
Cette tension VCCmin est de l'ordre d'un volt avec des transistors bipolaires.
On se réfère maintenant aux figures 6 et 7. Sur la figure 6, on voit qu'avec la source de la figure 1, le courant Ic(Q6) varie entre -10 microampères et -12 microampères alors que la tension d'alimentation VCC varie entre 1,7 Volt et 5,5 Volts. Sur la figure 7, on voit qu'avec la source de la figure 2, le courant Ic(T6) reste à environ -10 microampères alors que la tension d'alimentation VCC varie entre 0,9 Volt et 5,5 Volts.
Le démarrage est bien visible, il correspond au front raide des graphiques et se produit vers 1,7 Volt sur la figure 6 et vers 0,9 Volt sur la figure 7.
Les essais qui ont permis d'établir les graphiques des figures 6 et 7 montrent également que le courant Ic(Q6) varie de +3,4%/V alors que le courant Ic(T6) ne varie que de +0,03‰/V. Les tensions d'Early des transistors NPN étaient de 75 Volts, celle des transistors PNP était de 62 Volts et le courant I étaient de 10 microampères environ.
On se réfère à la figure 3. Si la tension de démarrage faible n'est plus une contrainte à respecter, il est possible de monter le transistor pilote T5 du miroir Mi en diode à travers un transistor additionnel T7.
Le transistor additionnel T7, est un transistor PNP comme les autres transistors du miroir Mi. Sa base est reliée au collecteur du transistor pilote T5, son émetteur est relié à la base du transistor pilote T5 et son collecteur est relié à la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee. Au lieu d'être un transistor bipolaire de même type que les transistors de miroir T3 à T6, le transistor additionnel pourrait être un transistor MOS. Cette variante est illustrée sur la figure 4.
Le transistor T7 sert à compenser les courants base des transistors du miroir Mi réalisés en technologie bipolaire.
Dans cette variante la tension d'alimentation minimum VCCmin pour obtenir le démarrage devient : VCCmin = VBE(T5) + VBE(T7) + VCEsat(T2)    soit VCCmin = 2VBE + VCEsat.
Les configurations qui ont été décrites ne contenaient que des transistors bipolaires. Il est possible que le coeur C1 soit réalisé avec des transistors MOS comme l'illustre la figure 4. Le miroir Mi est identique à celui de la figure 3 à l'exception du transistor additionnel qui est maintenant un transistor MOS dénommé M7. Il pourrait être absent.
Le coeur C1 comporte la résistance R1 et maintenant deux transistors MOS M1 et M2. Les branchements sont comparables à ceux de la figure 2. Le drain du transistor M1 est relié d'une part à la grille du transistor M2 et d'autre part au collecteur du transistor T4. La source du transistor M1 est reliée à la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee. La grille du transistor M1 est reliée à l'une des extrémités de la résistance R1. La source du transistor M2 est reliée à la borne d'alimentation 21 portée au potentiel Vee, le drain du transistor M2 est relié au collecteur du transistor pilote T5.
Cette source de courant au lieu d'être qualifiée de source en VBE/R est qualifiée de source en VGS/R.
Une autre variante est représentée à la figure 5. Maintenant ce sont les transistors du miroir Mi qui sont des transistors MOS alors que les transistors du coeur C1 sont bipolaires comme sur la figure 2.
Le miroir Mi comporte maintenant un transistor pilote M5, deux transistors de recopie M4 et M3 et un transistor de sortie M6.
Les branchements sont comparables à ceux de la figure 2.
Le second transistor de recopie M3 a sa source reliée à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel Vcc, sa grille est reliée à la grille du transistor pilote M5, son drain est relié à la résistance R1 du coeur C1.
La grille du premier transistor de recopie M4 est reliée à la grille du transistor pilote M5, sa source est reliée à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC et son drain au collecteur du transistor T1 du coeur C1.
Le transistor pilote M5 a sa source reliée à la borne d'alimentation portée au potentiel VCC et comme il est monté en diode, sa grille et son drain sont reliés ensemble. Son drain est aussi relié au collecteur du transistor T2 du coeur C1.
Le transistor de sortie M6 a sa grille reliée à la grille du transistor pilote M5, sa source est reliée à la borne d'alimentation 20 portée au potentiel VCC et son drain est destiné à être relié à un dispositif utilisateur non représenté.
Il est bien sûr possible que la source de courant selon l'invention soit réalisée en totalité en technologie MOS en combinant le coeur C1 de la figure 4 et le miroir Mi de la figure 5.
Tous les transistors qui ont été décrits pourraient être remplacés par leurs complémentaires en inversant les bornes d'alimentation. Les émetteurs ou les sources des transistors qui étaient reliés à la borne d'alimentation portée au potentiel Vee seraient maintenant reliés à la borne d'alimentation portée au potentiel VCC et inversement. Quant à la résistance R1 au lieu d'être reliée à la borne d'alimentation portée au potentiel Vee, elle serait reliée à la borne d'alimentation portée au potentiel VCC. Le sens du courant au niveau du dispositif utilisateur serait inversé.

Claims (12)

  1. Source de courant destinée à être montée entre deux bornes d'alimentation (20, 21), comportant un miroir de courant (Mi) et un coeur (C1) connectés l'un à l'autre et distincts, ce miroir de courant (Mi) et ce coeur (C1) formant plusieurs branches (24, 25, 26) à connecter entre les deux bornes d'alimentation, le miroir (Mi) comportant un transistor pilote (T5) et au moins un transistor de recopie (T4), le coeur (C1) comportant un premier transistor (T1), un second transistor (T2) et une résistance (R1),
       caractérisée en ce que le premier transistor (T1) du coeur (C1) et le premier transistor (T4) de recopie reliés forment la première branche (25), la résistance (R1) et un second transistor de recopie (T3) du miroir (Mi) reliés forment la seconde branche (24), le transistor pilote (T5) et le second transistor du coeur (T2) reliés forment la troisième branche (26), le premier transistor (T1) du coeur étant relié à la seconde branche (24) entre la résistance (R1) et le second transistor (T3) de recopie, le second transistor (T2) du coeur étant relié à la première branche (25) entre le premier transistor (T1) du coeur et le premier transistor de recopie (T4).
  2. Source de courant selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un transistor de sortie (T6) rend accessible le courant de la source, ce transistor (T6) étant un transistor de recopie supplémentaire du miroir (Mi), ce transistor (T6) étant hors branche.
  3. Source de courant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les transistors (T3, T4, T5, T6) du miroir (Mi) sont de même type.
  4. Source de courant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les transistors (T1, T2) du coeur (C1) sont de même type.
  5. Source de courant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les transistors (T1, T2) du coeur (C1) et les transistors (T3, T4, T5, T6) du miroir (Mi) sont complémentaires.
  6. Source de courant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les transistors (T3, T4, T5, T6) du miroir (Mi) sont bipolaires.
  7. Source de courant selon la revendication 6, caractérisée en ce que le transistor pilote (T5) du miroir (Mi) est monté en diode à travers un transistor (T7) supplémentaire.
  8. Source de courant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les transistors (T3, T4, T5, T6) du miroir (Mi) sont des transistors MOS.
  9. Source de courant selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les transistors (T1, T2) du coeur (C1) sont bipolaires.
  10. Source de courant selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les transistors (T1, T2) du coeur (C1) sont des transistors MOS.
  11. Source de courant selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que le transistor supplémentaire (T7) est de type bipolaire.
  12. Source de courant selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que le transistor supplémentaire (M7) est de type MOS.
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