FR2743676A1

FR2743676A1 - Power amplifier for CRT control

Info

Publication number: FR2743676A1
Application number: FR9600504A
Authority: FR
Inventors: Michel Barou; Gilles Troussel
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1997-07-18

Abstract

The amplifier (20) includes a transconductance stage (23) and an output stage (24). The transconductance stage includes an NPN transistor (231) with its base connected to an input voltage (230). A second transistor (232) has its base connected to a reference voltage (Vref). Two identical current sources (233,234) are connected to the emitters of the two transistors. Two isolating transistors (236,237) are connected to the collectors of the first two transistors. A high voltage power supply is connected to the two PMOS transistors. The control current generated by the first stage is applied to the output stage

Description

Amplificateur comprenant un étage
de sortie à faible capacité Parasite. Amplifier comprising a stage
output with low Parasite capacity.

La présente invention a pour objet un amplificateur comprenant un étage de sortie à faible capacité parasite. Elle trouve une application avantageuse dans le domaine des amplificateurs de puissance utilisés par exemple pour la commande des tubes cathodiques de moniteur. The present invention relates to an amplifier comprising an output stage with low parasitic capacitance. It finds an advantageous application in the field of power amplifiers used for example for the control of monitor cathode ray tubes.

Pour mettre en oeuvre l'affichage de données sur un écran par le biais d'un tube cathodique de moniteur, on utilise traditionnellement un faisceau d'électrons et des moyens de déflexion permettant d'orienter ce faisceau horizontalement et verticalement. La commande d'un tube cathodique de moniteur nécessite habituellement des signaux de commande de forte amplitude (de l'ordre par exemple de 50 volts crête à crête) et des fronts de montée et de descente très courts (par exemple de l'ordre de 10 nanosecondes). To implement the display of data on a screen by means of a monitor cathode ray tube, a beam of electrons and deflection means are traditionally used to orient this beam horizontally and vertically. The control of a cathode monitor tube usually requires high amplitude control signals (of the order of eg 50 volts peak-to-peak) and very short rise and fall fronts (for example of the order of 10 nanoseconds).

La figure 1 illustre schématiquement la composition d'un moniteur. ll comprend principalement un préamplificateur 1, un amplificateur 2 de puissance, et un tube 3 montés en série. La préamplificateur est utilisé pour amplifier un signal vidéo INV reçu à afficher, ce signal étant typiquement un signal en tension d'une amplitude de quelques dixièmes de volt. Ce signal INV est amplifié dans le préamplificateur 1 qui produit un signal en tension V, typiquement d'une amplitude de l'ordre de quelques volts. Le signal V,t, est fourni à l'amplificateur 2 qui l'amplifie pour qu'il atteigne une amplitude de quelques dizaines de volts et qui fournit un courant Ion pour charger les cathodes (modélisables par des capacités) du tube 3 avec la rapidité requise.A titre d'exemple il faut délivrer un courant I, de l'ordre de 50 milliampères afin d'obtenir une différence de potentiel de 50 volts en 10 nanosecondes sur une capacité de 10 picofarads. Figure 1 schematically illustrates the composition of a monitor. It mainly comprises a preamplifier 1, a power amplifier 2, and a tube 3 connected in series. The preamplifier is used to amplify a received video signal INV to be displayed, this signal being typically a voltage signal of an amplitude of a few tenths of a volt. This signal INV is amplified in the preamplifier 1 which produces a voltage signal V, typically of an amplitude of the order of a few volts. The signal V, t, is supplied to the amplifier 2 which amplifies it so that it reaches an amplitude of a few tens of volts and which supplies a current Ion for charging the cathodes (modelizable by capacitors) of the tube 3 with the For example, it is necessary to deliver a current I, of the order of 50 milliamps to obtain a potential difference of 50 volts in 10 nanoseconds on a capacity of 10 picofarads.

Une structure classique d'un amplificateur 2 de puissance est illustrée schématiquement sur la figure 2. Il comprend un amplificateur 20 de type amplificateur opérationnel monté en montage inverseur. L'amplificateur 20 reçoit le signal (ou tension) V" sur son entrée "-" par le biais d'une résistance 21, et un signal (ou tension) de référence V,sur son entrée "+". La sortie de l'amplificateur 20 est reliée à son entrée "-" par le biais d'une résistance 22 montée en contre-réaction. Le rapport des valeurs des résistances 21 et 22 fixe le gain entre le signal d'entrée Vrn et le signal (ou tension) de sortie Vout produit par l'amplificateur, ainsi que la tension continue en sortie au repos (c'est-à-dire quand Vin = Vrd). A conventional structure of a power amplifier 2 is schematically illustrated in FIG. 2. It comprises an amplifier 20 of the operational amplifier type mounted in an inverter arrangement. The amplifier 20 receives the signal (or voltage) V "on its input" - "through a resistor 21, and a reference signal (or voltage) V, on its input" + ". The amplifier 20 is connected to its input "-" through a resistor 22 mounted in feedback The ratio of the values of the resistors 21 and 22 sets the gain between the input signal Vrn and the signal (or voltage ) output Vout produced by the amplifier, as well as the DC output voltage at rest (that is to say when Vin = Vrd).

La figure 3 illustre schématiquement la structure de l'amplificateur 20 de la figure 2. L'amplificateur 20 comprend un amplificateur à transconductance 23 et un étage de sortie 24. L'amplificateur à transconductance 23 est utilisé pour transformer le signal Vm de commande produit par le préamplificateur 1 en signal I, en courant. L'étage de sortie 24 est utilisé pour adapter l'impédance de sortie (qui est d'autant meilleure qu'elle est faible) et doit pouvoir être capable de délivrer un courant de sortie lotit important qui est fourni aux cathodes (symbolisées par une capacité équivalente de charge 26) au travers d'une résistance de protection 25. La valeur de la capacité 26 est typiquement de l'ordre de 10 picofarads. Le temps de réponse de l'étage 24 conditionne le temps de charge et de décharge des cathodes. FIG. 3 schematically illustrates the structure of the amplifier 20 of FIG. 2. The amplifier 20 comprises a transconductance amplifier 23 and an output stage 24. The transconductance amplifier 23 is used to transform the control signal Vm produced by the preamplifier 1 signal I, current. The output stage 24 is used to adapt the output impedance (which is all the better as it is weak) and must be able to deliver a large output current lotit that is supplied to the cathodes (symbolized by a equivalent load capacity 26) through a protection resistor 25. The value of the capacitor 26 is typically of the order of 10 picofarads. The response time of the stage 24 conditions the charging and discharging time of the cathodes.

La réalisation d'un étage de sortie doit tenir compte de la capacité parasite d'entrée de l'étage qui est induite par les éléments de cet étage et sont représentées en entrée de l'étage 24 par une capacité équivalente 27. La capacité parasite 27 a typiquement une valeur de l'ordre du picofarad. Elle n'est pas négligeable par rapport à la valeur de la capacité de charge 26 et a une influence sur les temps de charge et de décharge de la capacité de charge. Le moment du déclenchement et l'importance relative de la charge ou de la décharge de la capacité de charge dépendent en effet de la rapidité de la charge ou de la décharge de la capacité d'entrée.Plus la valeur de la capacité d'entrée est faible par rapport à celle de la capacité de charge, plus la constante de temps liée à la charge ou à la décharge de cette capacité d'entrée est négligeable par rapport à celle de la capacité de charge. The production of an output stage must take into account the parasitic entrance capacitance of the stage which is induced by the elements of this stage and are represented at the input of the stage 24 by an equivalent capacitance 27. The parasitic capacitance 27 typically has a picofarad value. It is not negligible compared to the value of the load capacity 26 and has an influence on the charging and discharging times of the load capacity. The triggering moment and the relative importance of charging or discharging the charging capacity depend on the speed of the charging or discharging of the input capacity. The higher the value of the input capacity is small compared to that of the load capacity, plus the time constant related to the load or discharge of this input capacity is negligible compared to that of the load capacity.

n existe plusieurs solutions pour réaliser des étages de sortie d'amplificateurs de puissance. There are several solutions for producing output stages of power amplifiers.

Généralement, on utilise des transistors de puissance complémentaires en sortie pour délivrer le courant de sortie. Une prépolarisation des électrodes de commande de ces transistors (consistant à créer une différence de potentiel permanente entre ces électrodes) permet de réaliser un amplificateur de classe AB. Generally, complementary output power transistors are used to output the output current. Prepolarization of the control electrodes of these transistors (consisting of creating a permanent potential difference between these electrodes) makes it possible to produce an amplifier of class AB.

On évite de la sorte la présence d'une zone dite morte quand le signal vidéo est de faible amplitude en entrée. Cette zone se caractérise par un phénomène de distorsion de croisement, c'est-à-dire par le fait que les transistors de sortie de l'étage de sortie sont bloqués et que le courant de sortie est nul.This avoids the presence of a so-called dead zone when the video signal is of low input amplitude. This zone is characterized by a phenomenon of crossing distortion, that is to say that the output transistors of the output stage are blocked and that the output current is zero.

La figure 4 illustre un premier exemple d'étage de sortie 24 selon l'état de la technique, réalisable sous la forme d'un circuit intégré. Cet étage comprend une entrée 241 pour recevoir le signal Ijn deux transistors complémentaires 242 et 243 de puissance montés en série entre une masse et une alimentation haute tension HV. Les transistors 242 et 243 sont par exemple respectivement des transistors
VDMOS à canal N et MOS à canal P. L'alimentation HV a par exemple une valeur de l'ordre de 100 volts. La grille de commande du transistor 242 est reliée à l'entrée 241. La sortie 250 de l'étage correspond au point milieu des transistors 242 et 243, c'est à dire aux sources de ces transistors.FIG. 4 illustrates a first example of an output stage 24 according to the state of the art that can be produced in the form of an integrated circuit. This stage comprises an input 241 for receiving the signal Ijn two complementary power transistors 242 and 243 connected in series between a ground and a HV high voltage power supply. Transistors 242 and 243 are, for example, respectively transistors
VDMOS N channel and MOS P-channel. The HV power supply has for example a value of the order of 100 volts. The control gate of the transistor 242 is connected to the input 241. The output 250 of the stage corresponds to the midpoint of the transistors 242 and 243, that is to say the sources of these transistors.

La prépolarisation s'effectue par le biais de deux diodes montées en série entre les grilles des transistors 242 et 243. Ces diodes sont, dans l'exemple illustré, deux transistors 244 et 245 dont les grilles sont reliées aux drains et qui sont polarisés par une source de courant 246. Ces transistors sont par exemple deux transistors complémentaires de type NMOS et PMOS. Le drain du transistor 244 est relié à l'entrée 241. Le drain du transistor 245 est relié à la grille de commande du transistor 243 de sortie. On impose ainsi une différence de potentiel permanente entre les grilles des transistors de sortie, quelle que soit la valeur du signal en entrée de l'étage, ce qui permet de fonctionner en classe AB. The prepolarization is carried out by means of two diodes connected in series between the gates of the transistors 242 and 243. These diodes are, in the illustrated example, two transistors 244 and 245 whose gates are connected to the drains and which are polarized by a current source 246. These transistors are for example two complementary transistors of NMOS and PMOS type. The drain of the transistor 244 is connected to the input 241. The drain of the transistor 245 is connected to the control gate of the output transistor 243. This imposes a permanent potential difference between the gates of the output transistors, whatever the value of the input signal of the stage, which makes it possible to operate in class AB.

Un problème posé par le montage illustré sur la figure 4 est l'importance de la valeur de la capacité d'entrée de l'étage de sortie. Elle comporte classiquement une composante (représentée sur la figure 4 par une capacité 27 reliée à l'entrée 241) induite par les grilles des transistors 242 et 243 de sortie. Cette composante est en pratique présente dans tous les étages de sortie d'amplificateurs de puissance à transistors compte tenu de leur structure. Sa valeur est typiquement de l'ordre du picofarad. Une deuxième composante, représentée sur la figure 4 par une capacité 247 reliée entre la masse et le point milieu des transistors 244 et 245 (le point milieu correspondant aux sources de ces transistors), vient s'ajouter à la première. A problem with the assembly illustrated in FIG. 4 is the importance of the value of the input capacitance of the output stage. It conventionally comprises a component (represented in FIG. 4 by a capacitor 27 connected to the input 241) induced by the gates of the output transistors 242 and 243. This component is in practice present in all output stages of transistor power amplifiers given their structure. Its value is typically of the order of picofarad. A second component, shown in Figure 4 by a capacitor 247 connected between the mass and the midpoint of the transistors 244 and 245 (the midpoint corresponding to the sources of these transistors), is added to the first.

Cette deuxième composante est induite par la présence du dispositif de prépolarisation des grilles des transistors de sortie. Plus particulièrement, elle représente la somme des capacités parasites induites par la présence des transistors 244 et 245 (telles que la capacité caisson/substrat du transistor 245 ou la capacité source/substrat du transistor 244, en supposant que les transistors sont réalisés sur un substrat de type P). La capacité parasite 247 vient s'ajouter à la capacité 27. Or, en pratique, la capacité 247 peut atteindre une valeur équivalente à celle de la capacité 27. La prépolarisation des grilles entraîne donc un doublement de la capacité d'entrée de l'étage de sortie, ce qui dégrade le temps de réponse de l'étage de sortie.Une solution envisageable pour ne pas dégrader le temps de charge ou de décharge de la capacité d'entrée est d'augmenter le courant d'entrée. D'une part cela augmente la consommation de l'amplificateur, et d'autre part cela peut poser un problème de dissipation thermique, particulièrement si on souhaite réaliser l'amplificateur en technologie intégrée.This second component is induced by the presence of the device for prepolarizing the gates of the output transistors. More particularly, it represents the sum of the parasitic capacitances induced by the presence of the transistors 244 and 245 (such as the box / substrate capacitance of the transistor 245 or the source / substrate capacitance of the transistor 244, assuming that the transistors are produced on a substrate type P). The parasitic capacitance 247 is added to the capacitor 27. In practice, however, the capacitor 247 can reach a value equivalent to that of the capacitor 27. The prepolarization of the gratings therefore leads to a doubling of the input capacitance of the capacitor 27. output stage, which degrades the response time of the output stage.A possible solution to not degrade the charging or discharging time of the input capacity is to increase the input current. On the one hand it increases the consumption of the amplifier, and on the other hand it can pose a problem of heat dissipation, especially if one wishes to realize the amplifier in integrated technology.

La figure 5 illustre un second exemple d'étage de sortie selon l'état de la technique, réalisable sous la forme d'un circuit intégré. Cet étage comprend une entrée 241 pour recevoir le signal Ijn de commande, deux transistors complémentaires 242 et 243 de puissance montés en série entre une masse et une alimentation haute tension HV. Les transistors 242 et 243 sont par exemple des transistors VDMOS à canal N. L'alimentation HV a par exemple une valeur de l'ordre de 100 volts. Le drain du transistor 242 est relié à l'alimentation Hv. Sa source est reliée au drain du transistor 243. La source du transistor 243 est reliée à la masse. La grille de commande du transistor 242 est reliée à l'entrée 241.La sortie de l'étage correspond au point milieu des transistors 242 et 243 (c'est-à-dire aux source et drain des transistors 242 et 243). FIG. 5 illustrates a second example of an output stage according to the state of the art, which can be implemented in the form of an integrated circuit. This stage comprises an input 241 for receiving the control signal Ijn, two complementary power transistors 242 and 243 connected in series between a ground and a HV high voltage power supply. Transistors 242 and 243 are, for example, N-channel VDMOS transistors. The HV supply, for example, has a value of the order of 100 volts. The drain of the transistor 242 is connected to the supply Hv. Its source is connected to the drain of transistor 243. The source of transistor 243 is connected to ground. The control gate of the transistor 242 is connected to the input 241. The output of the stage corresponds to the mid-point of the transistors 242 and 243 (that is to say to the source and drain of the transistors 242 and 243).

La prépolarisation s'effectue par le biais d'un transistor 248, d'un amplificateur différentiel 249 et d'une source de courant 246. Le transistor 248 a sa grille reliée à l'entrée 241. Son drain est relié à l'alimentation HV et sa source est reliée à la masse par le biais de la source de courant 246. La source du transistor 248 est par ailleurs relié à l'entrée "-" de l'amplificateur différentiel 249. La sortie de cet amplificateur 249 est reliée à la grille de commande du transistor 243. L'entrée "+" de l'amplificateur est reliée au drain du transistor 243. On appelle VD la différence de potentiel gnlle/source du transistor 248 et 10 le courant parcourant ce transistor.On appelle V'D la différence de potentiel gnlle/source du transistor 242 et I'O le courant parcourant ce transistor au repos. Si la différence de potentiel entre les entrées "+" et "-" de l'amplificateur est nulle alors on a V'D = VD et PO = 10. La contre-réaction induite par l'amplificateur 249 permet de garantir au repos une différence de potentiel entre les grilles de commande des transistors 242 et 243. The prepolarization is performed by means of a transistor 248, a differential amplifier 249 and a current source 246. The transistor 248 has its gate connected to the input 241. Its drain is connected to the power supply. HV and its source is connected to ground through the current source 246. The source of the transistor 248 is also connected to the input "-" of the differential amplifier 249. The output of this amplifier 249 is connected to the control gate of the transistor 243. The "+" input of the amplifier is connected to the drain of the transistor 243. The potential difference between the current and the source of the transistor 248 is called VD and the current flowing through this transistor is called. V'D is the potential / potential difference of transistor 242 and I'O the current flowing through this transistor at rest. If the potential difference between the inputs "+" and "-" of the amplifier is zero then we have V'D = VD and PO = 10. The feedback induced by the amplifier 249 makes it possible to guarantee at rest a potential difference between the control gates of transistors 242 and 243.

Supposons que le potentiel de l'entrée "-" est stable. Si le potentiel de la source du transistor 242 est trop haut (on a alors V,D < VD et l'o < 10), I'amplificateur 249 commande le transistor 243 de telle sorte que I'O augmente et que le potentiel de la source du transistor 242 diminue. De même, si le potentiel de cette source est trop bas, l'amplificateur impose une diminution de I'O et de V,D. Suppose the potential of the "-" input is stable. If the potential of the source of the transistor 242 is too high (then V, D <VD and o <10), the amplifier 249 controls the transistor 243 so that the O increases and the potential of the source of the transistor 242 decreases. Similarly, if the potential of this source is too low, the amplifier imposes a decrease of the O and V, D.

On impose ainsi une différence de potentiel permanente entre les grilles des transistors de sortie, quelle que soit la valeur du signal en entrée de l'amplificateur, ce qui permet à ce dernier de fonctionner en classe AB. This imposes a permanent potential difference between the gates of the output transistors, regardless of the value of the input signal of the amplifier, which allows the latter to operate in class AB.

Un problème posé par le montage illustré sur la figure 5 est l'encombrement dû à la présence de l'amplificateur 249. Un autre problème est l'obligation en pratique d'insérer une capacité de stabilisation entre la sortie et l'entrée "+" de l'amplificateur 249. En pratique, la valeur de cette capacité peut être de l'ordre de grandeur de celle de la capacité de sortie 26 (particulièrement si on souhaite travailler sur une large plage fréquentielle). La présence de la capacité de stabilisation est alors équivalente à une augmentation non négligeable de la valeur de la capacité de charge. On peut augmenter la taille des transistors de sortie de l'étage si on souhaite un temps de montée et de descente très court en sortie, à tension d'alimentation égale. Cela induit un encombrement plus important de l'étage de sortie.Cela nuit également à la valeur de la capacité d'entrée de l'étage, les grilles des transistors de sortie étant de dimensions plus importantes. Une solution envisageable pour ne pas dégrader le temps de charge ou de décharge de la capacité d'entrée est d'augmenter le courant d'entrée. D'une part cela augmente la consommation de l'amplificateur, et d'autre part cela peut poser un problème de dissipation thermique, particulièrement si on souhaite réaliser l'amplificateur en technologie intégrée. A problem posed by the assembly illustrated in FIG. 5 is the bulk due to the presence of the amplifier 249. Another problem is the requirement in practice to insert a stabilization capacitor between the output and the input. In practice, the value of this capacitance can be of the order of magnitude of that of the output capacitor 26 (particularly if it is desired to work over a wide frequency range). The presence of the stabilization capacity is then equivalent to a significant increase in the value of the load capacity. It is possible to increase the size of the output transistors of the stage if it is desired to have a very short rise and fall time at the output, with an equal supply voltage. This induces a larger size of the output stage. This also reduces the value of the input capacitance of the stage, the gates of the output transistors being of larger dimensions. One possible solution for not degrading the charging or discharging time of the input capacitance is to increase the input current. On the one hand it increases the consumption of the amplifier, and on the other hand it can pose a problem of heat dissipation, especially if one wishes to realize the amplifier in integrated technology.

Au vu de ce qui précède, un but de l'invention est de proposer un étage de sortie d'amplificateur permettant de fonctionner en classe AB par le biais d'une prépolarisation des transistors de sortie, et pour lequel le dispositif de prépolarisation n'entraîne pas une augmentation importante de la valeur de la capacité d'entrée de l'étage de sortie, afin de ne pas dégrader le temps de réponse de cet étage. Un autre but de l'invention est de proposer un étage de sortie pour lequel le dispositif de prépolarisation n'induise pas une augmentation de la capacité de charge de l'étage. Un autre but de l'invention est de proposer un étage de sortie pour lequel la consommation et la dissipation thermique sont limitées. Un autre but de l'invention est de proposer un étage de sortie facilement intégrable et de faible encombrement. In view of the above, an object of the invention is to provide an amplifier output stage for operating in class AB by means of a prepolarization of the output transistors, and for which the prepolarization device n ' does not lead to a significant increase in the value of the input capacitance of the output stage, so as not to degrade the response time of this stage. Another object of the invention is to provide an output stage for which the prepolarization device does not induce an increase in the load capacity of the stage. Another object of the invention is to provide an output stage for which consumption and heat dissipation are limited. Another object of the invention is to provide an easily integrable output stage and small footprint.

Ainsi, l'invention propose un amplificateur comprenant un étage de sortie, cet étage de sortie comprenant des transistors de sortie et des moyens de prépolarisation pour imposer une différence de potentiel entre les électrodes de commande de ces transistors, caractérisé en ce que ces moyens comprennent un transistor de prépolarisation ayant deux de ses électrodes reliées aux électrodes de commande des transistors de sortie. Thus, the invention proposes an amplifier comprising an output stage, this output stage comprising output transistors and prepolarization means for imposing a potential difference between the control electrodes of these transistors, characterized in that these means comprise a prepolarization transistor having two of its electrodes connected to the control electrodes of the output transistors.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, à lire conjointement aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 illustre schématiquement la composition d'un moniteur selon l'état de la technique,
- la figure 2 illustre schématiquement la structure d'un amplificateur de puissance pour moniteur selon l'état de la technique,
- la figure 3 illustre schématiquement une partie de la structure d'un amplificateur de la figure 2,
- la figure 4 illustre schématiquement un premier exemple d'étage de sortie d'amplificateur selon l'état de la technique,
- la figure 5 illustre schématiquement un second exemple d'étage de sortie d'amplificateur selon l'état de la technique,
- la figure 6 illustre schématiquement un amplificateur réalisé conformément à l'invention,
- la figure 7 illustre schématiquement une structure de transistor PMOS de type composite pouvant être mise en oeuvre dans un amplificateur selon l'invention.Other features and advantages of the invention will appear on reading the following description, to be read in conjunction with the appended drawings in which:
FIG. 1 schematically illustrates the composition of a monitor according to the state of the art,
FIG. 2 schematically illustrates the structure of a monitor power amplifier according to the state of the art,
FIG. 3 schematically illustrates part of the structure of an amplifier of FIG. 2,
FIG. 4 schematically illustrates a first example of an amplifier output stage according to the state of the art,
FIG. 5 diagrammatically illustrates a second example of an amplifier output stage according to the state of the art,
FIG. 6 schematically illustrates an amplifier produced according to the invention,
FIG. 7 schematically illustrates a composite type PMOS transistor structure that can be implemented in an amplifier according to the invention.

L'amplificateur 20 illustré sur la figure 6 comprend un amplificateur à transconductance 23 et un étage de sortie 24. Cet amplificateur peut par exemple être utilisé dans un montage tel que celui illustré sur la figure 2 pour mettre en oeuvre un contrôle de cathodes de moniteur. On utilise alors de préférence des résistances 21 et 22 non intégrées (si l'amplificateur est réalisé sous forme de circuit intégré) afin de limiter les problèmes d'échauffement. L'amplificateur pourra également être mis en oeuvre dans tout type d'application nécessitant l'emploi d'un amplificateur de puissance. Plus généralement, l'amplificateur illustré sur la figure 6 sera avantageusement utilisé dans toute application impliquant un amplificateur et pour laquelle on souhaite minimiser les problèmes de capacité parasite en entrée et/ou en sortie de l'étage de sortie de l'amplificateur. The amplifier 20 illustrated in FIG. 6 comprises a transconductance amplifier 23 and an output stage 24. This amplifier can for example be used in an assembly such as that illustrated in FIG. 2 to implement a monitor cathode control. . Non-integrated resistors 21 and 22 are preferably used (if the amplifier is implemented as an integrated circuit) in order to limit the heating problems. The amplifier can also be implemented in any type of application requiring the use of a power amplifier. More generally, the amplifier illustrated in FIG. 6 will advantageously be used in any application involving an amplifier and for which it is desired to minimize the problems of parasitic capacitance at the input and / or at the output of the output stage of the amplifier.

On supposera dans la suite de la description que l'amplificateur 20 illustré sur la figure 6 est destiné à être utilisé dans une application sous haute tension, ce qui implique la présence de composants de puissance dans cet amplificateur. It will be assumed in the following description that the amplifier 20 illustrated in Figure 6 is intended to be used in a high voltage application, which implies the presence of power components in this amplifier.

On va en premier lieu décrire l'amplificateur à transconductance 23 illustré sur la figure 6. Cet amplificateur 23 de composition tout à fait classique est utilisé pour produire un courant In à partir d'une tension V". Il comprend une entrée 230 pour recevoir le potentiel V", (on utilise le terme potentiel en considérant la tension Vin en référence à une masse). Ce potentiel est fourni à la base d'un transistor 231 de type NPN, ce transistor 231 formant avec un transistor 232 de même type une paire différentielle. La base du transistor du transistor 232 est portée à un potentiel de référence fixe V, Les émetteurs des transistors 231 et 232 sont reliés respectivement à deux sources de courant 233 et 234 identiques.Les émetteurs sont également reliés entre eux par le biais d'un élément résistif 235 (par exemple une résistance). Les sources de courant 233 et 234 imposent un courant i dans chaque branche. En notant i' le courant parcourant l'élément 235, les canaux des transistors 231 et 232 sont parcourus l'un par un courant i + i' et l'autre par un courant i - i'. Les valeurs relatives de Vin et Vr,f l'une par rapport à l'autre déterminent le sens du courant i' dans l'élément résistif, et par suite les valeurs des courants dans les transistors 231 et 232. Sur la figure 6, on a illustré le cas où la valeur du potentiel V,l, est supérieure à la valeur du potentiel V,. Le transistor 231 est parcouru par un courant i + i'. Firstly, the transconductance amplifier 23 illustrated in FIG. 6 will be described. This completely conventional amplifier 23 is used to produce a current In from a voltage V "and comprises an input 230 for receiving the potential V ", (the potential term is used by considering the voltage Vin with reference to a mass). This potential is provided at the base of a transistor NPN type 231, this transistor 231 forming with a transistor 232 of the same type a differential pair. The base of the transistor of the transistor 232 is brought to a fixed reference potential V. The emitters of the transistors 231 and 232 are respectively connected to two identical current sources 233 and 234. The emitters are also connected to one another via a resistive element 235 (for example a resistor). The current sources 233 and 234 impose a current i in each branch. By noting the current flowing through the element 235, the channels of the transistors 231 and 232 are traversed by one current i + i 'and the other by a current i - i'. The relative values of Vin and Vr, with respect to each other, determine the direction of the current i 'in the resistive element, and consequently the values of the currents in the transistors 231 and 232. In FIG. the case where the value of the potential V, l is greater than the value of the potential V, is illustrated. The transistor 231 is traversed by a current i + i '.

Les collecteurs des transistors 231 et 232 de la paire différentielle sont respectivement connectés aux émetteurs de deux transistors d'isolement 236 et 237, de type NPN et montés en cascode. Les bases des transistors 236 et 237 reçoivent une alimentation BV basse tension (par exemple de l'ordre d'une douzaine de volts). The collectors of the transistors 231 and 232 of the differential pair are respectively connected to the emitters of two isolation transistors 236 and 237, NPN type and cascode-mounted. The bases of the transistors 236 and 237 receive a low voltage power supply BV (for example of the order of a dozen volts).

Les collecteurs des transistors 236 et 237 sont reliés respectivement aux drains de deux transistors 238 et 239 de type PMOS montés en miroir de courant. Ces transistors ont leurs sources reliées à une alimentation HV haute tension (par exemple de l'ordre d'une centaine de volts) et sont parcourus par un courant i + i' (imposé par le transistor 238). Le point commun aux transistors 237 et 239 correspond à la sortie (portant le référence 240) de l'amplificateur à transconductance. Le courant fourni sur cette sortie est I", = 2 * i', dont la valeur est dépendante de la valeur du potentiel V,. The collectors of the transistors 236 and 237 are respectively connected to the drains of two PMOS transistors 238 and 239 mounted in current mirrors. These transistors have their sources connected to a HV high voltage power supply (for example of the order of a hundred volts) and are traversed by a current i + i '(imposed by the transistor 238). The common point of the transistors 237 and 239 corresponds to the output (bearing the reference 240) of the transconductance amplifier. The current supplied on this output is I ", = 2 * i ', the value of which is dependent on the value of the potential V ,.

L'étage de sortie 24 comprend une entrée 241 pour recevoir le courant I, de commande. Deux transistors 242 et 243 de sortie sont montés entre la masse et une alimentation haute tension (par exemple HV). Les transistors 242 et 243 sont des transistors de puissance, de préférence de type MOS (par exemple respectivement
VDMOS à canal N et MOS à canal P) et complémentaires (ce qui permet d'amplifier un signal d'entrée quel que soit son signe). Par rapport à des transistors bipolaires, ils présentent les avantages d'avoir une tension de seuil variant peu en température, de nécessiter peu de puissance en entrée (on a simplement besoin de charger les capacités d'entrée des transistors), et d'éviter le risque d'emballement thermique (la mobilité des porteurs diminuant lorsque la température augmente).The output stage 24 includes an input 241 for receiving the current I, control. Two output transistors 242 and 243 are mounted between ground and a high voltage supply (eg HV). Transistors 242 and 243 are power transistors, preferably of the MOS type (for example respectively
VDMOS N channel and MOS P channel) and complementary (which allows to amplify an input signal regardless of its sign). Compared to bipolar transistors, they have the advantages of having a threshold voltage that varies little in temperature, to require little power input (one simply needs to charge the input capacitors of the transistors), and to avoid the risk of thermal runaway (carrier mobility decreases with increasing temperature).

Le point milieu des transistors 242 et 243, formé des sources de ceux cí, correspond à la sortie (portant la référence 250 sur la figure 6) de l'étage de sortie 24. L'électrode de commande du transistor 242 (c'est-à-dire sa grille) est reliée à l'entrée 241. Le potentiel de cette grille est fixé par la valeur d'une capacité 27 d'entrée de l'étage et par le courant d'entrée I",. En pratique la capacité 27 est une capacité équivalente, c'est-à-dire qu'elle n'est pas réalisée physiquement en tant que capacité. The midpoint of the transistors 242 and 243, formed from the sources of those, corresponds to the output (bearing the reference 250 in FIG. 6) of the output stage 24. The control electrode of the transistor 242 (this is ie its gate) is connected to the input 241. The potential of this gate is set by the value of an input capacitor 27 of the stage and by the input current I ". the capacity 27 is an equivalent capacity, that is, it is not physically realized as a capacity.

Afin de permettre un fonctionnement de l'amplificateur 20 en classe AB, on crée une différence de potentiel permanente entre les électrodes de commande (ou grilles) des transistors 242 et 243. Cette différence de potentiel est imposée par le biais d'un transistor 248 de prépolarisation. On choisira par exemple un transistor
VDMOS à canal N dont la grille est reliée à l'entrée 241, dont le drain est relié à l'alimentation haute tension HV, et dont la source est reliée à la grille du transistor 243. La différence de potentiel entre les grilles des transistors 242 et 243 est ainsi égale à la différence de potentiel grille/source (notée VD) du transistor 248.Par rapport aux montages illustrés sur les figures 4 et 5, on minimise donc la valeur de la capacité d'entrée de l'étage de sortie, la composante induite par le dispositif de prépolarisation étant principalement la capacité grille/drain du transistor 248 qui ne dépasse pas typiquement le dixième de picofarad.In order to allow operation of the amplifier 20 in class AB, a permanent potential difference is created between the control electrodes (or gates) of the transistors 242 and 243. This potential difference is imposed by means of a transistor 248. prepolarization. We will choose for example a transistor
N-channel VDMOS whose gate is connected to the input 241, whose drain is connected to the HV high-voltage power supply, and whose source is connected to the gate of the transistor 243. The potential difference between the gates of the transistors 242 and 243 is thus equal to the grid / source potential difference (denoted VD) of the transistor 248. With respect to the assemblies illustrated in FIGS. 4 and 5, the value of the input capacitance of the stage of FIG. output, the component induced by the prepolarization device being mainly the gate / drain capacitance of transistor 248 which does not typically exceed one tenth of picofarad.

La valeur de la différence de potentiel VD est contrôlée par le biais d'une source de tension et d'un transistor 252 de commande. La source de tension est par exemple réalisée à l'aide d'une source de courant 251 et d'un ou plusieurs transistors montés en diodes et placés en série entre la source de courant et une masse. La différence de potentiel produite par la source de tension est la somme des différences de potentiel induites par les diodes. Dans l'exemple illustré, on utilise deux transistors 254 et 255. De préférence on utilise des transistors de type
MOS complémentaires, de manière à produire une différence de potentiel stable en température (en utilisant la technologie MOS) et en technologie (les variations de tension de seuil se compensant si les transistors sont complémentaires).Le transistor 254 de type NMOS a sa grille reliée à son drain, et sa source est reliée à la source du transistor 255. Le transistor 255, de type PMOS, a sa grille et son drain qui sont reliés à la masse. Le transistor 252 est un transistor de type NMOS dont la grille est reliée au drain du transistor 254 et dont la source est reliée à la masse. Ainsi, la différence de potentiel grille/source du transistor 252 est égale à la différence de potentiel induite par les transistors montés en diode. Le transistor 252 a son drain relié à la source du transistor 248. Les transistors 252 et 248 sont de préférence appariés de sorte que la différence de potentiel entre les grilles des transistors 242 et 243 est égale en première approximation à la différence de potentiel induite par les transistors montés en diodes (les transistors 252 et 248 étant parcourus par un même courant).The value of the potential difference VD is controlled by means of a voltage source and a control transistor 252. The voltage source is for example made using a current source 251 and one or more transistors mounted in diodes and placed in series between the current source and a ground. The potential difference produced by the voltage source is the sum of the potential differences induced by the diodes. In the example illustrated, two transistors 254 and 255 are used. Preferably, transistors of the above type are used.
Complementary MOS, so as to produce a stable potential difference in temperature (using MOS technology) and in technology (the threshold voltage variations compensating if the transistors are complementary). NMOS transistor 254 has its gate connected at its drain, and its source is connected to the source of the transistor 255. The transistor 255, of the PMOS type, has its gate and its drain which are connected to ground. Transistor 252 is an NMOS type transistor whose gate is connected to the drain of transistor 254 and whose source is connected to ground. Thus, the gate / source potential difference of the transistor 252 is equal to the potential difference induced by the diode-mounted transistors. The transistor 252 has its drain connected to the source of the transistor 248. The transistors 252 and 248 are preferably matched so that the potential difference between the gates of the transistors 242 and 243 is equal in first approximation to the potential difference induced by the transistors mounted in diodes (the transistors 252 and 248 being traversed by the same current).

De préférence on alimente la source de courant 251 en basse tension. Tel qu'illustré sur la figure 6, la source de courant 251 est alimentée par l'alimentation
BV. Un transistor 253 (par exemple de type bipolaire NPN) monté en cascode est utilisé pour isoler la source de tension alimentée en basse tension et le reste des éléments de l'étage de sortie qui sont alimentés en haute tension. Dans l'exemple illustré, la base du transistor 253 est reliée à l'alimentation BV, son émetteur est relié au drain du transistor 252, et son collecteur est relié à la source du transistor 248. L'utilisation d'une source de tension fonctionnant sous basse tension d'alimentation permet de réaliser une source de courant 251 consommant peu et plus facilement stabilisable en température. L'ajout du transistor 253 induit une augmentation de la valeur de la capacité d'entrée de l'étage de sortie.Cette augmentation est toutefois faible et correspond à la valeur de la capacité collecteur/substrat du transistor 253, typiquement de l'ordre du dixième de picofarad. Tel qu'illustré, les éléments permettant de prépolariser les grilles des transistors 242 et 243 ne sont pas des composants de puissance, ce qui présente l'avantage de limiter l'encombrement dû à ces éléments.The current source 251 is preferably supplied with low voltage. As illustrated in FIG. 6, the current source 251 is powered by the power supply
BV. A cascode-mounted transistor 253 (for example bipolar NPN) is used to isolate the voltage source supplied with low voltage and the rest of the output stage elements which are supplied with high voltage. In the example illustrated, the base of the transistor 253 is connected to the power supply BV, its emitter is connected to the drain of the transistor 252, and its collector is connected to the source of the transistor 248. The use of a voltage source operating at low supply voltage makes it possible to produce a current source 251 consuming little and more easily stabilizable in temperature. The addition of the transistor 253 induces an increase in the value of the input capacitance of the output stage. This increase is however small and corresponds to the value of the collector / substrate capacitance of the transistor 253, typically of the order tenth of picofarad. As illustrated, the elements making it possible to prepolarize the gates of transistors 242 and 243 are not power components, which has the advantage of limiting the bulk due to these elements.

Dans une version préférée, les transistors montés en diodes sont appariés aux transistors 242 et 243 de l'étage de sortie. Dans ce cas, le courant de repos (c'est à dire circulant dans les transistors 242 et 243 en l'absence de courant d'entrée) sera en première approximation un multiple du courant 10 produit par la source de courant 251. Autrement dit, on bénéficie dans les transistors de sortie d'un courant de repos constant, stable en température et indépendant en première approximation des dispersions technologiques. In a preferred version, the diode-mounted transistors are paired with transistors 242 and 243 of the output stage. In this case, the quiescent current (ie flowing in the transistors 242 and 243 in the absence of input current) will be in first approximation a multiple of the current 10 produced by the current source 251. In other words, the output transistors have a constant, temperature-stable quiescent current and, as a first approximation, independent of the technological dispersions.

On remarque que la prépolarisation proposée par l'invention ne fait pas intervenir de boucle telle que celle illustrée sur la figure 5 et comprenant les amplificateur 249 et transistor 243 sur cette figure 5. L'invention ne nécessite pas de capacité de stabilisation, dont la présence est pénalisante vis à vis de l'entrée et de la sortie de l'étage de sortie. D'autre part, le nombre de composants dans l'étage de sortie est limité, ce qui rend particulièrement intéressant l'amplificateur décrit dans l'optique d'une réalisation sous forme intégrée. It will be noted that the prepolarization proposed by the invention does not involve a loop such as that illustrated in FIG. 5 and comprising the amplifiers 249 and transistor 243 in this FIG. 5. The invention does not require any stabilization capability, the presence is penalizing with respect to the entry and the exit of the exit stage. On the other hand, the number of components in the output stage is limited, which makes it particularly interesting the amplifier described in the context of an embodiment in integrated form.

La figure 7 illustre une structure dite de transistor à canal P composite dont le fonctionnement est équivalent à celui d'un transistor à canal P, et dont l'encombrement est plus réduit pour un courant donné. On pourra utiliser cette structure pour réaliser le transistor 243 de l'étage de sortie 24 de la figure 6. FIG. 7 illustrates a so-called composite P-channel transistor structure whose operation is equivalent to that of a P-channel transistor, and whose space requirement is smaller for a given current. This structure can be used to produce the transistor 243 of the output stage 24 of FIG.

La structure illustrée sur la figure 7 comprend un transistor 2431 à canal P, un transistor 2432 à canal N, et un élément résistif (une résistance 2433 dans l'exemple illustré) de polarisation. La source du transistor 2431 est reliée au drain du transistor 2432. Le drain du transistor 2431 est relié d'une part à la grille de commande du transistor 2432, et d'autre part à un premier pôle de la résistance 2433. La source du transistor 2432 et reliée au deuxième pôle de la résistance 2433. Si le potentiel de la grille du transistor 2431 diminue, le courant traversant ce transistor augmente. Le potentiel de la grille du transistor 2432 va donc augmenter. The structure illustrated in FIG. 7 comprises a P-channel transistor 2431, an N-channel transistor 2432, and a resistive element (a resistor 2433 in the illustrated example) of polarization. The source of the transistor 2431 is connected to the drain of the transistor 2432. The drain of the transistor 2431 is connected on the one hand to the control gate of the transistor 2432, and on the other hand to a first pole of the resistor 2433. The source of the transistor 2432 and connected to the second pole of the resistor 2433. If the potential of the gate of the transistor 2431 decreases, the current flowing through this transistor increases. The potential of the gate of transistor 2432 will therefore increase.

Le courant traversant le transistor 2432 va donc augmenter. Inversement, si le potentiel de la grille du transistor 2431 augmente, alors le courant le traversant diminue. Le potentiel de la grille du transistor 2432 va donc diminuer, ce qui entraîne une diminution du courant le traversant. Autrement dit, le montage illustré sur le figure 7 se comporte comme un transistor à canal P dont les grille et source seraient les grille et source du transistor 2431 et dont le drain serait la source du transistor 2342. L'intérêt de ce montage est que, pour une valeur de courant donnée, la surface occupée par un transistor à canal N est inférieure à celle occupée par un transistor à canal P. On peut donc minimiser l'encombrement du dispositif illustré sur la figure 6 en substituant ce montage au transistor 243. The current flowing through the transistor 2432 will therefore increase. Conversely, if the gate potential of transistor 2431 increases, then the current flowing through it decreases. The potential of the gate of transistor 2432 will therefore decrease, which leads to a decrease in the current flowing through it. In other words, the assembly illustrated in FIG. 7 behaves like a P-channel transistor whose gate and source would be the gate and source of transistor 2431 and whose drain would be the source of transistor 2342. The advantage of this arrangement is that for a given current value, the area occupied by an N-channel transistor is smaller than that occupied by a P-channel transistor. The size of the device illustrated in FIG. 6 can therefore be minimized by replacing this arrangement with the transistor 243. .

Claims

1 - amplifier (20) comprising an output stage (24), this output stage comprising output transistors (242, 243) and prepolarization means for imposing a potential difference (VD) between the control electrodes of these transistors, characterized in that these means comprise a prepolarization transistor (248) having two of its electrodes connected to the control electrodes of the output transistors (242, 243).

2 - amplifier according to claim 1, characterized in that the prepolarization means further comprises a voltage source for producing a potential difference and a control transistor (252) having two of its electrodes receiving the potential difference, said transistor (252) being connected in series with the prepolarization transistor (248) so as to control the potential difference across the control electrodes of the output transistors (242, 243) from the potential difference produced by the source of the voltage.

3 - amplifier according to claim 2, characterized in that the prepolarization transistors (248) and control (252) are paired.

4 - amplifier according to claim 3, characterized in that the prepolarization and control transistors are MOS type transistors.

5 - amplifier according to one of claims 2 to 4, characterized in that the voltage source is realized using a current source (251) and one or more transistors (254, 255) mounted in diodes and placed in series with the power source.

6 - amplifier according to claim 5, characterized in that the transistors (254, 255) mounted in diodes and the transistors (242, 243) output are paired.

7 - amplifier according to one of claims 5 or 6, characterized in that the transistors mounted in diodes and the output transistors are MOS type transistors.

8 - amplifier according to one of claims 5 to 7, characterized in that the output transistors are supplied with high voltage, in that the power source is supplied with low voltage and that the output stage (24) ) comprises isolation means (253) between the elements (251, 252, 254, 255) of the stage operating at low voltage and the elements (242, 243, 248) operating at high voltage.

9 - amplifier according to claim 8, characterized in that the isolation means comprises a transistor (253) of bipolar type mounted in cascode.

10 - Use of an amplifier defined according to one of claims 1 to 9 in a monitor for controlling cathodes of this monitor.