FR2796223A1 - Amplificateur operationnel multi-etage a controle de stabilite - Google Patents

Abstract

Amplificateur opérationnel comportant un étage transconducteur (110) d'entrée avec des bornes d'entrée différentielle (112-, 112+) et une borne de sortie (114), un étage de sortie (150), et au moins un étage intermédiaire (120, 130, 140) connecté entre l'étage d'entrée et l'étage de sortie de façon à former une chaîne d'étages, dans lequel l'étage intermédiaire comprend un transistor bipolaire (132) connecté en émetteur commun entre une première et une deuxième bornes d'alimentation (101, 102), au moins une résistance de contre-réaction (136) connectée entre l'émetteur du transistor bipolaire et l'une desdites bornes d'alimentation, et au moins une capacité de contre-réaction connectée entre la borne d'émetteur dudit transistor et une sortie d'un étage suivant.

Description

AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL MULTI-ETAGE <B>A</B> CONTROLE <B>DE</B> STABILITE <U>Domaine technique</U>

La présente invention concerne un amplificateur opérationnel multi-étage et en particulier un tel amplificateur susceptible de fonctionner sous une faible tension d'alimentation.

Pour un amplificateur opérationnel, on entend par faible tension d'alimentation, une tension de l'ordre d(# 1,8 V. Cette tension correspond à la tension de deux piles électriques d'une tension nominale de 1,5 volt, en série, et se trouvant dans un état déchargé. Dans l'état déchargé, ces piles électriques présentent en effet chacune une tension de l'ordre de 0,9 volt.

L'amplificateur capable de fonctionner avec une tension supérieure ou égale à 1,8 volt permet ainsi d'exploiter au mieux l'énergie disponible dans les appareils alimentés par piles électriques. L'utilisation de l'amplificateur n'est cependant pas limitée à des appareils alimentés par piles.

L'invention trouve des applications dans divers types de circuits électroniques et en particulier dans des circuits nécessitant un fort gain de courant. Ainsi, l'amplificateur peut être mis en oeuvre dans des circuits d'interface, des étages de puissance, mais aussi dans des circuits sommateurs ou des filtres, etc.

L'amplificateur de l'invention peut être utilisé en particulier dans des appareils électriques portables tels que des casques d'écoute ou des téléphones mobiles, alimentés par piles ou non. Etat <U>de la technique antérieure</U>

L'état de la technique est illustré par la figure 1 annexée qui représente un schéma de base d'un amplificateur opérationnel multi-étage de type connu.

L'amplificateur de la figure 1 comporte un étage transconducteur d'entrée repéré avec la référence numérique 10. L'étage transconducteur 10 comporte une entrée différentielle avec deux bornes d'entrée 12+ et 12-, et une sortie en courant 14. Les bornes d'entrée 12+ et 12- correspondent à des entrées inverseuse et non inverseuse.

La sortie 14 est reliée à une chaîne d'étages de gain comprenant dans l'ordre un premier étage intermédiaire 20, un deuxième étage intermédiaire 30 et un étage de sortie 50. Les étages sont connectés en parallèle entre des bornes d'alimentation 1 et 2.

Les premier et deuxième étages intermédiaires et l'étage de sortie sont respectivement construits autour d'un premier, d'un deuxième et d'un troisième transistors bipolaires 22, 32 et 52 montés en émetteur commun, et respectivement polarisés par des sources de courant 24, 34, 54. Les bases et collecteurs de ces transistors forment respectivement des bornes d'entrée et de sortie des étages correspondants.

La base du premier transistor 22 bipolaire est connectée à la sortie en courant 14 de l'étage d'entrée 10 et son collecteur est connecté à la base du deuxième transistor 32. Par ailleurs, le collecteur du deuxième transistor 32 est connecté à la base du troisième transistor 52, de l'étage de sortie. Le collecteur du troisième transistor 52 constitue une borne de sortie de l'amplificateur. La borne de sortie est plus précisément repérée avec la référence 56.

L'étage de sortie 50 est relié à une charge extérieure L indiquée en trait discontinu. Cette charge, qui ne fait pas partie de l'amplificateur, est considérée comme présentant une impédance avec une partie capacitive de valeur Cl.

On observe également sur la figure 1 un certain nombre de condensateurs. Un premier condensateur 60, de valeur CM est connecté entre l'entrée du premier étage 20, c'est-à-dire la base du premier transistor 22, et la borne de sortie 56 de l'amplificateur.

Un deuxième condensateur 62, de valeur CM2 est connecté entre la base et le collecteur du premier transistor 22, c'est-à-dire entre l'entrée et la sortie du premier étage intermédiaire 20.

Enfin, un troisième condensateur 63, de valeur CM3, est connecté entre la base et le collecteur du troisième transistor 52, c'est-à-dire entre l'entrée et la sortie de l'étage de sortie 50.

Les condensateurs 60, 62 et 63 sont des condensateurs de compensation de fréquence qui assurent la stabilité de l'amplificateur en boucle fermée. Ces condensateurs sont usuellement désignés par "capacités de Miller". D'autres condensateurs de même type peuvent être prévus. De façon générale, les condensateurs de compensation en fréquence sont connectés entre l'entrée d'un étage donné et la sortie dudit étage, ou la sortie d'un étage suivant, dans la chaîne d'étages de gain.

Les termes "suivant" et "précédent" utilisés ici, ou plus loin dans le texte, pour qualifier un étage de gain, se réfèrent à un sens défini dans la chaîne d'étages, allant depuis l'étage d'entrée vers l'étage de sortie. Ce sens correspond un passage d'un signal dans l'amplificateur.

Les capacités de Miller et les condensateurs extérieurs connectés à l'amplificateur gouvernent son comportement en fréquence et celui de chacun de ses étages.

Ce comportement est caractérisé par des pôles. Les pôles correspondent à des fréquences auxquelles on observe des modifications de la pente de gain dans un diagramme de réponse en fréquence, ou diagramme de Bode. Le diagramme de Bode exprime le gain de l'amplificateur en fonction de la fréquence d'un signal passant par l'amplificateur.

Dans l'exemple de la figure 1, on peut définir un premier pôle pl correspondant à l'étage de sortie 50 et généré par la partie capacitive de la charge extérieure L connectée à la sortie de l'amplificateur.

L'expression du premier pôle pl, dont la dimension est une pulsation, est telle que

Dans cette expression, C1 est la valeur capacitive de la charge L et 9m3 la transconductance du troisième transistor 52, c'est-à-dire de l'étage de sortie.

Le premier pôle correspond à une fréquence f1 telle que

De la même façon, on peut définir un deuxième pôle correspondant au deuxième étage intermédiaire 30.

Ce pôle est un pôle intermédiaire et correspond à une pulsation p2 dont l'expression est plus complexe. On a

CM, CM2, CM3 sont les valeurs des premier, deuxième et troisième condensateurs et gm2 est la transconductance du deuxième transistor 32.

Le deuxième pôle correspond à une fréquence

on définit enfin une fréquence dite fréquence de gain unitaire liée au premier condensateur 60, de valeur CM, qui assure la stabilité de l'amplificateur en boucle fermée.

L'expression de la fréquence de gain unitaire de l'amplificateur, notée fgu, est

Dans cette expression gm désigne la transconductance de l'étage d'entrée 10.

Pour assurer la stabilité de l'amplificateur, c'est-à-dire pour éviter des phénomènes d'oscillation parasites, le choix des valeurs CM, CM2 et CM3 est imposé de façon à vérifier l'équation de stabilité suivante

fgu < k2f2 < klf1

où k1 et k2 sont des facteurs multiplicateurs tels que k2>1 et k1>1. L'équation ci-dessus traduit le fait que les fréquences des pôles respectivement introduits par les étages successifs depuis l'entrée vers la sortie de l'amplificateur, doivent être croissantes et distinctes.

Cette règle, applicable à l'exemple de la figure 1 reste vraie pour un amplificateur avec un nombre différent d'étages de gain.

Les valeurs des facteurs de multiplication k et k', généralement égales à 2, doivent être choisies supérieures à 1 pour garantir le fait que les pôles ne soient pas confondus. Une valeur grande de ces facteurs garantit une bonne stabilité de l'amplificateur.

Comme indiqué ci-dessus, le choix des capacités de Miller est dicté par l'équation de stabilité. Les capacités sont choisies en particulier de façon à vérifier l'équation de stabilité lorsque les transistors des étages de gain sont traversés par un courant de repos de l'amplificateur. Ce courant de repos correspond à l'absence de signal appliqué à l'entrée de l'amplificateur.

Pour un étage donné, équipé d'un ou de plusieurs transistors bipolaires, la valeur de la transconductance dépend du courant de collecteur du ou des transistors. De façon plus précise, on a pour chaque étage intermédiaire

Dans cette expression gmi et Ii désignent respectivement la transconductance et le courant de collecteur du transistor de l'étage considéré. Le terme Vt est une tension thermique définie par

où T est la température, k la constante de Boltzmann et q la charge de l'électron.

Ainsi, pour le deuxième étage intermédiaire, dont le courant de collecteur est noté IC2, on a

Lorsqu'un signal est appliqué à l'entrée de l'amplificateur, des courants de collecteur différents des courants de repos circulent à travers les collecteurs des transistors.

Ainsi, les valeurs des fréquences des pôles, qui dépendent des transconductances, se modifient et tendent à augmenter. Ce phénomène est désigné ci-après par "excursion en fréquence des pôles".

L'excursion en fréquences des pôles dépend essentiellement des gains des transistors utilisés et les conditions extérieures d'utilisation de l'amplificateur qui fixent les courants de collecteur dans les étages.

L'excursion en fréquences des pôles n'est pas nécessairement homogène pour tous les étages et la fréquence d'un pôle d'un étage intermédiaire peut devenir plus importante que celle d'un étage suivant. L'équation de stabilité n'est alors plus satisfaite et une oscillation parasite de l'amplificateur se produit.

Un autre problème est la présence d'autres pôles à haute fréquence. Ces pôles sont introduits par des capacités parasites de faible valeur négligeables à basse fréquence. Une instabilité peut se produire alors lorsqu'un pôle d'un étage donné, dans son excursion en fréquence, vient à dépasser un nouveau pôle lié aux capacités parasites.

Pour éviter les oscillations dues à l'excursion en fréquence des pôles, il est nécessaire de limiter le gain en courant de l'amplificateur. Ceci permet de réduire les modifications des courants qui circulent dans les collecteurs des transistors. En effet, une limitation des courants de collecteur des transistors réduit l'augmentation de leur transconductance et donc, comme expliqué ci-dessus, l'excursion en fréquence des pôles.

La limitation des courants débités constitue cependant une contrainte importante, en particulier pour des amplificateurs destinés à fonctionner à une faible tension d'alimentation.

<U>Exposé de l'invention</U>

L'invention a pour but de proposer un amplificateur opérationnel multi-étage amélioré ne présentant pas les limitations évoquées ci-dessus.

Un but est en particulier de proposer un tel amplificateur particulièrement stable présentant un fort gain en courant, c'est-à-dire avec un rapport élevé entre le courant maximum délivré et le courant de repos des étages.

Un autre but est de proposer un tel amplificateur capable d'amplifier des signaux de fréquence élevée tout en évitant dans une large mesure les phénomènes d'instabilité et d'oscillation parasite.

Enfin, un but est de proposer un tel amplificateur pouvant fonctionner à partir d'une tension d'alimentation faible, de l'ordre de 1,8 volt environ.

Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un amplificateur opérationnel comportant

- un étage transconducteur d'entrée avec des bornes d'entrée différentielle et une borne de sortie,

- un étage de sortie, et

- au moins un étage intermédiaire connecté entre l'étage d'entrée et l'étage de sortie de façon à former une chaîne d'étages,

dans lequel l'étage de sortie et chaque étage intermédiaire comprennent au moins un transistor bipolaire connecté en émetteur commun entre une première et une deuxième bornes d'alimentation, le transistor bipolaire de chaque étage présentant une base formant une borne d'entrée de l'étage et présentant un collecteur formant une borne de sortie de l'étage, dans lequel au moins une capacité de Miller est connectée entre l'entrée et la sortie d'au moins un étage intermédiaire et dans lequel au moins une borne d'entrée de chaque étage intermédiaire est connectée à une borne de sortie d'un étage précédant dans la chaîne d'étages et au moins une borne de sortie de chaque étage intermédiaire est connectée à une borne d'entrée d'un étage suivant dans la chaîne d'étages. Conformément à l'invention, au moins un étage intermédiaire comporte

- au moins une résistance de contre-réaction connectée entre la borne d'émetteur d'au moins un transistor bipolaire dudit étage et l'une desdites première et deuxième bornes d'alimentation, et

- au moins une capacité de contre-réaction connecté entre la borne d'émetteur dudit transistor et une sortie d'un étage suivant.

Le premier étage de l'amplificateur est un étage transconducteur capable de délivrer en sa sortie un courant proportionnel à une différence de potentiel appliquée entre les deux entrées différentielles.

Les étages suivants, c'est-à-dire les étages intermédiaires et l'étage de sortie, sont des étages de gain prévus pour amplifier successivement le courant délivré par l'étage transconducteur.

Les transistors des étages successifs sont donc généralement parcourus par des courants croissants depuis l'étage d'entrée jusqu'à la borne de sortie de l'étage de sortie.

I1 convient de noter que la capacité de contre- réaction peut être reliée à la sortie de l'étage immédiatement suivant, ou, si plusieurs étages suivants consécutifs existent, à la sortie de l'un de ceux-ci.

La résistance et la capacité de contre-réaction qui équipent, conformément à l'invention, au moins l'un des étages intermédiaires, permettent de stabiliser le pôle engendré par cet étage. En d'autres termes, ces composants permettent de limiter l'excursion en fréquence de ce pôle. Ainsi, le risque que la fréquence du pôle devienne supérieure à celle d'un pôle suivant de la chaîne d'étage ou devienne supérieure à celle d'un nouveau pôle apparaissant aux fréquences élevées, est réduit ou éliminé.

En équipant un ou plusieurs étages de l'amplificateur de la résistance et de la capacité de contre-réaction, conformément à l'invention, les fréquences des pôles peuvent être maintenues sensiblement identiques à celles déterminées avec les courants de repos des transistors.

L'équation de stabilité indiquée dans la description qui précède reste donc vérifiée pour des signaux de fréquence élevée et pour des forts courants de sortie de l'amplificateur.

Le comportement de l'amplificateur est par conséquent stable, c'est-à-dire exempt d'oscillations, en dépit d'un fort gain en courant.

Cette caractéristique est particulièrement avantageuse pour autoriser le pilotage d'équipements de puissance importante alimentés sous une tension d'alimentation faible.

La résistance de contre-réaction réalise une réaction négative. Elle a essentiellement pour rôle de faire tendre la transconductance du transistor qui en est équipé vers une valeur finie lorsque son courant de collecteur augmente.

Le choix de la valeur RE de la résistance de contre-réaction pour une étage donné peut être déterminé par la valeur maximum du courant susceptible de traverser le transistor de l'étage suivant de la chaîne d'étage et donc par la valeur maximum du courant que doit délivrer l'amplificateur. Le choix peut aussi tenir compte de la valeur du courant de repos du transistor équipé de la résistance de contre-réaction.

Plus précisément, la valeur RE de la résistance de contre-réaction peut être choisie telle que

où Io est un courant de repos traversant le transistor de l'étage équipé de la résistance de contre-réaction, <B>où</B> Imax est le courant maximum traversant le transistor de l'étage immédiatement suivant de la chaîne d'étages, et (3 son gain minimum.

De préférence, on peut choisir RE telle que REIO soit très petite devant

et

soit très grande devant

Par ailleurs, la valeur de la résistance de contre-réaction peut avantageusement être choisie suffisamment faible pour éviter la saturation du transistor de l'étage qui en est équipé. A cet effet, et plus précisément, la valeur de RE peut avantageusement être choisie telle que

Dans cette expression, VcC est la tension d'alimentation minimum de l'amplificateur, Vsat la tension de saturation du transistor de l'étage équipé de la résistance de contre-réaction et VBE la tension base-émetteur du transistor de l'étage immédiatement suivant de la chaîne d'étages, auquel est relié le transistor équipé de la résistance de contre-réaction.

La capacité de contre-réaction, dont le rôle est expliqué plus en détail dans la suite de la description, permet d'obtenir une meilleure stabilisation du pôle, en dépit d'une valeur RE relativement faible. Elle peut être constituée d'un ou de plusieurs condensateurs.

La possibilité d'utiliser une résistance de contre-réaction de valeur RE faible est particulièrement avantageuse lorsque l'amplificateur est alimenté avec une tension Vcc faible. Une faible tension d'alimentation impose en effet des valeurs faibles de RE si on souhaite éviter une saturation du transistor.

Selon une réalisation possible de l'amplificateur, l'étage de sortie et/ou au moins un étage intermédiaire peuvent comporter

- un transistor bipolaire, et

- des moyens de polarisation du transistor, en série avec le transistor entre les première et deuxième bornes d'alimentation, pour une polarisation du transistor selon un mode de fonctionnement en classe A.

Le transistor bipolaire de chaque étage peut être constitué d'un seul transistor ou d'une pluralité de transistors élémentaires en parallèle.

Dans ce dernier cas, les bornes de base, d'émetteur et de collecteur de chaque transistor élémentaire sont respectivement connectées aux bornes de base, d'émetteur et de collecteur des autres transistors montés en parallèle.

Selon une autre possibilité de réalisation de l'amplificateur, l'étage de sortie et/ou au moins un étage intermédiaire peuvent comporter respectivement un premier et un deuxième transistors bipolaires polarisés pour un mode de fonctionnement en classe AB. Le premier et deuxième transistors présentent alors chacun

- un émetteur ; les émetteurs des transistors étant reliés respectivement à la première et deuxième bornes d'alimentation,

- une base ; les bases des transistors formant respectivement une première et une deuxième entrées de l'étage,

- un collecteur ; les collecteurs des transistors formant respectivement une première et une deuxième sorties de l'étage.

De plus, chaque borne de sortie d'un étage intermédiaire est relié à une unique borne d'entrée d'un étage suivant de la chaîne d'étages et chaque borne d'entrée d'un étage intermédiaire est reliée à une unique borne de sortie d'un étage précédent de la chaîne d'étages.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. <U>Brève description des figures</U>

- La figure 1, déjà décrite, est un schéma électrique d'un amplificateur opérationnel d'un type connu.

- La figure 2, est un schéma électrique d'un amplificateur opérationnel selon une première possibilité de réalisation, conforme à l'invention,

- La figure 3 est un schéma électrique d'un amplificateur opérationnel selon une autre possibilité de réalisation conforme à l'invention.

<U>Description détaillée de modes de mise en oeuvre de</U> <U>l'invention</U>

Dans les figures 2 et 3, un certain nombre d'éléments ou de composants sont identiques, similaires ou équivalents à ceux de la figure 1 déjà décrite. Ces éléments ou composants sont désignés avec les mêmes références que celles de la figure 1, auxquelles on a ajouté 100.

La figure 2 montre une première possibilité de réalisation d'un amplificateur opérationnel conforme à l'invention, construit autour de transistors polarisés en émetteur commun et fonctionnant en classe A.

L'amplificateur de la figure 2 comporte un étage d'entrée transconducteur 110 avec des bornes d'entrée 112-, 112+, et une chaîne d'étages de gain avec, dans l'ordre, un premier étage intermédiaire 120, un deuxième étage intermédiaire 130 et un étage de sortie 150. Les étages de gain 120, 130, 150 sont respectivement construits autour de transistors bipolaires 122, 132 et 152 qui sont polarisés par des sources de courant 124, 134 et 154.

L'amplificateur comprend également des capacités de Miller 160, 162 et 163 respectivement de valeur CM, CM2 et CM3.

Les parties énumérées ci-dessus sont identiques à celles déjà décrites en référence à la figure 1 et sont connectées de la même façon. Leur description détaillée est omise ici, mais il est possible de se reporter à la description qui précède, en référence à la figure 1.

Les transistors bipolaires 122, 132, 152 utilisés dans le circuit de la figure 2 sont montés en émetteur commun. Ainsi, leur base et leur collecteur forment respectivement les bornes d'entrée et de sortie des étages de gain 120, 130, 150 construits autour de ces transistors.

Les émetteurs des transistors sont respectivement connectés à l'une des bornes d'alimentation.

Sur la figure, les transistors 122 et 132 des étages intermédiaires sont de type NPN et leurs émetteurs sont reliés à une première borne d'alimentation 101 correspondant à la borne de masse. L'émetteur du transistor 152 de l'étage de sortie, de type PNP, est relié à une deuxième borne d'alimentation 102 correspondant à un potentiel positif noté Vcc. On observe que l'émetteur du transistor 132 du deuxième étage intermédiaire est relié à la borne de masse 101 par l'intermédiaire d'une résistance 136.

Cette résistance, de valeur RE est une résistance de contre-réaction, c'est-à-dire une résistance de réaction négative.

La fonction de cette résistance est de réduire l'excursion en fréquence du pôle introduit par le deuxième étage intermédiaire 130 dans la caractéristique de gain de l'amplificateur.

En désignant par 12 le courant de collecteur du transistor 132 du deuxième étage intermédiaire, la transconductance 9m2 du transistor 132 est

où

Dans cette expression, on constate que 9m2 peut augmenter indéfiniment avec la valeur de 12 et provoquer donc une excursion importante du pole p2 correspondant, défini par

En présence de la résistance 136 de contre réaction, on peut définir une nouvelle transconductance Gm telle que

En désignant VE la chute de tension aux bornes de la résistance de contre-réaction 136, on a pour un courant de collecteur 12 : VE=12xRE et

Pour de faibles valeurs du courant de collecteur 12 et en particulier pour le courant de collecteur de repos noté 102, VE est relativement petit devant VT et on a Gm=gm.

Ainsi pour des petits courants, qui ne provoquent pas d'instabilité, le comportement de l'étage reste le même que celui de l'étage correspondant de la figure 1.

En revanche, pour des fortes valeurs du courant de collecteur 12, soit I2 Io2, la tension VE est rendue relativement grande devant VT. On a alors

La transconductance Gm de l'étage, pour des courants de collecteur croissants, tend par conséquent vers une valeur finie

indépendante du courant de collecteur, c'est-à-dire indépendante du courant délivré en sortie par l'amplificateur opérationnel.

Le courant de sortie de l'amplificateur est en effet égal au courant de collecteur d'un étage intermédiaire donné, que multiplie les gains en courant des transistors des étages suivants.

Pour des forts courants de sortie, l'excursion en fréquence du pôle associé au deuxième étage intermédiaire est donc limitée à

Si les valeurs CM, CM2 et CM3 des capacités de Miller sont choisies pour satisfaire l'équation de stabilité avec la valeur

l'augmentation du courant de sortie ne provoque aucune instabilité due au deuxième étage intermédiaire.

On observe que des valeurs fortes de RE permettent de maintenir la transconductance Gm faible. Toutefois, il est avantageux de choisir RE

suffisamment faible pour ne pas provoquer de saturation du transistor 132 du deuxième étage intermédiaire.

La tension collecteur-émetteur du transistor 132, notée VCE, est telle que

Dans cette expression VBE désigne la tension base-émetteur du transistor 152 de l'étage de sortie, 13, son courant de collecteur et (33 son gain en courant. La tension VBE est de l'ordre de 0,75 volts.

Pour éviter une saturation du transistor 132 du deuxième étage intermédiaire, il convient de fixer 13 et RE de façon que VCE>VCEsat ou VCEsat est la tension de saturation dudit transistor. VCEsat est de l'ordre de 0,15 volt. La valeur RE est donc choisie avantageusement telle que

Dans cette expression, 13max est une valeur maximum de 13 fixée par le courant maximum que doit fournir l'amplificateur.

Afin d'améliorer l'effet de contre-réaction obtenu par la résistance, sans trop augmenter la valeur de RE, c'est-à-dire aussi sans limiter le courant de sortie de l'amplificateur, le circuit comprend, conformément à l'invention, une capacité de contre- réaction indiquée avec la référence 137 sur la figure 2.

La capacité 137 est connecté entre l'émetteur du transistor 132 du deuxième étage et le collecteur du transistor 152 de l'étage de sortie 150.

La capacité 137 permet d'injecter un courant de contre-réaction dans le transistor 132 du deuxième étage intermédiaire lorsque la tension VE est grande devant VT (soit VE VT) . Ceci est le cas lorsque le courant de collecteur du transistor 132 de l'étage intermédiaire est grand devant le courant de repos.

Grâce au condensateur 137, de valeur CE, l'expression du pole p2 du deuxième étage devient

Ceci revient à augmenter la valeur de CM3 de la capacité 163 pour des courants importants et donc à réduire la fréquence associée au pôle p2. Ce phénomène s'oppose à l'accroissement de la transconductance gm et donc également à l'accroissement de la transconductance Gm qui tient compte de la résistance de contre- réaction.

Le choix de la valeur CE du condensateur de contre-réaction 137 est avantageusement guidé par celui de la résistance 136 dans la mesure où une augmentation de CE autorise une réduction de RE.

En désignant par RE,"aX une valeur maximum de RE choisie pour éviter la saturation du transistor, la relation suivante est vérifiée

A titre d'illustration, si CE=10xCM3, on peut utiliser une valeur RE aussi faible que

Ceci permet de fixer la valeur RE plus librement en fonction d'autres paramètres.

Comme évoqué précédemment, des résultats particulièrement bons sont obtenus pour un choix de RE tel que : REIp2 soit petit devant

soit grand devant

Dans cette expression 13,,,. ,, désigne le courant

maximum du collecteur de l'étage de sortie.

En d'autres termes, la tension aux bornes de la résistance de contre-réaction 136, lorsqu'elle est traversée par un courant de repos, est faible devant VT et la tension maximum

est grande devant VT lorsque l'amplificateur délivre un courant maximum.

La figure 3, décrite ci-après, montre une autre possibilité de réalisation d'un amplificateur opérationnel conforme à l'invention.

L'amplificateur comporte un étage d'entrée 110, un certain nombre d'étages intermédiaires 120, 130, 140 et un étage de sortie 150.

Le premier étage intermédiaire 120 est comparable au premier étage de la figure 2. Il comporte deux transistors bipolaires 122, 123 connectés en parallèle et polarisés par une source de courant 124. L'entrée de l'étage est formé par les bases des transistors 122, 123 qui sont reliées à la sortie 114 de l'étage transconducteur 110. La sortie du premier étage intermédiaire est formée par les collecteurs des transistors 122, 123 reliés entre eux.

Les étages intermédiaires qui suivent le premier étage intermédiaire et l'étage de sortie sont construits chacun autour de deux transistors bipolaires fonctionnant en classe AB.

Un premier transistor bipolaire 132a, 142a, 152a des étages est du type NPN et son émetteur est respectivement relié à la première borne d'alimentation 101. Ce premier transistor de chaque étage est respectivement associé à un deuxième transistor 132b, 142b, 152b, de type PNP, dont l'émetteur est respectivement relié à la deuxième borne d'alimentation.

Le collecteur des premier et deuxième transistors de chaque étage intermédiaire est relié aux bases respectivement des deuxième et premier transistors de l'étage immédiatement suivant.

A titre d'exemple, le collecteur du deuxième transistor 132b du troisième étage 130 est relié à la base du premier transistor 142a du quatrième étage 140. De la même façon, le collecteur du premier transistor 132a du troisième étage 130 est relié à la base du deuxième transistor 142b du quatrième étage 140.

Les bases des premier et deuxième transistors des étages de gain sont polarisées et pilotées par des circuits de polarisation 138, 148, 158. Ces circuits connus en soi, sont usuellement désignés par "class AB Control" et sont polarisés par des sources de courant représentées en trait discontinu.

Une description plus détaillée des circuits de commande du type "classe AB Control" est donnée par exemple dans les documents (1) et (2) dont les références sont précisées à la fin de la description.

Sur la figure 3, les références 163a et 163b désignent des capacités de Miller connectés respectivement entre les bases et les collecteurs des transistors 152a et 152b de l'étage de sortie.

La borne de sortie 156 de l'amplificateur est formée par les collecteurs de ces transistors reliés entre eux.

Le circuit de la figure 3 peut comporter d'autres capacités de Miller correspondant, par exemple, aux capacités 160 et 162 de la figure 2. Ces capacités peuvent être connectés, par exemple entre la base des transistors 122 et 123 du premier étage 110 et leur collecteur, ou entre la base et la borne de sortie 156 de l'amplificateur. Pour des raisons de clarté, ces capacités sont omises sur la figure.

Dans l'exemple de réalisation décrit, et conformément à l'invention, l'émetteur du premier transistor 132a du deuxième étage intermédiaire 130 est relié à la première borne d'alimentation 101 par l'intermédiaire d'une première résistance de contre- réaction 136a. De la même façon, l'émetteur du deuxième transistor 132b, du même étage, est relié à la deuxième borne d'alimentation 102, par l'intermédiaire d'une deuxième résistance de contre-réaction 136b. Les émetteurs des premier et deuxième transistors 132a, 132b sont reliés aux sorties d'un étage suivant, en l'occurrence aux sorties du troisième étage intermédiaire 140 respectivement par des capacités de contre-réaction 137a, 137b. Plus précisément, une première capacité de contre-réaction 137a est connectée entre l'émetteur du premier transistor 132a du deuxième étage intermédiaire 130 et le collecteur du premier transistor 142a du troisième étage intermédiaire 140. De la même façon, une deuxième capacité 137b relie l'émetteur du deuxième transistor 132b du deuxième étage 130 au collecteur du deuxième transistor 142b du troisième étage 140.

Selon d'autres possibilités les capacités 137a et 137b peuvent aussi être connectées entre les émetteurs des transistors du deuxième étage 130 et les collecteurs, c'est-à-dire les sorties d'un étage suivant de la chaîne, ou même à la borne de sortie 156.

La figure 3 montre également en trait discontinu une résistance de contre-réaction 146 et un condensateur de contre-réaction 147 qui peuvent éventuellement équiper un autre étage intermédiaire tel que le troisième étage 140 par exemple. On observe, sur cet exemple, que le condensateur 147 relie l'émetteur du premier transistor 142a du troisième étage 140 à la borne de sortie 156.

En outre, il convient de noter que dans une version simplifiée une résistance et une capacité de contre-réaction peuvent n'équiper qu'un seul des transistors des étages intermédiaires. DOCUMENTS <B>CITES</B> (s)

"Parallel Feedforward Class-AB Control Circuits for Low-Voltage Bipolar Rail-to-Rail Output Stages of Operational Amplifiers"

de W.C.M. RENIRIE et coll.

Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 8. 37-48 (1995)

(2) "A Compact Power-Efficient 3 V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries"

de Ron Hogervorst et coll.

IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Vol. 29, N 12, Decembre 1994.

Claims (6)

où Io est un courant de repos traversant le transistor (132) de l'étage (130) équipé de la résistance de contre-réaction (136), où I,a, est le courant maximum traversant le transistor (152) de l'étage immédiatement suivant (150) de la chaîne d'étages, et (3 son gain minimum. REVENDICATIONS

1. Amplificateur opérationnel comportant - un étage transconducteur (110) d'entrée avec des bornes d'entrée différentielle (112-, 112+) et une borne de sortie (114), - un étage de sortie (150), et - au moins un étage intermédiaire (120, 130, 140) connecté entre l'étage d'entrée et l'étage de sortie de façon à former une chaîne d'étages, dans lequel l'étage de sortie et chaque étage intermédiaire comprennent au moins un transistor bipolaire (122, 125, 132, 152, 132a, 132b, 142a, 142b, 152a, 152b) connecté en émetteur commun entre une première et une deuxième bornes d'alimentation (101, 102), le transistor bipolaire de chaque étage présentant une base formant au moins une borne d'entrée de l'étage et présentant un collecteur formant au moins une borne de sortie de l'étage, dans lequel au moins une capacité (162) de Miller est connectée entre l'entrée et la sortie d'au moins un étage intermédiaire (120) étage et dans lequel au moins une borne d'entrée de chaque étage intermédiaire est connectée à une borne de sortie d'un étage précédant dans la chaîne et au moins une borne de sortie de chaque étage intermédiaire est connectée à une borne d'entrée d'un étage suivant dans la chaîne, caractérisé en ce qu'au moins un étage intermédiaire comporte - au moins une résistance de contre-réaction (136, 136a, 136b) connectée entre la borne d'émetteur d'au moins un transistor bipolaire (132, 132a, 132b) dudit étage et l'une desdites première et deuxième bornes d'alimentation, et - au moins une capacité de contre-réaction (137, 137a, 137b) connectée entre la borne d'émetteur dudit transistor et une sortie d'un étage suivant.

2. Amplificateur selon la revendication 1, dans lequel l'étage de sortie (150) et/ou au moins un étage intermédiaire (120, 130) comportent - un transistor bipolaire (122, 132, 152), et - des moyens (124, 134, 154) de polarisation du transistor, en série avec le transistor entre les première et deuxième bornes d'alimentation, pour une polarisation du transistor selon un mode de fonctionnement en classe A.

3. Amplificateur selon la revendication 2, dans lequel le transistor bipolaire comporte une pluralité de transistors bipolaires (122, 123) élémentaires en parallèle.

4. Amplificateur selon la revendication 1, dans lequel l'étage de sortie et/ou au moins un étage intermédiaire comportent respectivement un premier et un deuxième transistors bipolaires (132a, 132b, 142a, 142b, 152a, 152b) polarisés pour un fonctionnement en classe AB, le premier et deuxième transistor présentant chacun - un émetteur ; les émetteurs des transistors étant reliés respectivement à la première et deuxième bornes d'alimentation, - une base ; les bases des transistors formant respectivement une première et une deuxième entrées de l'étage, - un collecteur ; les collecteurs des transistors formant respectivement une première et une deuxième sorties de l'étage, et dans lequel chaque borne de sortie d'un étage intermédiaire est relié à une unique borne d'entrée d'un étage suivant de la chaîne d'étages et chaque borne d'entrée d'un étage intermédiaire est reliée à une unique borne de sortie d'un étage précédent de la chaîne d'étages.

5. Amplificateur selon la revendication 4, dans lequel chaque borne de sortie d'un étage intermédiaire (130) formée par le collecteur d'un transistor bipolaire (132a) dont l'émetteur est relié à la première borne d'alimentation (101), est reliée à une borne d'entrée d'un étage consécutif (140) de la chaîne d'étages, ladite borne d'entrée étant formée par la base d'un transistor bipolaire (140b) dont l'émetteur est relié à la deuxième borne d'alimentation (102).

6. Amplificateur selon la revendication 1, dans lequel la valeur RE de la résistance de contre-réaction (136, 136a, 136b) est choisie telle que