FR2829248A1 - Generateur de courant pour faible tension d'alimentation - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un générateur de courant pour produire un courant de référence (18). Selon l'invention, le générateur comprend également : - un premier transistor (T7) de type P dont une source est connectée à un premier pôle de la résistance (R2) et dont une grille est connectée à un deuxième pôle de la résistance (R2), le courant de référence (18), circulant dans la résistance (R2), étant fonction d'une tension de seuil (VTP7) du premier transistor (T7) et- un deuxième transistor (T8) de type N dont un drain, une grille et une source sont connectés respectivement au deuxième pôle de la résistance (R2), au premier pôle de la résistance (R2) et au drain du premier transistor (T7), le deuxième transistor (T8) fonctionnant en régime de saturation. Application notamment aux circuits intégrés utilisant de faibles tensions d'alimentation.

Description

B 13476 DB

GENERATEUR DE COURANT POUR FAIBLE TENSION D'ALIMENTATION

L' invention concerne un générateur de courant de référence, notamment intéressant pour les circuits intégrés utilisant de faibles tensions d'alimentation. Un générateur selon l 'invention produit un courant indépendant de la tension d'alimentation. Pour crcer des courants indépendants de la tension d'alimentation, il est connu d'utiliser des générateurs de courant de référence de type bootstrap, dont un

exemple simplifié est représenté sur la figure 1.

Le générateur de la figure 1 comprend essentiellement deux transistors T1, T2 de type P. deux transistors T3, T4 de type N et une résistance R1. Le drain du transistor T1 et le drain du transistor T3 sont connectés ensemble; une tension d'alimentation VDD est appliquée sur la source du transistor T1 et une tension de référence VSS est appliquée sur la source du transistor T3. La source du transistor T2 est connectée à la source du transistor T1, et la grille et le drain de T2 sont connectés ensemble à la grille de T1 et au drain de T4. Enfin, un pôle de la résistance R1 est connsaté à la source de T4 et la tension de référence VSS est

appliquée sur un autre pôle de la résistance R1.

Le générateur de la figure 1 fonctionne de la manière suivante. Des courants I1, I2 traversent respectivement les transistors T1, T2 qui forment un miroir de courant. Les courants I1, I2 sont

proportionnels, éventuellement égaux: I1 = a*I2.

Le courant I1 traverse le transistor T3, imposant une tension VTN3 entre la grille et la source de T3. VTN3 est la tension de seuil du transistor T3, VTN3 est

indépendante de la tension d'alimentation VDD.

Le courant I2 traverse la résistance R1 et une tension R1 * I2 apparaît à ses bornes. Comme la résistance R1 est connectée entre la grille et la source du transistor T2, on a à l'équilibre R1 * I2 = VTN3 soit

I2 = VTN3/R1

Le courant I2 est ainsi indépendant de la tension d'alimentation VDD, il dépend seulement de la tension de

seuil du transistor T3 et de la résistance R1.

Le courant I2 obtenu est recopié pour être exploité par ailleurs, en utilisant un transistor de recopie T5, dont la grille et la source sont connectées respectivement aux pôles de la résistance R1. Le drain du transistor T5 est connecté à un circuit annexe qui utilise le courant de référence I5 circulant dans le transistor T5. Le courant I5 est directement proportionnel au courant I2 circulant dans la résistance R1. On notera que le courant I2, s'il est indépendant de la tension d'alimentation VDD, est par contre dépendant de la température du circuit car la tension de seuil VTN3 est elle-même dépendante de la température, de manière linéaire. On a effet: I2 = (VTN3(TO) - K(T-TO)) / R1, avec T. la température, T0 une température de réLérence, et VTN3(TO), la tension de seuil de T3 à la température T0. 2s La variation, en fonction de la température, du courant produit par un générateur, n'est pas nécessairement un inconvénient. En effet certains circuits utilisent des courants de référence de valeur

variable en fonction de la température.

Sinon, il est assez facile de s'accommoder d'un courant variable tel que celui produit par un générateur selon la figure 1, dans la mesure o les variations de la tension de seuil VTN3 en fonction de la température T sont connues et sont de plus simples: la tension de seuil VTN3, et donc le courant I2 qui traverse la résistance R1, varie linéairement en fonction de la

température: I2 est en effet égal à I2 = IO*(1-b * T).

Si un courant constant est nécessaire, il est connu de combiner un générateur produisant un courant de type I = IO*(l+b * T) avec un générateur produisant un courant de type I = IO*(1-b * T) pour obtenir un courant

indépendant de la température.

Pour créer des courants, il est également connu d'utiliser des générateurs de courant de référence utilisant un transistor bipolaire. Un exemple simplifié d'un tel générateur de référence est représenté sur la

figure 2.

Par rapport au générateur de la figure 1, le circuit de la figure 2 comprend en complément un transistor bipolaire T6. Un émetteur du transistor T6 est connecté à la source de T3 et la tension de référence VSS est appliquée sur un collecteur et une base de T6 qui sont connectés ensemble. Enfin, la grille de T3 n'est

plus connectée à la source de T4 mais à sa grille.

le générateur de la figure 2 fonctionne de manière similaire à celui de la figure 1. Le courant I2 circulant dans la résistance R1 est simplement égal dans ce cas à:

I2 = VBE6/R1,

VI3E6 étant une tension de seuil entre la base et l'émetteur du transistor T6, indépendante de la tension d'alimentation VDD. VBE6 dépend par contre de la

température de manière linéaire.

Des informations complémentaires concernant la réalisation des générateurs tels que ceux schématisés sur la figure 1 ou la figure 2 peuvent être trouvées dans le document "CMOS Analog Circuit Deaign", Editions Holt

Rinchart and Wins ton 19 8 7.

Les générateurs selon la figure 1 ou la figure 2 sont utilisés chaque fois que l'on souhaite obtenir un 3s courant de référence indépendant de la tension d'alimentation. Ceci est fréquent car souvent, la tension d'alimentation d'un circuit peut varier: elle dépend en

effet souvent de la puissance fournie au circuit.

Les générateurs selon la figure 1 ou la figure 2 présentent cependant un inconvénient important, à savoir s la valeur de la tension d'alimentation minimale VDDmin à utiliser pour alimenter de tels générateurs. En effet, la tension d'alimentation VDD appliquée doit être suffisante pour rendre passant, voire même saturer l'ensemble des transistors des générateurs, de sorte qu'un courant

circule dans ces transistors.

Par exemple, pour le générateur de la figure 1, la tension minimale VDDmin à appliquer est égale à: VDDmin = VTN3 + VDS4 + VGS2, avec: VTN3, tension de seuil de T3, de l'ordre de 0,60 V VDS4, tension entre le drain et la source du transistor T4, de l'ordre de 0,15 V, et VGS2, tension entre la grille (ou le drain, puisqu'ils sont connectés ensemble) et la source de T2, de l'ordre de 0,70 V En conséquence, la tension VDDmin pour le circuit de la figure 1 est l'ordre de 1,5 V. De la même facon et pour les mêmes raisons, pour le circuit de la figure 2, la tension d'alimentation minimale VDDmin à utiliser est égale à: 2s VDDmin = vsE5 + VGS3 + VDS1, avec: VRE5, tension entre l'émetteur et la base de T5, de l'ordre de 0,7 V, VGS3, tension entre la grille et la source du transistor T3, de l'ordre de 0,65 V, et VDS1, tension entre le drain et la source de T1, de l'ordre de 0,15 V En conséquence, la tension VDDmin nocessaire pour alimenter le circuit de la figure 2 est l'ordre de 1,5 V. Aussi, quel que soit le générateur de courant connu utilisé, la tension d'alimentation minimale VDDmin à utiliser est de l'ordre de 1,5 V. s Or, une telle tension minimale peut être prohibitive, notamment pour des circuits réalisés dans des technologies suLmicroniques les plus faibles, telles que les technologies 0,25m ou moins, qui ne peuvent s utiliser que des tensions inférieures à 1,S V, voire

1,2 V pour les technologies 0,13m. -

Un objet de l' invention est de réaliser un nouveau générateur de courant, produisant un courant indépendant

de la tension d'alimentation.

Un autre objet de l' invention est de réaliser un générateur de courant qui utilise une faible tension d'alimentation, par exemple inférieure à 1, 5 V. Avec ces objectifs en vue, l' invention concerne un générateur de courant pour produire un courant de

référence.

Selon l'invention, le générateur comprend un premier transistor de type P. dont une source est connectée à un premier pôle d'une résistance et dont une grille est connectée à un deuxième pôle de la résistance, le courant de référence, circulant dans la résistance, étant variable en fonction d'une tension de seuil du premier transistor, et un deuxième transistor de type N. dont un drain, une grille et une source sont connectés respectivement au deuxième pôle de la résistance, au 2s premier pôle de la résistance et au drain du premier transistor, le deuxième transistor fonctionnant en régime

de saturation.

Le courant de référence produit est ainsi fixé par la tension entre la grille et la source du premier transistor, qui est elle-même égale à la tension de seuil du transistor. Le courant de référence produit ne dépend

donc pas de la tension d'alimentation.

Le générateur ci-dessus est avantageusement complété par une source de courant comprenant un premier pôle sur lequel est appliquée une tension d'alimentation et un deuxième pôle connocté au premier pôle de la ' résistance. La source de courant utilisoe alimente en courant et en énergie la résistance et le premier transistor, elle fournit notamment le courant de référence circulant s dans la résistance et le courant dans le premier transistor. Le premier transistor et le deuxième transistor sont choisis de taille adéquate (en terme de longueur/largeur de grille) de sorte qu'ils soient saturés en fonctionnement normal du générateur. Ainsi, lO comme on le verra mieux par la suite, le courant circulant dans le transistor est très faible et le courant fourni par la source de courant est très proche du courant de référence produit par le générateur de

courant selon l' invention.

Une tension de référence est appliquée sur le drain

du premier transistor.

Pour un générateur selon l'invention, la tension d'alimentation minimale à appliquer est égale à la somme de la tension entre la grille et la source du deuxième transistor et de la tension entre les pôles de la source de courant. Elle est donc plus faible (de l'ordre de 1 à 1,2 V) que celle à appliquer pour des générateurs connus,

comme on le verra mieux par la suite dans des exemples.

Un générateur de courant selon l 'invention est donc 2s utilisable y compris pour réaliser des circuits dans les technologies les plus fines disposant d'une faible

tension d'alimentation.

Le générateur selon l' invention est avantageusement complété par un troisième transistor, de type N. dont une grille et une source sont connoctées respectivement à la

grille et à la source du deuxième transistor.

Le troisième transistor et le deuxième transistor forment ainsi un miroir de courant: le troisième transistor recopie le courant de référence circulant dans le deuxième transistor et un courant proportionnel (ou égal) au courant de référence (et donc indépendant de la tension d'alimentation) est ainsi accessible sur le drain du troisième transistor et peut être utilisé par un

circuit extérieur.

Selon un mode de réalisation, la source de courant, utilisée dans un générateur selon l'invention, comprend un quatrième transistor et un cinquième transistor, la tension d'alimentation étant appliquée sur la source commune du quatrième transistor et du cinquième transistor, la grille du quatrième transistor et la grille du cinquième transistor étant connectées ensemble au drain du cinquième transistor et au drain du troisième transistor et le drain du quatrième transistor étant

connecté au premier pôle de la résistance.

L' invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture

de la description qui va suivre, d'exemples de mise en

oeuvre de générateurs de courant selon l'invention. La

description est à lire en relation aux dessins annexés

dans lesquels: - les figures l et 2, déjà décrites, sont des schémas de générateurs de courants connus, et - les figures 3, 4 sont des schémas de générateurs

de courant selon l'invention.

Dans un premier exemple de mise en oeuvre, un générateur de courant selon l' invention comprend (figure 3) une source de courant SI, un transistor T7 de type P. un transistor T8 de type N. et une résistance R2. Les transistors T7, T8 sont dimensionnés de sorte qu'ils

soient saturés en fonctionnement normal.

Une tension d'alimentation VDD est appliquée sur une première borne de la source de courant SI, qui produit un courant IO sur une deuxième borne. La source de courant SI n'est pas nécessairement parfaite, et en particulier, le courant IO peut dépendre de la tension

VDD aussi bien que de tout autre paramètre.

La réaistance R2 a un premier pôle connecté à la source du transistor T7, à la grille du transistor T8 et à la deuxième borne de la source de courant SI; la résistance R2 a un deuxième pôle connecté à la grille de

T7 et au drain de T8.

Enfin, une tension de référence VSS est appliquée sur la source de T8 et sur le drain de T7 qui sont connectés ensemble. La tension de référence VSS est inférieure à la tension d'alimentation VDD, la tension VSS correspond par exemple à une tension de masse du circuit. Le fonctionnement du générateur de la figure 3 est le suivant. La source SI produit le courant I0, éventuellement variable, qui se partage en un courant I8, travereant la résistance R2, et en un courant I7,

circulant entre la source et le drain du transistor T7.

Le transistor T7 est passant et saturé (il a été dimensionné pour cela). En conséquence, le courant I7 est très faible, et en particulier très inférieur au courant I8. La tension entre la grille et la source du transistor T7 est égale à: VGS7 = VTP7+VDsat, avec VGS7, la tension entre la grille et la source du transistor T7, VTP7, la tension de seuil du transistor T7 de type P. de l'ordre de 0,60 V, VDsat, la tension entre le drain et la source de T7, au point de saturation, VDsat est très faible, par exemple de l'ordre de 0,05 V. On en déduit que la tension entre la grille et la source de T7 est approximativement égale à la tension de seuil du transistor T7. Comme la tension aux bornes de la réaistance R2 est égale à la tension entre la grille et 3s la source du transistor T7, le courant I8 circulant dans la résistance R2 est finalement égal à:

I8 = VTP7/R2.

Comme la tension de seuil VTP7 et la résistance R2 sont indépendantes de la tension d'alimentation VDD, on obtient, comme pour les générateurs de l'art antérieur, un courant I8 indépendant de la tension d'alimentation VDD. Le courant I8 dépend par contre de la température T car la tension de seuil VTP7 en dépend selon la relation

VTP7(T) = VTP7(TO) -K(T-TO),

o TO est une température de référence, K est une constante, et VTP7(TO) et une valeur de référence de la

tension de seuil associce à la température TO.

Un autre exemple de générateur de courant selon l' invention est représenté sur la figure 4. Par rapport à celui de la figure 3, le générateur de la figure 4 comprend en complément deux transistors T9, T10 de type P et un transistor Tll de type N. Les transistors T9, T10

forment dans cet exemple la source de courant SI.

La tension d'alimentation VDD est appliquée sur la source commune des transistors T9, T10 dont les grilles sont connectées ensemble, la grille de T10 étant également connectée à son drain. Le drain de T9 est connecté au premier pôle de la résistance R2 et à la source du transistor T7; le transistor T9 produit le

courant IO.

Le transistor T7 étant saturé, comme dans l'exemple précédent, le courant I7 circulant dans le transistor T7 est très faible et le courant I8 circulant dans la résistance R2 est peu différent du courant IO. Le courant I8 est recopié par les transistors T10, Tll, en conséquence, un courant Ill circule dans les transistors T10, Tll, le courant Ill étant directement proportionnel au courant I8. Le courant Ill est donc indépendant de la tension d'alimentation VDD, mais il varie linéairement

avec la température.

Dans l'exemple de la figure 4, les transistors T9, / T10 forment la source de courant SI. Cependant, d'autres types de source de courant peuvent bien sûr être utilisés pour réaliser la source SI, l'essentiel étant de disposer d'une source susceptible de fournir un courant I0 suffisant d'une part pour alimenter et saturer le transistor T7 et d'autre part pour alimenter la

résistance R2.

On notera qu'avec le générateur de la figure 3 ou celui de la figure 4, la tension minimale VDDmin à appliquer au générateur est égale à: VDDmin # VGS8 + VSI, avec VGS8, la tension entre la grille et la source du transistor T8, de l'ordre de 0,6 à 0,9 V, et VSI, la tension entre les bornes de la source de courant SI; si la source SI est réalisée (conformément à la figure 4) à l' aide des transistors T9, T10, alors la tension VSI est égale à la tension entre le drain et la source du transistor T9, elle est donc de l'ordre de

0,2 V.

La tension d'alimentation minimale à utiliser est ainsi de l'ordre de VDDmin # 0, 8 à 1,1 V, ce qui est bien inférieur à la tension VDDmin qu'il est nocessaire d'utiliser dans des générateurs connus tels que ceux de la figure 1 ou de la figure 2. Un générateur de courant selon l' invention peut donc être utilisé pour tout type de circuit intégré, y compris les circuits intégrés réalisés selon les technologies les plus fines, par exemple 0,13ym qui utilisent une tension d'alimentation faible. On notera que, de même que dans les circuits connus, le courant produit par un générateur selon l' invention est dépendant de la température puisque la tension de seuil VTP7 du transistor T7 en dépend elle même. Cependant, ceci n'est pas plus gênant que pour les circuits connus: les variations de la tension de seuil VTP7, et donc du courant I8, en fonction de la temperature sont connues, elles sont de plus linéaires (Is = I80*(1-a.T)) et en consequences peuvent être prises

facilement en compte.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Générateur de courant pour produire un courant de référence (I8), le générateur étant caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier transistor (T7) de type P dont une source est connectée à un premier pôle d'une résistance (R2) et dont une grille est connectée à un deuxième pôle de la résistance (R2), le courant de référence (I8) circulant dans la résistance (R2) étant variable en fonction d'une tension de seuil (VTP7) du premier transistor (T7) et - un deuxième transistor (T8) de type N dont un drain, une grille et une source sont connectés respectivement au deuxième pôle de la réaistance (R2), au premier pôle de la résistance (R2) et au drain du premier transistor (T7), le deuxième transistor fonctionnant en

régime de saturation.

2. Générateur selon la revendication l, caractérisé en ce qu'il comprend également une source de courant (SI) comprenant un premier pôle sur lequel est appliquée une tension d'alimentation (VDD) et un deuxième pôle connocté

au premier pôle de la réaistance (R2).

3. Générateur selon l'une des revendications

2s précédentes, caractérisé en ce qu'une tension de référence (VSS) est appliquce sur le drain du premier

transistor (T7).

4. Générateur selon l'une des revendications l à 3,

caractérisé en ce qu'il comprend également un troisième transistor (Tll), de type N. dont une grille et une source sont connectées respectivement à la grille et à la

source du deuxième transistor (T8).

5. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source de courant comprend un quatrième transistor (T9) et un cinquième transistor (T10), la tension d'alimentation (VDD) étant appliquée sur la source commune du quatrième transistor (T9) et du cinquième transistor (T10), la grille du quatrième transistor (T9) et la grille du cinquième transistor (T10) étant connectées ensemble au drain du cinquième transistor (T10) et au drain du troisième transistor (T11) et le drain du quatrième transistor (T9) étant