FR2986390A1 - Amplificateur operationnel a suppression de tension de decalage - Google Patents

Abstract

Amplificateur opérationnel comprenant un étage différentiel comprenant au moins deux transistors (M1, M2) dont les grilles sont respectivement reliées aux deux entrées (22, 23) de l'amplificateur opérationnel, et comprenant un dispositif de suppression (29) de la tension de décalage, caractérisé en ce que les sources des au moins deux transistors (M1, M2) sont reliées à une première source de courant (30) dont le courant l délivré dépend négativement des variations de température (CTAT) et à une seconde source de courant (31) dont le courant délivré l est proportionnel à la température absolue (PTAT), de sorte que la somme de ces deux courants (Ict + Ipt) est peu ou pas dépendante de la température, en ce que cette liaison des sources des au moins deux transistors (M1, M2) avec les deux sources de courant (30, 31) est réalisée respectivement par l'intermédiaire de deux résistances (R1, R2), et en ce que le courant qui traverse les deux transistors (M1, M2) est imposé de type proportionnel avec la température (PTAT), afin de permettre une suppression de la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel sensiblement indépendante de la température tout en obtenant un produit gain-bande constant indépendant de la température.

Description

Le présent document concerne un amplificateur opérationnel, particulièrement adapté pour une implémentation dans un circuit intégré fabriqué selon une technologie de type CMOS. Il concerne aussi un procédé de stabilisation du fonctionnement d'un amplificateur opérationnel. Un amplificateur opérationnel est un circuit analogique permettant d'amplifier des tensions avec un gain très élevé. Il produit en sortie une tension qui est proportionnelle à une différence de tension présentée sur deux entrées, dénommées les entrées inverseuse et non-inverseuse. Les amplificateurs opérationnels sont généralement réalisés sous forme de circuit intégré. Dans un montage classique, plusieurs amplificateurs opérationnels séparés peuvent être intégrés sur un même substrat avec de nombreux autres éléments de circuits, tant analogiques que numériques. 15 Un schéma simplifié d'un exemple d'amplificateur opérationnel 1 du type CMOS est représenté à la figure 1. Il comprend donc deux entrées 2, 3 sur lesquelles sont respectivement appliquées des tensions Vp, V, et une sortie 4 au potentiel Vput amplifié. L'exemple est basé sur une architecture à trois 20 étages comprenant un étage d'entrée différentielle 6, en général comprenant des transistors NMOS, PMOS ou une combinaison des deux, un étage de pilotage 7 et un étage de puissance 8. Ce dernier constitue ici également l'étage de sortie de l'amplificateur opérationnel. 25 La figure 2 illustre plus en détail le circuit électrique interne d'un amplificateur opérationnel comprenant deux étages. Le premier étage d'entrée différentielle 6 comprend une paire de transistors M1, M2 et une source de courant lb. 30 Un amplificateur opérationnel 1 amplifie la différence de tension entre ses entrées 2, 3, et la tension de sortie Vput est en théorie au milieu de la 10 dynamique de sortie lorsque ces entrées sont au même potentiel (c'est-à-dire quand Vp = Vm, par exemple en étant reliées directement l'une à l'autre). Cependant, comme il est bien connu, un amplificateur opérationnel présente en pratique une tension de sortie parasite, dite tension de décalage ou plus simplement « offset » selon la dénomination anglo-saxonne couramment utilisée. Cette tension de décalage, qui varie avec la température, résulte d'un déséquilibre entre les caractéristiques des entrées de l'amplificateur et ajoute une imprécision dans le fonctionnement de l'amplificateur opérationnel par rapport à ses caractéristiques théoriques.

Pour pallier cet inconvénient, la figure 3 montre schématiquement un exemple d'amplificateur opérationnel de l'état de la technique qui comprend l'architecture similaire à celle de la figure 1 et intègre de plus un dispositif de suppression 9 de la tension de décalage, permettant la mise à zéro de la tension de décalage Voffset. La figure 4 représente ainsi plus en détail le circuit électrique du dispositif de suppression 9 de la tension de décalage selon l'état de la technique, agencé au niveau de l'étage d'entrée différentielle 6. Il repose sur une source de courant 10, dont le courant fourni lb est indépendant des variations de température, connue sous la dénomination simplifiée de ZTAT (pour la dénomination anglo-saxonne de « Zero to Absolute Temperature »). Ce circuit comprend de plus n premières résistances Rp (R1p à Rnp) équivalentes disposées en série depuis la source du premier transistor M1 lié à la première entrée 2 de l'amplificateur opérationnel, et séparées par différents contacts intermédiaires T1p à Tnp sur lesquels un contact de commutation de résistance est possible. De manière similaire, n secondes résistances Rm (Ri, à Rnm) équivalentes sont disposées en série avec les précédentes résistances (R1p à Rip) jusqu'à la source du second transistor M2 lié à la seconde entrée 3 de l'amplificateur opérationnel. Ces n secondes résistances sont séparées par différents contacts intermédiaires Tim à Tnm sur lesquels un contact de commutation de résistance est possible. Un contact To est disposé entre ces deux ensembles de résistances Rp et Rm. Les différents contacts Tip et Tim peuvent être reliés à la source de courant 10 par l'intermédiaire d'un contact 11 commutable. Le positionnement de ce contact permet de définir finalement les résistances globales R1, R2 résultantes disposées de part et d'autre de ce contact 11 et donc de la source de courant 10. En remarque, la figure 4 illustre le cas particulier où le contact 11 commutable est positionné sur le contact central To. Les différentes tensions représentées sur la figure 4 sont liées par la relation suivante : Vs = Vp-Vgsmi-n*Rp*Ib/2 = Vm-Vgsm2-n*Rm*lb/2 En appelant VRp = n*Rplb/2 et VRm = n*Rm*lb/2, l'équation précédente devient: Vs = Vp-Vgsml-VRp = Vm-Vgsm2-VRm En tenant compte de la tension de décalage Voffset, la tension Vp devient Vp Voffset et l'équation précédente donne finalement : Vp- Voffset Vgsml-VRp = Vm-Vgsm2-VRm (1) En modifiant le positionnement du contact commutable 11 du circuit de la figure 4, par exemple en le déplaçant de k contacts sur la gauche dans le cas où la tension de décalage est positive, l'équation précédente devient : Vp- Voffset Vgsm1-(VRp - k Rp lb/2) = Vm-Vgsm2- (VRm + k Rp * lb/2) Cette équation peut aussi s'écrire : Vp - (Voffset - 2 *k Rp lb/2) - Vgsmi - VRp = Vm - Vgsm2 -VRm (2) En comparant cette équation (2) avec l'équation (1), on s'aperçoit donc que la commutation du contact commutable 11 a un effet équivalent à une réduction de la tension de décalage d'une valeur 2 *k Rp lb/2. Ainsi, il est possible de choisir k de sorte à obtenir la valeur la plus basse possible de la tension de décalage et cette approche permet donc bien de supprimer ou réduire cette tension de décalage. Naturellement, le même principe est appliqué si la tension de décalage est négative, auquel cas le contact 11 est commuté sur la droite, et permet d'augmenter cette tension de décalage d'une valeur de 2 *k Rm lb/2. Cette valeur discrète, utilisée pour supprimer la tension de décalage, sera choisie la plus basse possible. Avec l'utilisation de la source de courant de type ZTAT pour induire le courant lb, la variation de cette quantité avec la température est minimisée. Si cette solution est efficace pour réduire la tension de décalage d'un amplificateur opérationnel de manière indépendante de la température, elle présente toutefois l'inconvénient de fortement réduire sa performance au niveau de son produit gain-bande. En effet, comme cela apparait sur la figure 5 qui représente la courbe 15 d'évolution du produit gain-bande de l'amplificateur avec la température, ce produit gain-bande chute de 40% sur une plage de température de -40 à 125 °C. On remarque que le produit gain-bande d'un amplificateur opérationnel implémentant la solution décrite ci-dessus évolue de manière sensiblement proportionnelle à l'inverse de la température absolue (1/T).

Ainsi, un objet de ce document est de rechercher une solution qui permette à la fois de supprimer ou réduire la tension de décalage d'un amplificateur opérationnel tout en obtenant un produit gain-bande satisfaisant, quelle que soit la température. A cet effet, l'invention repose sur un amplificateur opérationnel comprenant un étage différentiel comprenant au moins deux transistors dont les grilles sont respectivement reliées aux deux entrées de l'amplificateur opérationnel, et comprenant un dispositif de suppression de la tension de décalage, caractérisé en ce que les sources des au moins deux transistors sont reliées à une première source de courant dont le courant Id délivré dépend négativement des variations de température (CTAT) et à une seconde source de courant dont le courant délivré Ipt est proportionnel à la température absolue (PTAT), de sorte que la somme de ces deux courants (Id + Ipt) est peu ou pas dépendante de la température, en ce que cette liaison des sources des au moins deux transistors avec les deux sources de courant est réalisée respectivement par l'intermédiaire de deux résistances, et en ce que le courant qui traverse les deux transistors est imposé de type proportionnel avec la température (PTAT), afin de permettre une suppression de la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel sensiblement indépendante de la température tout en obtenant un produit gain-bande constant indépendant de la température.

L'amplificateur opérationnel peut comprendre deux sources de courant supplémentaires de type variant négativement avec la température (CTAT) respectivement connectées aux sources des deux transistors et dont le courant est imposé à une valeur égale à la moitié du courant de la première source de courant.30 L'amplificateur opérationnel peut comprendre une première résistance disposée entre la source du premier transistor et un contact avec les deux première et seconde sources de courant et une seconde résistance disposée entre la source du second transistor et le contact vers les deux première et seconde sources de courant. Les deux première et seconde sources de courant peuvent être disposées sur respectivement deux branches parallèles à partir du contact disposé entre les deux résistances.

Les deux résistances peuvent comprendre plusieurs résistances (Rip, Rjm, où i et j varient de 1 à n) disposées en série et séparées par des contacts (Tip, Tim, où i et j varient de 1 à n) susceptibles d'êtres connectés à un contact commutable sur lequel sont liées les deux sources de courant.

L'amplificateur opérationnel peut comprendre un premier étage d'entrée différentielle comprenant le dispositif de suppression de tension de décalage.

II peut comprendre au moins un autre étage de puissance ou au moins deux étages supplémentaires de pilotage et de puissance. L'invention porte aussi sur un procédé de stabilisation du fonctionnement d'un amplificateur opérationnel caractérisé en ce qu'il comprend la génération d'un premier courant Id dépendant négativement des variations de température (CTAT) et d'un second courant Ipt proportionnel à la température absolue (PTAT) de sorte que la somme de ces deux courants (Id + Ipt) est peu ou pas dépendante de la température, de sorte à permettre une suppression de la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel sensiblement indépendante de la température tout en obtenant un produit gain-bande constant indépendant de la température.

Le procédé de stabilisation du fonctionnement d'un amplificateur opérationnel peut comprendre la circulation d'un courant (Ipt/2) au niveau de deux transistors d'un étage différentiel de l'amplificateur opérationnel dont les grilles sont respectivement liées aux deux entrées de l'amplificateur opérationnel, et de circulation d'un courant de valeur (Ipt+Ipt)/2 au niveau de résistances respectivement comprises entre les sources des deux transistors et un contact intermédiaire lié à deux sources de courant mettant en oeuvre la génération des deux courants (Io, Ict).

Le procédé de stabilisation du fonctionnement d'un amplificateur opérationnel peut comprendre le déplacement de k contacts sur la gauche du contact intermédiaire commutable par rapport à une position centrale entre les résistances pour obtenir un effet équivalent à une réduction de la tension de décalage d'une valeur 2 *k Rp (Ict+Ipt) /2 ou de k contacts sur la droite du contact pour obtenir un effet équivalent à une réduction de la tension de décalage d'une valeur 2 *k R, (Ipt+Ipt) /2, Rp et R, représentant respectivement des résistances de gauche et de droite séparées par des contacts commutables.

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente schématiquement un amplificateur opérationnel selon un état de la technique. La figure 2 représente le circuit électrique d'un amplificateur opérationnel selon un état de la technique.

La figure 3 représente schématiquement un second amplificateur opérationnel selon un état de la technique. La figure 4 représente le circuit électrique d'un dispositif de suppression de la tension de décalage de ce second amplificateur opérationnel de l'état de la technique. La figure 5 représente l'évolution du produit gain-bande de ce second amplificateur opérationnel de l'état de la technique en fonction de la 10 température. La figure 6 représente schématiquement un amplificateur opérationnel selon un mode de réalisation de l'invention.

15 La figure 7 représente le circuit électrique du dispositif de suppression de la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 8 représente l'évolution de la tension de décalage de cet 20 amplificateur opérationnel en fonction de la position du contact commutable selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 9 représente l'évolution de la tension de décalage de cet amplificateur opérationnel en fonction de la température pour différentes 25 positions du contact commutable selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 10 représente l'évolution du produit gain-bande de cet amplificateur opérationnel en fonction de la température.

30 Dans la solution de l'état de la technique représentée par la figure 4, la transconductance gm de l'étage différentiel est égale à K lb / T, où K est une constante et T est la température. Comme le courant lb a été choisi avec une faible dépendance envers la température, la transconductance devient ainsi variable de manière proportionnelle avec l'inverse de la température. Cette dépendance affecte fortement le produit gain-bande de l'amplificateur opérationnel, qui devient de même variable de manière proportionnelle avec l'inverse de la température. Cette analyse explique le comportement remarqué sur la figure 5. Un mode de réalisation d'un amplificateur opérationnel 21 est présenté sur les figures 6 et 7. Cet amplificateur opérationnel 21 est obtenu par la technique de type CMOS et comprend deux entrées 22, 23 sur lesquelles sont appliquées des tensions Vp, V, et une sortie 24 au potentiel Vout amplifié. L'exemple est toujours basé sur une architecture à trois étages comprenant un étage d'entrée différentielle 26, un étage de pilotage 27 et un étage de puissance 28. L'étage d'entrée différentielle 26 intègre un dispositif de suppression 29 de la tension de décalage, permettant la mise à zéro de la tension de décalage Voffset- La figure 7 représente ainsi plus en détail le circuit électrique du dispositif de suppression 29 de la tension de décalage selon le mode de réalisation. Il repose sur une séparation du courant lb traversant les deux transistors Ml, M2, de l'étage différentiel, dont les grilles sont respectivement liées aux deux entrées 22, 23 de l'amplificateur opérationnel. Il comprend en effet deux sources de courant 30, 31 au lieu d'une seule dans la solution de l'état de la technique représentée par la figure 4. La première source de courant 30 dépend négativement des variations de température, est du type connu sous la dénomination simplifiée de CTAT (pour la dénomination anglo- saxonne de « Complementary To Absolute Temperature ») et délivre un courant Id, et la seconde source de courant 31 délivre un courant Ipt 2 9 863 90 10 proportionnel à la température absolue, de type PTAT (pour la dénomination anglo-saxonne de « Proportional To Absolute Temperature »). La somme de ces deux courants Id et Ipt est ainsi de type ZTAT, donc indépendante de la température, voire peu dépendante de la température. Ainsi, l'association en 5 parallèle des deux sources de courant 30, 31 forme une source de courant résultante de type ZTAT. Ces deux sources de courant 30, 31 sont disposées sur deux branches parallèles à partir d'un contact 25 les reliant à des résistances R1, R2 qui vont être détaillées ci-après.

10 Outre cette génération de courants Id, Ipt de deux natures différentes, ce circuit comprend de plus n premières résistances Rp (Rip à Rip) équivalentes et n résistances R, (Ri, à Rnm) en série disposées entre les sources des deux transistors M1, M2 respectivement liés à la première entrée 22 et à la seconde entrée 23 de l'amplificateur opérationnel. Ces résistances sont 15 séparées par différents contacts intermédiaires Tip à Tnp, Tim à Tnm sur lesquels un contact 25 avec les deux sources de courant 30, 31 est possible. Ainsi, les différents contacts Tip et Ti, peuvent être reliés aux sources de courant 30, 31 par l'intermédiaire de ce contact 25 commutable, dont la position permet de définir finalement les résistances globales 20 résultantes R1, R2 disposées de part et d'autre de ce contact 25. Le circuit précédent permet de modifier une tension de décalage de manière similaire à la solution décrite précédemment en référence avec la figure 4. Ainsi, la figure 8 illustre à titre d'exemple l'évolution de la tension de 25 décalage en fonction de la position du contact commutable 25 et la figure 9 représente l'évolution de la tension de décalage en fonction de la température pour plusieurs positions du contact commutable 25. Il apparaît bien que ce positionnement permet de modifier cette tension de décalage et qu'il existe un positionnement permettant de la minimiser. De plus, il apparaît aussi que cette tension de décalage ne dépend pas de la température. Avec la configuration représentée sur la figure 7, le courant traversant chaque chaine de résistances Rp et R, est égal à (Ipt-FIct) /2. D'autre part, le courant qui circule au niveau des transistors M1, M2 formant la fonction d'étage différentiel est égal à Ipt/2. Ce courant est notamment obtenu par l'intermédiaire de deux sources de courant 32, 33, supplémentaires, soit une troisième et une quatrième source de courant, respectivement connectées aux sources des transistors M1, M2 et reliées aux extrémités des résistances R1, R2, dans lesquelles le courant Ict/2, de type CTAT, est imposé. Le courant Ipt qui traverse les transistors M1, M2 étant proportionnel à la température, la transconductance de cet étage différentiel devient indépendante de la température, constante malgré la variation de température. Il en résulte que le produit gain-bande de l'amplificateur opérationnel devient de même indépendant de la température. Ainsi, l'amplificateur opérationnel selon le mode de réalisation présente l'avantage de cumuler une suppression de la tension de décalage pour toute température, et un produit gain-bande important et constant pour toute température. La figure 10 représente ainsi la courbe 35 d'évolution du produit gain-bande en fonction de la température. Il apparaît que ce gain peut être considérer comme constant, puisque restreint dans une plage de variation d'amplitude de 1% environ. Naturellement, le mode de réalisation représenté à titre d'exemple peut présenter des variantes. Par exemple, les transistors M1, M2, peuvent être 30 de type PMOS ou NMOS, ou une combinaison des deux types. La résistance commutable présente l'avantage de permettre un réglage, un ajustement de la solution. En variante, les deux résistances R1, R2 pourraient être prédéfinies une fois pour toutes, non modifiables. Leurs différentes résistances Rip, Ri, peuvent être identiques ou différentes, et il peut y avoir tout nombre de résistances. De plus, la somme des deux sources de courant 30, 31 est de type ZTAT, indépendante de la température ; en variante, cette association de plusieurs sources de courant peut être de différents types, à partir du moment où elle est peu dépendante de la température, c'est-à-dire varie dans une plage restreinte. Ensuite, le dispositif de suppression de la tension de décalage décrit précédemment peut être implémenté sur tout amplificateur opérationnel.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS: 1. Amplificateur opérationnel comprenant un étage différentiel comprenant au moins deux transistors (M1, M2) dont les grilles sont respectivement reliées aux deux entrées (22, 23) de l'amplificateur opérationnel, et comprenant un dispositif de suppression (29) de la tension de décalage, caractérisé en ce que les sources des au moins deux transistors (M1, M2) sont reliées à une première source de courant (30) dont le courant Id délivré dépend négativement des variations de température (CTAT) et à une seconde source de courant (31) dont le courant délivré Ipt est proportionnel à la température absolue (PTAT), de sorte que la somme de ces deux courants (Id + Ipt) est peu ou pas dépendante de la température, en ce que cette liaison des sources des au moins deux transistors (M1, M2) avec les deux sources de courant (30, 31) est réalisée respectivement par l'intermédiaire de deux résistances (R1, R2), et en ce que le courant qui traverse les deux transistors (M1, M2) est imposé de type proportionnel avec la température (PTAT), afin de permettre une suppression de la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel sensiblement indépendante de la température tout en obtenant un produit gain-bande constant indépendant de la température.
2. 2. Amplificateur opérationnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend deux sources de courant (32, 33) supplémentaires de type variant négativement avec la température (CTAT) respectivement connectées aux sources des deux transistors (M1, M2) et dont le courant est imposé à une valeur égale à la moitié du courant de la première source de courant (30).
3. 3. Amplificateur opérationnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une première résistance (R1) disposée entre la source du premier transistor (M1) et un contact (25) avec les deuxpremière et seconde sources de courant (30, 31) et une seconde résistance (R2) disposée entre la source du second transistor (M2) et le contact (25) vers les deux première et seconde sources de courant (30, 31).
4. 4. Amplificateur opérationnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux première et seconde sources de courant (30, 31) sont disposées sur respectivement deux branches parallèles à partir du contact (25) disposé entre les deux résistances (R1, R2).
5. 5. Amplificateur opérationnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux résistances (R1, R2) comprennent plusieurs résistances (Rip, Rjm, où i et j varient de 1 à n) disposées en série et séparées par des contacts (-4, Tim, où i et j varient de 1 à n) susceptibles d'êtres connectés à un contact (25) commutable sur lequel sont liées les deux sources de courant (30, 31).
6. 6. Amplificateur opérationnel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage d'entrée différentielle (26) comprenant le dispositif de suppression (29) de tension de décalage.
7. 7. Amplificateur opérationnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un autre étage (28) de puissance ou au moins deux étages supplémentaires de pilotage (27) et de puissance (28).
8. 8. Procédé de stabilisation du fonctionnement d'un amplificateur opérationnel caractérisé en ce qu'il comprend la génération d'un premier courant Ict dépendant négativement des variations de température (CTAT) et d'un second courant Ipt proportionnel à la température absolue (PTAT) de 2 9863 90 15 sorte que la somme de ces deux courants (Id + Ipt) est peu ou pas dépendante de la température, de sorte à permettre une suppression de la tension de décalage de l'amplificateur opérationnel sensiblement indépendante de la température tout en obtenant un produit gain-bande 5 constant indépendant de la température.
9. 9. Procédé de stabilisation du fonctionnement d'un amplificateur opérationnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend la circulation d'un courant (Ipt/2) au niveau de deux transistors 10 (M1, M2) d'un étage différentiel de l'amplificateur opérationnel dont les grilles sont respectivement liées aux deux entrées (22, 23) de l'amplificateur opérationnel, et de circulation d'un courant de valeur (Ipt+Ict)/2 au niveau de résistances (R1, R2) respectivement comprises entre les sources des deux transistors (M1, M2) et un contact (25) intermédiaire lié à deux sources de 15 courant (30, 31) mettant en oeuvre la génération des deux courants (Ipt, Ict).
10. 10. Procédé de stabilisation du fonctionnement d'un amplificateur opérationnel selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend le déplacement de k contacts sur la gauche du contact (25) 20 intermédiaire commutable par rapport à une position centrale entre les résistances (R1, R2) pour obtenir un effet équivalent à une réduction de la tension de décalage d'une valeur 2 *k Rp (Ict+Ipt) /2 ou de k contacts sur la droite du contact (25) pour obtenir un effet équivalent à une réduction de la tension de décalage d'une valeur 2 *k Rm (Id+10) /2, Rp et Rm représentant 25 respectivement des résistances de gauche et de droite séparées par des contacts commutables. 30