Miroir de courant à tension de sortie élevée

Abstract

 Un miroir de courant comporte une première branche traversée par un courant à recopier (IE) et comporte le trajet de courant principal d'un transistor (T₁), ainsi qu'une deuxième branche traversée par un courant de sortie (Is) reco­piant le courant d'entrée, et comportant le trajet de courant principal d'un transistor (T₂).
De manière à obtenir une tension de sortie maximale élevée, le trajet de courant principal d'un transistor (T₃) est disposé dans la deuxième branche en série avec celui du transistor (T₂).
Les bases des transistors (T₁ et T₂) sont intercon­nectées. Un courant d'intensité I_B est injecté dans la base du transistor T₃ et éventuellement dans la première branche. Le courant I_B est avantageusement obtenu par division d'un courant d'intensité 2I_B obtenu à partir du courant de base I_B des transistors T₁ et T₂.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un miroir de courant comportant une première branche pour recevoir un courant à recopier, ladite première branche comportant le tra­jet de courant principal d'un premier transistor d'un premier type, ainsi qu'une deuxième branche pour délivrer un courant de sortie recopiant le courant d'entrée, ladite deuxième bran­che comportant le trajet de courant principal d'un deuxième transistor, du premier type, les bases du premier et du deuxième transistor étant interconnectées, un troisième tran­sistor du premier type ayant sa base et son émetteur connectés respectivement au collecteur et à la base du premier transis­tor.

[0002] Un miroir de courant du type précité est connu en tant que miroir de courant du type WIDLAR, dans lequel le col­lecteur du troisième transistor est connecté à une source de tension d'alimentation.

[0003] Dans ce type de montage, la valeur de la tension de sortie est limitée à environ B_VCEO, valeur au delà de la­quelle le deuxième transistor fonctionne en régime d'avalan­che.

[0004] L'invention a pour objet un miroir de courant dans lequel la tension de sortie peut atteindre des valeurs nette­ment plus élevées.

[0005] Dans ce but, il est caractérisé en ce que la deuxième branche comporte, en série avec le trajet de courant principal du deuxième transistor, le trajet de courant princi­pal d'un quatrième transistor, et en ce qu'il comporte un mi­roir de courant auxiliaire pour injecter dans la base du qua­trième transistor un premier courant d'injection dont la va­leur est égale à la moitié du courant circulant dans le col­lecteur du troisième transistor.

[0006] Le miroir de courant auxiliaire peut, selon un mode de réalisation préféré, comporter un cinquième transistor mul­ti-collecteurs d'un deuxième type opposé au premier, présen­tant un premier collecteur pour délivrer ledit premier cou­rant d'injection et un deuxième collecteur, par exemple cons­titué par deux portions de collecteur interconnectées et de même surface que le premier collecteur, ledit deuxième collec­teur étant connecté à la base du cinquième transistor et au collecteur du troisième transistor.

[0007] Selon un premier mode de réalisation, le miroir de courant délivre un deuxième courant d'injection de même inten­sité que le premier et s'ajoutant dans la première branche au­dit courant d'entrée. Le deuxième courant d'injection peut être délivré par un troisième collecteur du cinquième transis­tor.

[0008] Selon un deuxième mode de réalisation préféré per­mettant d'atténuer l'incidence de l'effet Early du deuxième transistor, la première branche comporte, entre l'émetteur du premier transistor et le pôle de mode commun, le trajet de courant principal d'un sixième transistor du premier type dont le collecteur est connecté à l'émetteur du premier transistor et l'émetteur, au pôle de mode commun, et la branche de sortie comporte une diode en direct dont une électrode est connectée au pôle de mode commun. La diode peut être par exemple un septième transistor du premier type monté en diode dont la ba­se et le collecteur sont court-circuités et connectés à la ba­se du sixième transistor et à l'émetteur du deuxième transis­tor, l'émetteur du septième transistor étant connecté au pôle de mode commun.

[0009] Le miroir de courant auxiliaire peut avantageuse­ment délivrer, par exemple grâce à un quatrième collecteur du cinquième transistor, un troisième courant d'injection de même intensité que le premier et s'ajoutant dans la deuxième bran­che au courant délivré par le trajet de courant principal du quatrième transistor.

[0010] Selon un troisième mode de réalisation permettant d'atteindre des tensions plus élevées que dans les deux cas précédents, la deuxième branche comporte, entre le collecteur du quatrième transistor et le point où le courant de sortie est délivré, le trajet de courant principal d'un huitième transistor du premier type, le miroir de courant auxiliaire étant agencé pour injecter dans la base du huitième transistor un quatrième courant d'injection de même intensité que le pre­mier, par exemple grâce à un cinquième collecteur du cinquième transistor. Le cinquième transistor peut également présenter un sixième collecteur délivrant un cinquième courant d'injec­tion de même intensité que le courant de collecteur du troi­sième transistor et s'ajoutant dans la première branche audit courant d'entrée.

[0011] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limita­tif, en liaison avec les figures qui représentent :

- la figure 1a un miroir de courant connu du type WIDLAR

- la figure 1b un miroir de courant connu du type WILSON

- la figure 2 un miroir de courant selon un premier mode de réalisation de l'invention

- la figure 3 un miroir de courant selon un mode de réalisa­tion préféré de l'invention, limitant l'influence de l'effet Early

- et la figure 4 un troisième mode de réalisation de l'inven­tion présentant une tension de sortie particulièrement élevée.

[0012] Selon la figure 1a, un miroir de courant du type WIDLAR présente une branche d'entrée recevant un courant d'en­trée I_E et comportant le trajet de courant principal d'un transistor T₁ et une branche de sortie traversée par un cou­rant de sortie Is et comportant le trajet de courant principal d'un transistor T₂. Les bases des transistors T₁ et T₂ sont interconnectées. Un transistor T₃ a sa base connectée au point d'amenée du courant I_E et son trajet de courant principal s'étend entre une source de tension d'alimentation U et les bases des transistors T₁ et T₂. Les transistors T₁ T₂ et T₃ sont ici du type npn, les émetteurs de T₁ et T₂ étant connec­tés au pôle de mode commun, et celui de T₃ aux bases de T₁ et T₂. Le courant de base du transistor T₃ pouvant être considéré comme négligeable, le courant de sortie Is est égal au courant d'entrée I_E.

[0013] Selon la figure 1b, un miroir de courant de type WILSON présente une branche d'entrée recevant un courant d'en­trée I_E et comportant le trajet de courant principal d'un transistor T′₁, et une branche de sortie traversée par un cou­rant de sortie I_s et comportant le trajet de courant princi­pal d'un transistor T′₂.

[0014] La première branche comporte en outre, en série avec le trajet de courant principal du transistor T′₁, et en direct, une diode D₁, représentée ici sous la forme d'un tran­sistor npn dont la base et le collecteur sont court-circuités et connectés à la base du transistor T′₂, et dont l'émetteur est connecté au collecteur du transistor T′₁ dont l'émetteur est connecté au pôle de mode commun.

[0015] La deuxième branche comporte en outre, en série avec le trajet de courant principal du transistor T′₂, et en direct, une diode D₂, représentée ici sous la forme d'un tran­sistor npn dont la base et le collecteur sont court-circuités et connectés à la base du transistor T′₁ et à l'émetteur du transistor T′₂, et dont l'émetteur est connecté au pôle de mo­de commun.

[0016] Soient I_B1 et I_B2 les courants de base respec­tivement des transistors T′₁ et T′₂.

[0017] Le courant arrivant au collecteur de T′₁ a pour va­leur I_E-I_b2 et donc le courant circulant dans l'émetteur de T′₁ a pour valeur I_E-I_B2+I_B1. Ce dernier courant, du fait de l'interconnection entre la base du transistor T′₁ et l'anode de la diode D₂, est le même que celui qui traverse la diode D₂ si on suppose que cette diode est réalisée à partir d'un transistor de mêmes dimensions que le transistor T₁′.

[0018] Le courant qui traverse l'émetteur du transistor T′₂ a donc pour valeur I_E-I_B2 + 2 I_B1 d'où :
    I_s = I_E + 2(I_B1 - I_B2) ≃ I_E
Par contre, la tension de sortie maximale qui peut être obte­nue au collecteur du transistor T₂ (fig. 1a) ou T′₂ (fig. 1b) est limitée par la structure de la branche de sortie à une va­ leur de l'ordre de B_VCEO + V_BE, car lorsque la tension collecteur-émetteur de T₂ atteint la valeur B_VCEO, tension d'avalanche collecteur-émetteur, le fonctionnement n'est plus linéaire, et Is ne recopie plus I_E que de manière approxima­tive.

[0019] Or, il est souhaité dans certaines applications que la précision de recopie soit de l'ordre de quelques %, ce qui implique de reconsidérer le montage.

[0020] L'idée de base de l'invention consiste à associer en série dans la branche de sortie les deux trajets de courant principal de deux transistors, de manière à permettre d'obte­nir en sortie une tension bien supérieure, par exemple de l'ordre de 2 BVCEO, tout en conservant la précision de recopie du courant d'entrée I_E.

[0021] Selon la figure 2, la branche d'entrée recevant le courant d'entrée I_E comporte le trajet de courant principal d'un transistor T₁ dont l'émetteur est connecté au pôle de mo­de commun.

[0022] La branche de sortie, délivrant le courant Is com­porte en série les trajets de courant principal de transistors T₂ et T₄, l'émetteur de T₄ étant connecté au collecteur de T₂ et l'émetteur de T₂, au pôle de mode commun. De plus, les ba­ses des transistors T₁ et T₂ sont connectées entre elles, ce qui fait que ces deux transistors présentent le même courant d'émetteur.

[0023] L'égalité des courants dans les deux branches est obtenue en injectant des courants de même intensité I_B dans la base du transistor T₄ ainsi que dans la première branche, ce dernier courant venant s'ajouter au courant d'entrée I_E.

[0024] Selon l'exemple de réalisation de la figure 2, ces courants sont produits par un transistor multi-collecteurs T₅ présentant quatre sorties de collecteur. Deux de ces sorties sont utilisées l'une pour injecter un courant d'intensité I_B dans la branche d'entrée, de manière que celui-ci vienne s'ad­ditionner au courant d'entrée I_E (ce qui permet de réaliser une compensation exacte) et l'autre pour injecter un courant d'intensité I_B dans la base du transistor T₄. Les deux au­ tres sorties sont connectées entre elles et avec la base du transistor T₅, et le courant d'intensité 2 I_B qui y circule est divisé par deux à chacun des collecteurs précités, le transistor T₅ constituant un miroir de courant auxiliaire. Ce courant 2I_B est le courant de collecteur d'un transistor T₃ dont l'émetteur est connecté à la base des transistors T₁ et T₂, et la base au collecteur du transistor T₁. L'émetteur du transistor T₅ reçoit une tension d'alimentation U.

[0025] Comme les transistors T₁ et T₂ ont pratiquement le même courant de collecteur, le fait que leur courant de base I_B soit le même a pour conséquence qu'ils ont pratiquement la même tension collecteur-émetteur.

[0026] Soit Vs la tension de sortie prise sur le collec­teur du transistor T₄ (point S). La tension V_A au point A (collecteur de T₂) vaut alors pratiquement ½ Vs.

[0027] Ce partage de la tension de sortie entre les deux transistors T₂ et T₃ permet approximativement de doubler la tension de sortie maximale par rapport à un miroir simple. On peut distinguer deux zones de fonctionnement.

1) Vs < 2 U - 2 V_BE, V_BE désignant une tension base-émet­teur d'un transistor (environ 0,7V). On choisit U <B_VCEO
On a V_A =

< U - V_BE
soit V_A < B_VCEO

[0028] Dans cette zone, à la fois T₂ et T₄ travaillent dans leur zone linéaire. On notera que, V_A variant, il exis­te une certaine sensibilité à l'effet Early du transistor T₂.

2) 2 U - 2 V_BE < Vs < U + B_VCBO

[0029] Le transistor T₅ se sature et V_A se fixe à U < V_BE.

[0030] Un courant I_B peut remonter la jonction collecteur-base du transistor T₄ qui commence alors à travailler dans la zone BV_CB. On a alors :
    I_S = I_E+|I_B|
Ce courant I_B croît à mesure que V_S croît. La valeur limite de Vs est U + BV_CBO ou le BV_CS du transistor T₄.

Exemple :

[0031] BV_CEO = 27V BV_CBO = 67 V BV_CS = 80V
I_E = 100µA
U = 25 V; des résistances de 1kΩ sont disposées dans les émetteurs de T₁ et T₂.

[0032] Selon la figure 3, les transistors T₁...T₅ sont ar­rangés de la même façon que dans la figure 2, à l'exception de la suppression du collecteur du transistor T₅ injectant un courant dans la branche d'entrée.

[0033] La branche d'entrée comporte, entre l'émetteur du transistor T₁ et le pôle de mode commun, le trajet de courant principal d'un transistor T₆ dont le collecteur est connecté à l'émetteur du transistor T₁, et l'émetteur, au pôle de mode commun.

[0034] La branche de sortie comporte un transistor T₇ mon­té en diode, sa base et sont collecteur étant court-circuités et connectés à la base du transistor T₆ et à l'émetteur du transistor T₂. L'émetteur des transistor T₇ est connecté au pôle du mode commun.
soit : Is = I_E + I_B (égalité des courants dans les tran­sistors T₆ et T₇) avec Vs≧ 2 V_BE ≈1,5V.

[0035] Par contre, la sensibilité à l'effet Early est moins importante

Exemple :

[0036]     Avec U = 25V, I_E = 100µA
    BV_CEO, BV_CBO, B_VCS : mêmes valeurs quue précédemment.

[0037] La précision est excellente de 1,5V à 50V et se dé­grade rapidement ensuite.

[0038] Selon la figure 4, la branche de sortie présente en série à partir du point S qui délivre le courant de sortie Is les trajets de courant principal de transistors successivement T₈, T₄ et T₂. Pour la clarté du dessin, le transistor T₅ est représenté comme deux transistors T₅₁ et T₅₂ aux bases inter­connectées et dont les émetteurs sont connectés à la source de tension d'alimentation U. Le transistor T₅₁ présente deux col­lecteurs connectés à la base respectivement des transistors T₈ et T₄. Le transistor T₅₂ présente quatre collecteurs de même surface interconnectés deux par deux (ou deux collecteurs de surface double de ceux du transistor T₅₁). Deux de ces collec­ teurs interconnectés sont connectés au point de la branche d'entrée recevant le courant I_E de manière à ce que leur courants'ajoute à celui-ci. Les deux autres collecteurs in­terconnectés sont connectés à la base du transistor T₅₂ et au collecteur du transistor T₃, éventuellement à travers une dio­de Zener en inverse dont la tension de Zener est préférable­ment supérieure à U-BV_CEO(T₃), de manière à limiter les risques de claquage. Dans la base des transistors T₁ et T₂, circule un courant I_B, et donc, en négligeant le courant de base du transistor T₃, un courant 2I_B dans le collecteur de ce dernier. Les transistors T₅₁ et T₅₂, formant un miroir de courant analogue à celui du transistor T₅, délivre un courant 2I_B à la branche d'entrée, et un courant I_B à la base de chacun des transistors T₈ et T₄. Un courant I_E + 3I_B circule dans les émetteurs de T₁ et T₂, un courant I_B + 2I_B dans l'émetteur de T₄, un courant I_E + I_B dans l'émetteur de T₈, et Is recopie donc le courant d'entrée I_E.

[0039] En choisissant U = 2BV_CEO, V_s peut atteindre approximativement 3 BV_CEO, à savoir environ 80V en reprenant les valeurs des exemples précédents.

Revendications

1. Miroir de courant comportant une première branche pour recevoir un courant d'entrée à recopier, ladite première branche comportant le trajet de courant principal d'un premier transistor d'un premier type de conduction, ainsi qu'une deuxième branche pour délivrer un courant de sortie recopiant le courant d'entrée, ladite deuxième branche comportant le trajet de courant principal d'un deuxième transistor du premier type, les bases du premier et deuxième transistors étant interconnectées, un troisième transistor du premier type ayant sa base et son émetteur connectés respectivement au col­lecteur et à la base du premier transistor caractérisé en ce que la deuxième branche comporte, en série avec le trajet de courant principal du deuxième transistor (T₂), le trajet de courant principal d'un quatrième transistor (T₄), du premier type, et en ce qu'il comporte un miroir de courant auxiliaire pour injecter dans la base du quatrième transistor (T₄) un premier courant d'injection dont la valeur est égale à la moi­tié du courant circulant dans le collecteur du troisième transistor (T₃).

2. Miroir de courant selon la revendication 1 caracté­risé en ce que le miroir de courant auxiliaire comporte un cinquième transistor (T₅) d'un deuxième type opposé au pre­mier, présentant un premier collecteur pour délivrer ledit premier courant d'injection et un deuxième collecteur connecté à la base du cinquième transistor (T₅) et au collecteur du troisième transistor (T₃).

3. Miroir de courant selon la revendication 2 caracté­risé en ce que le deuxième collecteur est constitué de deux portions de collecteurs interconnectées et de même surface que le premier collecteur.

4. Miroir de courant selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le miroir de courant est agencé pour délivrer un deuxième courant d'injection de même intensité que le premier et s'ajoutant dans la première branche audit cou­rant d'entrée (I_E).

5. Miroir de courant selon la revendication 4 en com­binaison avec une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le cinquième transistor (T₅) présente un troisième collec­teur pour délivrer le deuxième courant d'injection.

6. Miroir de courant selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la première branche comporte, entre l'émetteur du premier transistor (T₁) et le pôle de mode com­mun, le trajet de courant principal d'un sixième transistor (T₆) du premier type dont le collecteur est connecté à l'émet­teur du premier transistor (T₁), et l'émetteur, au pôle de mo­de commun, en ce que la deuxième branche de sortie comporte une diode en direct dont une électrode est connectée au pôle de mode commun et l'autre électrode à l'émetteur du deuxième transistor (T₂) et à la base du sixième transistor (T₆).

7. Miroir de courant selon la revendication 6 caracté­risé en ce que ladite diode est un septième transistor (T₇) du premier type dont la base et le collecteur sont court-circui­tés et connectés à la base du sixième transistor (T₆) et à l'émetteur du deuxième transistor (T₂), l'émetteur du septième transistor (T₇) étant connecté au pôle de mode commun.

8. Miroir de courant selon la revendication 6 ou 7 ca­ractérisé en ce que le miroir de courant auxiliaire est agencé pour délivrer un troisième courant d'injection de même inten­sité que le premier et s'ajoutant dans la deuxième branche au courant délivré par le trajet de courant principal du quatriè­me transistor (T₄).

9. Miroir de courant selon la revendication 8 en com­binaison avec une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le cinquième transistor présente un quatrième collecteur pour délivrer le troisième courant d'injection.

10. Miroir de courant selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la deuxième branche comporte, entre le collecteur du quatrième transistor (T₄) et le point (S) for­mant sortie pour délivrer le courant de sortie (Is), le trajet de courant principal d'un huitième transistor (T₈) du premier type, et en ce que le miroir de courant auxiliaire est agencé pour injecter dans la base du huitième transistor un quatrième courant d'injection de même intensité que le premier.

11. Miroir de courant selon la revendication 10 carac­térisé en ce que le miroir de courant est agencé pour délivrer un cinquième courant d'injection de même intensité que le cou­rant de collecteur du troisième transistor (T₃) et s'ajoutant dans la première branche audit courant d'entrée (I_E).

12. Miroir de courant selon la revendication 10 en com­binaison avec une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le cinquième transistor présente un cinquième collecteur pour délivrer le quatrième courant d'injection.

13. Miroir de courant selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le cinquième transistor (T₅) présente un sixième collecteur pour délivrer le cinquième courant d'injection.

14. Miroir de courant selon la revendication 13 carac­térisé en ce que le sixième collecteur comporte deux portions de collecteur interconnectées et de même surface que le cin­quième collecteur.

15. Miroir de courant selon une des revendications 10 à 14 caractérisé en ce qu'il comporte une diode Zener (Z) en inverse disposée dans le collecteur du troisième transistor (T₃), ladite diode Zener (Z) ayant une tension Zener au moins égale à la tension d'alimentation U diminuée de la tension d'avalanche BV_CEO d'un transistor.

Dessins