Source de courant adaptée à des variations rapides de tension de sortie

Abstract

 L'invention concerne une source de courant délivrant un courant constant malgré les variations brutales de tension pouvant être appliquées sur sa sortie.
Cette source de courant comporte deux branches en parallèle, l'une génératrice (Q5, R5), l'autre de référence (Q6, R6). Le courant de sortie (I_S) est maintenu constant en maintenant constante la différence de potentiel aux bornes de la résistances (R5) de la branche génératrice, au moyen d'un amplificateur différentiel. Tous les transistors sont de type NPN.
Application à l'alimentation de circuits analogiques rapides.

Description

[0001] La présente invention concerne une source de courant qui supporte des variations rapides de tension sur sa sortie sans les repercuter sur le courant débité. Cette source doit cette caractéristique en partie à sa structure et en partie à sa réalisation en transistors de type NPN.

[0002] Une source de courant est par définition un circuit qui doit fournir un courant stable à un autre circuit électronique. Mais en fait, au cours du fonctionnement, il arrive que ce second circuit, par des changements d'états, subisse des variations rapides en courant, qui se répercutent sur la sortie de la source de courant.

[0003] Si la source de courant a une basse impédance, elle peut fournir le courant nécessaire, mais en raison de la faible impédance il y a une réaction qui déstabilise le courant de sortie. Si au contraire la source de courant est à haute impédance, elle est plus stable mais ne peut pas répondre aux variations rapides.

[0004] Le schéma d'une source de courant selon l'art connu est donné en figure 1. Il est très simple et comprend un miroir de courant formé par les transistors Q1 et Q2 et par la source de courant Q3 : celle-ci est pilotée à partir d'une tension de référence qui s'établit aux bornes d'une résistance Rref, et contrôlée en température par l'étalon V_BG et par le transistor Q_ref Le transistor Q4 est monté en miroir avec le transistor Q3.

[0005] Si R3 = R4 et si les transistors Q3 et Q4 ont mêmes géométries, ils débitent les mêmes courants et en particulier Q3 débite un courant égal à I_ref. Si au contraire, le transistor Q1 a une géométrie "n" fois plus importante que celle de Q2, il débite "n" fois plus : par exemple si n = 5, le courant de sortie I_S est 6 fois plus important que le courant de référence I_ref (1I_ref à travers Q2+5I_ref à travers Q1).

[0006] Cette architecture a l'avantage d'être très simple, de ne nécessiter que peu de transistors et d'avoir une consommation faible. Elle est améliorée en ce sens que le miroir de courant Q1 + Q2, en transistors NPN, qui assure l'amplification permet de s'affranchir des variations de gain en courant en transistor Q3, qui est un PNP.

[0007] En effet, en technologie bipolaire rapide, les transistors PNP ont, de façon générale, plus de dispersion. du gain que les transistors NPN.

[0008] En outre, les transistors PNP tels que Q3 et Q4 ont des performances dynamiques très inférieures à celles des transistors NPN tels que Q1 et Q2, parce que les capacités parasites d'un PNP sont plus importantes que celles d'un NPN. Dans ces conditions, une variation rapide du courant de sortie I_S (ou de la tension V_S en sortie) n'est pas transmise instantanément sur la base du PNP Q3, à cause de sa capacité parasite collecteur base, et Q3 ne réagit pas assez vite pour corriger cette variation.

[0009] Enfin, la modulation du courant collecteur I_C en fonction de la tension collecteur-émetteur, connu sous l'appellation de tension "d" 'Early", est très faible pour un PNP, ce qui se traduit par une dépendance du courant de sortie I_S avec la tension de sortie V_S d'où une imprécision statique.

[0010] Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose :

• de réaliser une source de courant en utilisant exclusivement des transistors NPN
• de modifier l'architecture de cette source de courant, notamment en remplaçant le miroir de courant par un amplificateur différentiel, qui fonctionne de telle façon qu'il maintient une différence de potentiel constante aux bornes d'une résistance, ce qui assure un courant débité constant, quel que soit le potentiel sur la sortie La conséquence en est que la source de courant selon l'invention peut supporter des variations rapides de tension sur sa section : elle ne les repercute pas et continue de fournir un courant de sortie I_S stable.

[0011] De façon plus précise l'invention concerne une source de courant adaptée à des variations rapides de tension sur sa sortie, comportant une branche génératrice du courant de sortie formée par un premier transistor en série avec une première résistance cette source de courant étant caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens maintenant constante la différence de potentiel aux bornes de ladite résistance.

[0012] L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant, en liaison avec les figures jointes en annexe, qui représentent :

• figure 1 : schéma électrique d'une source de courant selon l'art connu, exposé précédemment ;
• figure 2 : schéma électrique d'lune source de courant selon l'invention ;
• figures 3 à 5 : courbes de comparaison, pour une variation imposée (figure 3), entre la réponse de la source selon l'art connu (figure 4) et la réponse de la .source selon l'invention (figure 5).

[0013] La figure 2 donne le schéma électrique de la source, de courant selon l'invention.

[0014] Alimentée entre une tension +V_CC positive et une tension - V_EE négative, la branche qui fournit un courant de référence I_ref est sensiblement la même que celle de la figure 1 : un transistor Q_ref et une résistance R_ref, asservis en température par une source de tension V_BG, contrôlent le courant qui traverse un transistor Q6, en série avec une résistance R6 située entre l'émetteur de Q6 et le collecteur de Q_ref.

[0015] La branche qui constitue la source de courant à proprement parler comprend un transistor Q5, connecté à l'alimentation + V_CC , en série avec une résistance R5, dont l'extrémité libre constitue la borne de sortie du circuit. Les bases des transistors Q5 et Q6 sont réunies entre elles, et polarisées à partir de V_CC par une résistance R8.

[0016] Le fondement de l'invention est de maintenir une différence de potentiel constante aux bornes de la résistance R5, ce qui assure un courant débité I_S constant quel quel soit le potentiel de sortie V_S. Ceci est obtenu au moyen d'un amplificateur différentiel, formé par les transistors Q7 et Q8 Le transistor Q7 a sa base réunie au point bas V_S, extrémité libre de la résistance R5 et son collecteur branché sur l'alimentation. Le transistor Q8 a sa base réunie au point bas V_B de la résistance R6, et son collecteur réuni au point V_H commun à la résistance R8 et aux bases des transistors Q5 et Q6.

[0017] Les émetteurs de l'amplificateur différentiel Q7 + Q8 sont branchés sur une source de polarisation, qui tire un courant I_pol vers l'alimentation -V_EE.

[0018] On peut observer la symétrie du schéma, mise à part la référence Q_ref + R_ref, ainsi que l'alimentation de Q7 à partir de V_CC et celle de Q8 à partir de V_H. Mais la tension au point V_H correspond, à une jonction émetteur/base de Q5 près, à la tension à une première extrémité "haute" de R5, et la tension au point V_B correspond, à travers l'amplificateur différentiel, à la tension à une deuxième extrémité "basse" de R5, qui est en outre la tension de sortie V_S.

[0019] Ce schéma pourrait fonctionner, avec adaptation, avec des transistors de type PNP, mais, pour atteindre l'objectif qui est que le courant I_S reste constant si la tension V_S fluctue, il est impératif de le réaliser exclusivement avec des transistors NPN, qui ont moins de capacité parasite de base.

[0020] En fonctionnement, la source de courant de référence Q_ref + R_ref assure une différence de potentiel constante V_H - V_B aux bornes de la résistance R6 (à une jonction près), et, à l'équilibre, la tension au point V_B est asservie à la tension de sortie au point V_S, ou tension au point "bas" de R5.

[0021] Mais simultanément, la tension au point "haut' V_H de R5 (à une jonction près) est asservie au potentiel de sortie V_S, à travers l'amplificateur différentiel rebouclé en gain unité. Ainsi, si la tension de sortie V_S fluctue, par suite du fonctionnement, la tension en V_H l'accompagne dans sa fluctuation, et comme la différence V_H - V_B est constante, la différence V_H - V_S est également constante, et le courant de sortie I_S est constant.

[0022] L'amplification en courant est obtenue par la géométrie des composants symétriques Q5 + R5 et Q6 + R6. Si le courant I_S doit être égal à "n" fois le courant I_ref les dimensions géométriques du transistor Q5 sont égales à "n" fois celles du transistor Q6, et la valeur de la résistance R5 est égale à "1/n" fois celle de la résistance R6. Ainsi, à titre purement explicatif, pour débiter 3 mA avec un courant de référence de 500 A, comme dans l'exemple de la figure 1, il faut que Q5 ait une géométrie égale à 6 fois celle de Q6, et que R5 = R6/6.

[0023] L'utilisation exclusive de transistors NPN qui ont moins de capacité parasite de base, entraîne deux types d'avantages :

• en dynamique, on s'affranchit des effets capacitifs de la base de Q7 sur la sortie V_S. Seul subsiste un effet capacitif sur le transistor Q_ref, mais il n'intervient pas sur la sortie et il peut être réduit en diminuant la géométrie de Q_ref ;
• en statique, la variation de I_S en fonction de V_S depend de l'effet early du transistor Q_ref, qui est réduite parce qu'un transistor NPN a une tension d'early plus grande qu'un PNP, ainsi que de l'offset de l'amplificateur utilisé.

[0024] Les courbes des figures 3 à 5 illustrent l'intérêt des transistors NPN, et du circuit selon l'invention, par rapport à l'art connu.

[0025] La courbe de la figure 3 représente la forme de tension qu'on force sur la sortie V_S : elle varie de 2 V en 1 ns, soit une variation de 2000 V/ µS, mieux connue sous le nom de "slew-rate" On observe comment réagit la source de courant dans les deux cas de variation, front montant et front descendant.

[0026] Dans le cas de l'art connu, en figure 4, la quasi-droite 1 donne la réaction du courant de référence I_ref, amplifié pour être amené au niveau du courant de sortie I_S. Le courant I_ref est très constant, mais le courant de sortie en courbe 2 subit deux rebonds, mieux connus sous le nom d"overshoot", l'un au front montant, l'autre au front descendant. Pour une impulsion à 2000 V/ µS, l'overshoot atteint 115 %, et il faut 4,8 ns pour que le circuit revienne à l'équilibre + 5 %.

[0027] Les courbes 3 et 4 de la figure 5 donnent les correspondants des courbes précédentes, mais pour la source de courant selon l'invention. Pour une même impulsion de 2 V, avec un slew-rate de 2000 V/ µS, on voit que le courant de référence (courbe 3) subit une très légère perturbation, mais le courant de sortie (courbe 4) est de beaucoup moins perturbé que dans l'art connu. L'overshoot est limité à 9 % et la perturbation ne dure que 1,5 ns.

[0028] Cette très sensible amélioration est due à l'emploi exclusif dans la source de courant selon l'invention de transistors de type NPN, qui ont moins de capacités parasites. Une source de courant peut être modèlisée, sous la forme d'un générateur de courant (I_d), en parallèle avec une résistance (R_S) et avec une capacité (C_d). Pour un même courant généré I_d = 3 mA, la source de courant de la figure 1 (art connu) a une résistance R_S = 10 k ohm et une capacité parasite C_d = 2,3pF, tandis que la source de courant selon l'invention a :




ce qui revient à diviser par 15, 3 la capacité de la source, et donc à améliorer son temps de réponse, permettant ainsi que le courant débité soit indépendant des variations de la tension de sortie.

Revendications

1. Source de courant adaptée à des variations rapides de tension (V_S) sur sa sortie, comportant une branche génératrice du courant de sortie (I_S) formée par un premier transistor (Q5) en série avec une première résistance (R5), cette source de courant étant caractérisé en ce qu'elle comporte des moyens maintenant constante la différence de potentiel aux bornes de ladite résistance (R5).

2. Source de courant selon la revendication 1, comportant en outre une branche de référence formée par une source de tension de référence (Q_ref + R_ref + V_BG) en série avec une seconde résistance (R6) et avec un second transistor (Q6), les bases des premier et second transistors (Q5, Q6) étant réunies et polarisées à travers une résistance (R8) réunie à une alimentation (+V_CC), cette source de courant étant caractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués par un troisième et un quatrième transistor (Q7, Q8) montés en amplificateur différentiel, le troisième transistor (Q7) ayant son collecteur branché sur l'alimentation positive (+V_CC) et sa base branchée sur la sortie (V_S), tandis que le quatrième transistor (Q8) a son collecteur branché au point commun "haut" (V_H) aux bases des premier et second transistors (Q5, Q6) et a sa base branchée au point commun "bas" (V_B) entre la deuxième résistance (R6) et ladite source de tension de référence.

3. Source de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transistors sont de type NPN.

4. Source de courant selon la revendication 2, caractérisée en ce que les variations de la tension de sortie (V_S) sont recopiées par l'amplificateur différentiel (Q7, Q8) au point commun "bas" (V_B) de la branche de référence ainsi qu'au point commun "haut" (V_H), maintenant constante la différence de potentiel aux bornes de la première résistance (R5).

Dessins