Miroir de courant fonctionnant sous faible tension

Abstract

 L'invention concerne un miroir de courant conservant de bonnes caractéristiques lorsque le courant à recopier correspond à une tension proche de la tension d'alimentation inférieure V_SS.
Ce miroir de courant (1,T1,2,T2) comprend un circuit de contre-réaction en tension (T5,T6,10) qui impose que le premier transistor (T1) de la branche de référence du miroir recopie, en tension, le second transistor (T2) de la branche de sortie du miroir.
Applications aux circuits fonctionnant sous de faibles tensions d'alimentation.

Description

[0001] La présente invention concerne un circuit électronique miroir de courant, dont l'architecture a été établie en vue d'obtenir un bon fonctionnement à une tension faible proche de la tension d'alimentation inférieure, et une faible résistance passante. Par modification d'un miroir de courant connu, auquel on ajoute un circuit de contre-réaction, on conserve le courant de sortie constant quelque soit la tension appliquée aux bornes du miroir de courant selon l'invention.

[0002] L'invention est applicable à des circuits réalisés avec différents types de transistors: en vue de clarifier l'exposé, l'invention sera expliquée en s'appuyant sur un circuit en transistors N-MOS, ce qui ne limite pas la portée de l'invention.

[0003] En soi, le miroir de courant est bien connu en électronqiue analogique, et le schéma de base en est donné figure 1. De façon très simplifiée, entre deux sources de tension V_DD et V_SS se trouvent :

• une branche de référence composée d'une source de courant 1, qui fournit un courant I, et d'un premier transistor T1,
• une branche suiveuse ou de recopie composée d'une charge 2 et d'un second transistor T2. Les grilles de T1 et T2 sont réunies entre elles et de plus à la source de courant 1, de sorte que le courant I′ qui traverse la charge 2 recopie le courant I de la source 1.

[0004] En fait, ce type de miroir de courant est entâché d'une erreur (I′ = I) due au gain des transistors, surtout à faible gain. On peut y remédier en réalisant un miroir de Wilson, schématisé en figure 2 : sur la branche suiveuse est ajouté un transistor T3, dont la grille est reliée à la branche de référence, entre la source 1 et T1. Le transistor T3 est contre-réactionné par un miroir simple. Dans ce type de montage, l'excursion en tension du point A, entre la charge 2 et T3, est limitée à quelques 100 mV + V_GS au dessus de la tension "inférieure "V_SS quelques 100 mV" correspond à la chute de tension à travers T₃, et V_GS à la chute de tension à travers T2.

[0005] Dans le miroir de Wilson amélioré de la figure 3, un transistor T₄ ajouté dans la branche de référence permet à T₁ de travailler dans les mêmes conditions que T₂, en symétrisant le circuit, parce que la paire T₃ T₄ impose la même tension aux points B et C, améliorant la recopie de courant. Mais dans les deux cas de miroirs de Wilson, il y a deux transistors en série dans la branche de recopie.

[0006] Ainsi, les deux types de miroir de Wilson décrits ne fonctionnent que pour des tensions de sorties (en A) supérieures à V_SS + V_GS + quelques 100 mV, ce qui est une valeur trop élevée dans certains cas, si l'on tient compte que, pour les transistors MOS, V_GS peut atteindre des valeurs aussi élevées que 4 ou 5 volts, tandis que des circuits fonctionnent sous 1 volt.

[0007] Cette limitation est illustrée par les courbes de la figure 4 qui donnent les caractéristiques courant-tension d'un miroir en fonction de différentes tensions grille-source V_GS, pour le transistor de sortie T₂. Les courbes en pointillés telles que 5 correspondent à un miroir de courant simple (fig. 1) et les courbes en trait plein à un miroir de courant Wilson (fig. 2 et 3). On voit que les miroirs Wilson n'atteignent un courant de saturation (donc stable) I_{DS sat} que pour une valeur de V_Ds plus élevée, en 7, que pour une miroir simple, en 8. Les flèches 9 montrent le décalage qui existe, pour une tension V_GS donnée, entre un miroir simple et un miroir Wilson : pour ce dernier type, la recopie est meilleurs, mais au prix d'un V_DSS supérieur.

[0008] On appelle V_{DS sat} ou V_DSS cette valeur de seuil, qui selon l'art antérieur est par trop supérieure à V_SS parce qu'il y a dans la branche suiveuse deux transistors T₂ et T₃ en série, dont la résistance passante R_on est trop élevée.

[0009] L'objet de l'invention est d'obtenir qu'un miroir de courant fonctionne avec une faible tension V_DSS, au dessus de la tension d'alimentation VSS, de façon à être adapté aux circuits qui eux-mêmes fonctionnent sous une faible différence de potentiel entre V_DD et V_SS, ce qui ne permet pas au miroir de fonctionner très au dessus de V_SS.

[0010] Un autre objet de l'invention est de réaliser un miroir de courant qui ait une faible résistance passante R_on dans sa branche de recopie, ce qui est par ailleurs une condition nécessaire pour pouvoir travailler à une tension proche de V_ss.

[0011] Ces objectifs sont atteints, selon l'invention, au moyen d'un miroir de courant simple, n'ayant qu'un seul transistor dans sa branche de recopie, mais doté d'une contre-réaction en tension qui a la particularité que sa branche qui agit sur la branche de recopie du miroir est en fait en parallèle avec la charge, et non pas en série avec elle .

[0012] De façon plus précise, l'invention concerne un miroir de courant fonctionnant sous faible tension, comportant, dans une branche de référence, une source de courant et un premier transistor et dans une branche de sortie, une charge et un second transistor, les grilles de ces deux transistors étant réunies et commandées à partir de la source de courant, ce miroir étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de contre-réaction en tension qui, pour une tension proche de la tension d'alimentation inférieure impose que le premier transistor recopie, sur son drain, la tension existant sur le drain du second transistor.

[0013] L'invention sera mieux comprise par la description détaillée qui suit maintenant d'un exemple d'application, appuyée sur les figures jointes en annexes, qui représentent :

• figures 1 à 3 : trois schémas électriques de miroirs de courant simple et de Wilson, connus, exposés précédemment,
• figure 4 : courbes de caractéristiques 1 (V) de ces miroirs connus, pour plusieurs valeurs de tension de grilles
• figure 5 : schéma électrique d'un miroir de courant selon l'invention,
• figure 6 : schéma équivalent du précédant, pour une tension élevée au dessus de V_SS
• figures 7 et 8 : courbes de caractéristiques I(V) d'un miroir de courant selon l'invention.

[0014] La figure 5 représente le schéma électrique d'un miroir de courant selon l'invention. Il comporte, comme élément de base, un miroir de courant simple pour lequel on reconnait, par comparaison avec la figure 1 :

• une branche de référence, composée d'une source 1, qui fournit un courant I, et d'un premier transistor T1.
• une branche de recopie, composée d'une charge 2 et d'un second transistor T2. Les grilles communes de T1 et T2 sont commandées à partir d'un point D situé entre la source de courant 1 et le transistor T1.

[0015] L'originalité du miroir de la figure 5 vient de ce qu'il comporte en outre un circuit de contre réaction en tension, formé par les transistors T5 et T6. Le transistor T5 est monté sur la branche de référence du miroir simple, entre la source de courant 1 (point D) et le transistor T1. (point C). le transistor T6 est monté en parallèle avec la charge 2, c'est à dire que sa source est connectée au point B commun à la charge 2 et à T2, et que son drain est réuni au point A à une source auxiliaire de courant 10. Les grilles des transistors T5 et T6 sont réunies, et commandées à partir du point A.

[0016] La symétrie du circuit est remarquable : un premier miroir simple 1 + T1 + T2 est contre-réactionné par un second miroir simple 10 + T 6 + T5, montés en symétrique de façon que la branche de recopie de l'un constitue la branche de référence de l'autre. Seule la charge 2, montée en parallèle sur la source de courant 10 et T6, rompt la symétrie. On peut également considérer que la paire de transistors T5 et T6 constitue un suiveur de tension qui, si aucun des deux transistors n'est bloqué, impose la même tension aux points B et C, ce qui signifie que les transistors T1 et T2 des deux branches fonctionnent dans les mêmes conditions.

[0017] Si la source 10 fournit un courant I′, la charge 2 est parcourue par un courant I-I′, puisque le transistor de recopie T2 fournit un courant total égal à I. La contre-réaction réalisée par T5 et T6 permet de garder le courant de sortie constant, dans la charge, lorsque


V_B étant la tension au point B, défini ci-dessus,
V_DSS(T2) étant la tension V_DS à saturation pour le transistor T2.

[0018] Le fonctionnement de ce miroir de courant s'explique en considérant la tension V_B au point B, dont on supposera qu'elle diminue progressivement de V_DD jusque V_SS.

1. Lorsque V_B = V_DD , T₆ est bloqué parce que son V_GS = 0 et le point A est tiré vers V_DD , par la source auxiliaire 10. T₅ se comporte dans ce cas comme un interrupteur conducteur à faible R_on. Dans ces conditions, le schéma se simplifie et devient celui représenté en figure 6. Si la résistance R_on de l'interrupteur T₅ est suffisamment faible, elle peut être négligée, et le schéma du miroir de courant selon l'invention est équivalent à celui d'un miroir simple, en figure 1.

2. Lorsque V_B s'abaisse et atteint

(V_DSS (10) étant la chute de tension dans la source de courant 10, qui est elle-même réalisée au moyen d'un transistor), le courant I′ débité par la source 10 est. rétabli et T6 redevient conducteur. Le courant qui traverse la charge 2 diminue et devient I-I′. Cette diminution du courant dans la charge 2 ne présente aucun inconvénient, puisque l'objet de l'invention est de travailler très près de l'alimentation négative V_SS , et non pas à proximité de l'alimentation positive V_DD.

3. Lorsque V_B continue de baisser, et atteint

la paire de transistors T5 et T6 se comporte comme un suiveur de tension et recopie la tension V_B au point C, situé entre T1 et T5 sur la branche de référence du miroir de courant. Ceci garanti que les transistors T1 et T2 entrent simultanèment en fonctionnement ohmique.
Considérons alors le comportement de T1 dans la branche de référence, illustré par la figure 7, La source de courant 1 impose un courant I, mais T5 + T6 imposent la tension au point C : la caractéristique de T1 se déplace du point P au point P′, sur la figure 7, en baisse puisque par définition V_B baisse. Il s'ensuit que la tension de grille de T1 augmente de V_GS3 à V_GS4, par exemple. Mais, par construction d'un miroir de courant, cette même tension V_GS4 est appliquée sur la grille de T2, et le courant de sortie dans la charge 2 reste constant bien que le transistor T₂ soit entré en fonctionnement ohmique, puisque le point P′ est sur la partie linéaire de la caractéristique I (V)

4. Si la tension V_B continue à diminuer, et donc à se rapprocher de V_SS , la tension de grille V_GS de T1 continue à augmenter, mais également la tension V_D du point D situé entre la source de courant 1 et le transistor T5. V_D est tiré à V_DD et lorsqu'il atteint cette valeur, la contre-réaction cesse de fonctionner, et le courant de sortie décroît. Le générateur de courant 1 ne fonctionne plus, ni le miroir de courant, mais néanmoins ce dernier à fonctionné jusqu'à une valeur peu élevée au dessus de V_SS.

[0019] La figure 8 représente quelques courbes de caractéristiques I (V) du miroir de courant selon l'invention, pour 4 valeurs de V_GS différentes entre elles. Sur la même figure sont reportées en pointillés, les courbes correspondantes d'un miroir de courant simple, pour les mêmes valeurs de V_GS. Les flêches 11 montrent le décalage qui existe entre les caractéristiques d'un miroir connu (pointillés ) et celles de l'invention (traits pleins), On peut observer que, contrairement aux miroirs Wilson (figure 4) pour lesquels il y a augmentation de V_DSS par rapport à un miroir simple, il y a selon l'invention une diminution de V_DSS : le miroir de courant selon l'invention fonctionne à une tension proche de V_SS, même si V_DS de T2 est inférieure a V_DSS.

[0020] Le miroir de courant selon l'invention est utilisé en interface avec les circuits fonctionnant sous faible tension, par exemple les TTL, ou comme interrupteur à faible résistance passante.

[0021] L'invention est précisée par les revendications suivantes.

Revendications

1 - Miroir de courant fonctionnant sous faible tension, comportant, dans une branche de référence, une source de courant (1) et un premier transistor (T1) et, dans une branche de sortie, une charge (2) et un second transistor (T2), les grilles de ces deux transistors (T1,T2) étant réunies et commandées à partir de la source de courant (1), ce miroir étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de contre-réaction en tension (T5, T6, 10) qui, pour une tension proche de la tension d'alimentation inférieure (V_SS) impose que le premier transistor (T1) recopie, sur son drain, la tension (V_B) existant sur le drain du second transistor (T₂).

2 - Miroir de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de contre réaction comprend un troisième transistor (T5), intercalé entre la source de courant (1) et le premier transistor (T1), et un quatrième transistor (T6), intercalé entre une source de courant auxiliaire (10) et le second transistor (T2), les grilles des troisième (T5) et quatrième (T6) transistors étant réunies et commandées à partir de la source de courant auxiliaire (10)

3 - Miroir de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction (T5, T6, 10) constitue un second miroir de courant, dont la branche de recopie (T5) commande la branche de référence du miroir de courant principal (T1, T2, 1).

4 - Miroir de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction en tension (T6,10) est monté en parallèle avec la charge (2)

5 - Miroir de courant selon la revendication 4, caractérisé en ce que la branche de sortie (2,T2) ne comporte qu'un seul transistor (T2).

6 - Miroir de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en raison du circuit de contre-réaction en tension, le second transistor (T2) conserve une caractéristique de courant drain-source I_DS saturée pour une valeur de tension drain-source V_DS inférieure à la valeur de saturation V_{DS sat}.

Dessins