[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 VSS
- 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 VB = VDD , T₆ est bloqué parce que son VGS = 0 et le point A est tiré vers VDD , par la source auxiliaire 10. T₅ se comporte dans ce cas comme un interrupteur conducteur
à faible Ron. Dans ces conditions, le schéma se simplifie et devient celui représenté en figure
6. Si la résistance Ron 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 VB s'abaisse et atteint

(VDSS (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 VSS , et non pas à proximité de l'alimentation positive VDD.
3. Lorsque VB continue de baisser, et atteint

la paire de transistors T5 et T6 se comporte comme un suiveur de tension et recopie
la tension VB 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 VB baisse. Il s'ensuit que la tension de grille de T1 augmente de VGS3 à VGS4, par exemple. Mais, par construction d'un miroir de courant, cette même tension VGS4 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 VB continue à diminuer, et donc à se rapprocher de VSS , la tension de grille VGS de T1 continue à augmenter, mais également la tension VD du point D situé entre la source de courant 1 et le transistor T5. VD est tiré à VDD 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 VSS.
[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.
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 (VSS) impose que le premier transistor (T1) recopie, sur son drain, la tension (VB) 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 IDS saturée pour une valeur de tension drain-source VDS inférieure à la valeur de saturation VDS sat.