EP0414319A1 - Circuit destiné à fournir une tension de référence - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un circuit destiné à fournir une tension de référence comportant un générateur de tension (REF) présentant une borne d'alimentation et délivrant en sortie une tension de valeur nominale donnée (VR) et comportant un amplificateur différentiel (A) alimenté par une première source de tension d'alimentation et dont l'entrée non inverseuse est connectée à la sortie du générateur de tension, (REF). La sortie de l'amplificateur différentiel (A) est reliée à l'entrée d'un étage suiveur (T) à travers un dispositif de commutation (1) commandé, l'étage suiveur (T) ayant son entrée reliée à la première source de tension d'alimentation à travers une première résistance (R1) et ayant sa sortie, qui délivre ladite tension de référence (VD), reliée d'une part à l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel (A) par l'intermédiaire d'un pont diviseur et d'autre part à la borne d'alimentation du générateur de tension (REF). Un circuit de commande (C) du dispositif de commutation est agencé pour recevoir au moins la tension d'alimentation de manière que le dispositif de commutation (1) soit fermé lorsque la tension d'alimentation atteint un seuil pour lequel à la fois le générateur de tension et l'amplificateur différentiel sont dans une zone de fonctionnement nominale.

Description

• L'invention concerne un circuit destiné à fournir une tension de référence, comportant un générateur de tension présentant une borne d'alimentation et une sortie pour déli­vrer une tension de valeur nominale donnée et comportant un amplificateur différentiel présentant une borne d'alimentation pour une source de tension d'alimentation, une entrée non inverseuse connectée à la sortie du générateur de tension, une entrée inverseuse et une sortie ainsi qu'un premier étage suiveur de sortie, dont la sortie qui délivre ladite tension de référence est rétro-couplée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur par l'intermédiaire d'un pont diviseur.
• Un tel circuit est connu de "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" de Paul R. GRAY et ROBERT G. MEYER (John Wiley and Sons - New-York 1977) fig.d.37 p.516 Voltage regulator.
• Le générateur de tension est susceptible, lors de sa mise sous tension de donner lieu à des instabilités.
• L'invention a pour objet un circuit permettant d'é­viter cet inconvénient.
• L'idée de base de l'invention consiste à ne trans­mettre en sortie le signal du générateur de tension que lors­que la tension d'alimentation est suffisante pour que la ré­gion d'instabilités possibles soit dépassée.
• Le circuit selon l'invention est dans ce but carac­térisé en ce que la sortie de l'amplificateur différentiel est reliée à l'entrée du premier étage suiveur à travers un dispositif de commutation commandé, le premier étage suiveur ayant son entrée reliée à borne d'alimentation à travers une première résistance, et ayant sa sortie reliée à la borne d'alimentation du générateur de tension et en ce qu'il comporte un circuit de commande du dispositif de commutation agencé pour recevoir au moins la tension d'alimentation de manière que le dispositif de commutation soit fermé lorsque la première tension d'alimentation atteint un seuil pour lequel à la fois le générateur de tension et l'amplificateur différentiel sont dans une zone de fonctionnement nominal.
• Le générateur de tension est alimenté par la ten­sion de référence produite par le circuit, et la tension de référence, une fois le dispositif de commutation fermé, est 1/k fois plus élevée que la tension produite par le générateur de tension, k étant le rapport de division du premier pont diviseur. Lorsque la première tension d'alimentation a une valeur faible, insuffisante pour que le dispositif de commutation soit fermé, la tension en sortie du circuit, qui alimente également le générateur de tension varie avec la même pente que la première tension d'alimentation, à une constante près. La courbe de tension de sortie en fonction de la première tension d'alimentation ne présente donc plus de risque d'instabilité.
• Il est particulièrement avantageux que le circuit de commande et le circuit de commutation commandé coopèrent directement avec l'amplificateur différentiel. Ceci permet en effet de simplifier le schéma électronique.
• Dans ce but, l'amplificateur différentiel peut com­porter une première branche dont l'entrée est ladite entrée non inverseuse et une deuxième branche dont l'entrée est ladi­te entrée inverseuse, le circuit de commande peut être agencé pour inhiber le passage du courant dans la deuxième branche lorsque la tension d'alimentation est inférieure audit seuil, et le circuit de commutation commandé peut comporter un deuxi­ème étage suiveur qui est agencé pour n'être conducteur que lorsque du courant traverse la deuxième branche.
• La première branche peut comporter le trajet émet­teur-collecteur d'un premier transistor d'un premier type dont la base et le collecteur sont connectés respectivement à l'émetteur et à la base d'un deuxième transistor du premier type dont le collecteur est connecté à une deuxième source de tension d'alimentation, le collecteur du premier transistor étant connecté à celui d'un troisième transistor du deuxième type opposé au premier, dont l'émetteur est reliè à la deuxi­ème source de tension d'alimentation à travers une deuxième résistance et dont la base constitue l'entrée non inverseuse de l'amplificateur différentiel. Une telle branche présente une structure telle qu'elle dérive du courant à partir de ni­veaux faibles de la première tension d'alimentation.
• La deuxième branche peut comporter le trajet émet­teur-collecteur d'un quatrième transistor de premier type dont la base est connectée à celle du premier transistor, le col­lecteur du quatrième transistor étant connecté à celui d'un cinquième transistor du deuxième type dont l'émetteur est con­necté à celui du troisième transistor et dont la base consti­tue l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel. Une telle branche présente une structure telle qu'elle dérive du courant seulement à partir d'un niveau significatif relative­ment élevé de la première tension d'alimentation.
• Le quatrième transistor peut avoir son émetteur connecté à celui du premier transistor.
• Le circuit de commande est avantageusement commun aux deux branches. Dans ce but, le circuit de commande peut comporter un sixième transistor du deuxième type dont le col­lecteur est connecté à la première source de tension d'alimen­tation, dont l'émetteur est connecté aux émetteurs des premier et quatrième transistors, et dont la base est connectée à la borne de la première résistance qui n'est pas connectée à la première source de tension d'alimentation. La tension sur la base du sixième transistor détermine le seuil à partir duquel l'amplificateur différentiel produit un signal de sortie.
• Le deuxième étage suiveur peut comporter un septi­ème transistor dont la base est connectée au collecteur du cinquième transistor, dont le collecteur est connecté à la deuxième source de tension d'alimentation et dont l'émetteur est relié à l'entrée du premier étage suiveur, éventuellement par l'intermédiaire d'une diode en direct.
• La valeur dudit seuil pourra être choisi avec plus de précision en disposant une deuxième résistance entre la première résistance et l'entrée du premier étage suiveur.
• Le premier étage suiveur comporte avantageusement un huitième transistor à deux émetteurs dont la base constitue l'entrée, dont le collecteur est connecté à la première source de tension d'alimentation, dont le premier émetteur est con­necté à une extrêmité du pont et dont le deuxième émetteur constitue la sortie du premier étage suiveur.
• 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 dessins qui représentent :
• - la figure 1, un circuit régulateur du type série selon l'art antérieur précité.
• - la figure 2, un circuit selon l'invention.
• - la figure 3, un mode préféré de réalisation de l'inven­tion.
• - la figure 4, une variante de la figure 3.
• - et la figure 5, des courbes de tension en fonction de la tension d'alimentation selon la figure 3 ou 4.
• Selon la figure 1, un générateur de tension REF dé­livre une tension V_R qui est appliquée à l'entrée non inver­seuse d'un amplificateur différentiel A alimenté à une tension d'alimentation V_cc. La sortie S de l'amplificateur A attaque un circuit suiveur T dont la sortie, qui délivre une tension de référence régulée V_O est rétro-couplée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur A par l'intermédiaire d'un pont diviseur résistif R₃, R₄. Le générateur de tension REF est alimenté par la tension d'alimentation V_cc. Lors de la mise sous tension, toute instabilité de la tension V_R du générateur de tension REF se répercute directement sur la tension V_O.
• Selon la figure 2, le générateur de tension REF dé­livre en sortie une tension V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  qui est appliquée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur différentiel A alimenté à une tension d'alimentation V_cc. La sortie S de l'amplifica­teur A est reliée par l'intermédiaire d'un dispositif de com­mutation commandé 1 à l'entrée S′ du circuit suiveur. Une ré­ sistance R₁ est disposée entre l'entrée S′ et la source de tension d'alimentation V_cc. La sortie du circuit suiveur dé­livre la tension de référence régulée V_O. Cette sortie est bouclée sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur A (signal V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-}}{\text{i}}$

  

  ) à l'aide d'un pont diviseur comportant des résistances R₃ et R₄. Le signal V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-}}{\text{i}}$

  

  est présent au point commun (ou point milieu) du pont diviseur. L'autre extrêmité du point diviseur est connectée à une deuxième source de tension d'alimentation (ici le pôle de mode commun). Le circuit suiveur est représen­té comme un transistor T dont la base est le point S′, dont l'émetteur délivre le signal V_O et dont le collecteur est con­necté à la source de tension d'alimentation V_cc. Le signal V_O est appliqué à la borne d'alimentation du générateur de tension REF. Un circuit de commande C qui reçoit la tension d'alimentation Vcc (et éventuellement la tension V_O) est agencée de manière à fermer le dispositif de commutation 1 lorsque la tension d'alimentation V_cc dépasse un seuil donné pour lequel la tension V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  délivrée par le générateur de tension REF a dépassé la portion de sa caractéristique dans laquelle peuvent se produire des instabilités. De ce fait, lorsque le circuit est mis sous tension, la tension d'alimen­tation V_cc part de la valeur 0 et augmente pour atteindre sa valeur nominale. Lorsque sa valeur est inférieure au seuil donné, le courant de commutation 1 est ouvert et la tension V_O évolue proportionnellement à la valeur instantanée de la ten­sion V_cc et indépendamment de la tension V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  . En effet, l'en­trée S′ de l'étage suiveur est référencée au potentiel V_cc à travers la résistance R₁. Par contre lorsque la valeur instan­tanée de la tension V_cc atteint le seuil donné, le circuit de commutation 1 est fermé, et la tension V_O a alors pour va­leur :
  V_O = (1 + $\frac{\text{R₃}}{\text{R₄}}$

  

  ) V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  
  Pour une certaine valeur de Vcc, V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  atteint sa valeur nomi­nale V_REF.
• Selon la figure 3, un générateur de tension (dit du type "band gap") décrit dans l'ouvrage précité p.295, comporte un transistor T₁₁ de type npn dont le collecteur est connecté au point B précité et qui présente une résistance R₁₅, faisant office de source de courant, entre son collecteur et sa base. L'émetteur du transistor T₁₁ qui délivre la ten­sion V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  est reliée à une diode (transistor npn T₁₂ monté en diode par court-circuit base-collecteur) à travers une résis­tance R₁₁. L'émetteur du transistor T₁₂ est connecté au pôle de mode commun, et sa base à celle d'un transistor T₁₄ dont l'émetteur est relié au pôle de mode commun à travers une ré­sistance R₁₄ et dont le collecteur est d'une part relié à l'é­metteur de transistor T₁₁ à travers une résistance R₁₆ et d'autre part connecté à la base d'un transistor npn T₁₅ dont l'émetteur est connecté au pôle de mode commun, et dont le collecteur est connecté à la base de transistor T₁₁.
• L'amplificateur A comporte une première branche présentant un transistor T₅ de type pnp dont l'émetteur est connecté à un point F, dont la base est connectée à l'émetteur d'un transistor T₇ de type pnp, dont le collecteur est connec­té au pôle de mode commun et dont la base est connectée au collecteur de transistor T₅. Le collecteur du transistor T₅ est connecté à celui d'un transistor T₈ de type npn dont la base est attaquée par la tension V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  disponible sur l'émetteur du transistor T₁₁, et dont l'émetteur est relié au pôle de mo­de commun à travers une résistance R₈. Les transistors T₅ et T₇ présentent deux jonctions émetteur-base en série ce qui fait qu'un courant est susceptible de circuler dans la premiè­re branche même pour une faible valeur de potentiel au point F. La deuxième branche présente un transistor pnp T₆ dont l'é­metteur est connecté au point F, dont la base est connectée à celle du transistor T₅ et dont le collecteur (point S) est connecté à celui d'un transistor npn T₉ dont l'émetteur est relié au pôle de mode commun à travers la résistance R₈. Le circuit de commande comporte un transistor npn T₃ dont le col­lecteur est connecté à la source de tension d'alimentation V_cc, dont l'émetteur est connecté audit point F et dont la base est connectée de préférence au point milieu H d'un pont diviseur R₁,R₂ présentant deux résistances R₁ et R₂ en série entre la source de tension d'alimentation V_cc et le point S′, ou bien directement au point S′, la résistance R₂ étant omise. Le circuit de commutation comporte un transistor pnp T₁₀ dont la base est connectée au point S (sortie de l'ampli­ficateur A), dont le collecteur est connecté au pôle de mode commun et dont l'émetteur est relié au point S′ à travers une diode en direct D.
• L'étage suiveur de sortie comporte un transistor (T₁, T₂) à deux émetteurs (ou deux transistors T₁ et T₂ montés en émetteur suiveur), l'émetteur de T₁ connecté au pont divi­seur (R₃, R₄) et celui de T₂ délivrant la tension V_o au point B. La présence de ce double émetteur (ou des deux tran­sistors) permet classiquement un meilleur découplage vis à vis de l'impédance de charge.
• Lorsque V_cc a une valeur inférieure au seuil donné, la première branche de l'amplificateur est susceptible d'être traversée par un courant, mais la deuxième branche n'est traversée par aucun courant. Le transistor T₁₀ est alors bloqué. La base des transistors T₁ et T₂ est alors à un poten­tiel très voisin de la valeur instantanée de V_cc.
• On a alors V_o = (V_cc - V_D)
  et

  

  avec V_D = tension base-émetteur d'un transistor (environ 0,7V).
• Lorsque V_cc atteint le seuil donné, la deuxième branche de l'amplificateur est traversée par un courant suf­fisant pour que le transistor T₁₀ soit en état de conduction. L'amplificateur est dans sa région de fonctionnement et on a :
  V_S′ = V_o + V_D = V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-}}{\text{i}}$

  

  (1 + $\frac{\text{R₃}}{\text{R₄}}$

  

  ) + V_D
  V_S′ désignant la tension au point S′.
• Considérons V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  ≃ V_REF c'est-à-dire que pour le calcul, on considère que le seuil de tension correspond prati­quement au seuil de fonctionnement correct du générateur de tension.
  Il vient :

  

  Pour l'amplificateur décrit, un fonctionnement correct impose que V_H soit au moins égal à 5V_D (en fait il faut que V_H soit sensiblement supérieur à cette valeur).
  On a alors :

  

  V_cco ≃ 5V_D + $\frac{\text{R₁}}{\text{R₂}}$

  

  [4V_D - (1 + $\frac{\text{R₃}}{\text{R₄}}$

  

  )V_réf]
  Le rapport $\frac{\text{R₁}}{\text{R₂}}$

  

  permet donc de déterminer le seuil V_ccO de V_cc à partir duquel le circuit de commutation est fermé. Si on omet la résistance R₂, les points H et S′ sont confon­dus, et V_H = V_S′ = (1 + $\frac{\text{R₃}}{\text{R₄}}$

  

  ) V_REF + V_D
  et la résistance R₁ n'intervient plus dans la détermination du seuil.
  Il faut alors :
  V_cco > (1+ $\frac{\text{R₃}}{\text{R₄}}$

  

  ) V_REF + V_D > 5 V_D
• Suivant la figure 4, la base du transistor T₃ est connectée au point milieu H′ d'un pont diviseur R′₁ et R′₂ disposé entre la source de tension V_cc et le pôle de mode commun. La base du transistor T₁ est reliée à la source de tension V_cc à travers la résistance R₁. L'émetteur du transistor T₃ est connecté au point C, celui du transistor T₁ est relié au point A à travers la résistance R₃, et celui du transistor T₂ est connecté au point B. Le reste du circuit est comme à la figure 3.
  On a

  

  La condition de seuil est alors :
  V_H′ > 5V_D
• Soit V_cco ≃ 5 V_D (1 +

  

  )
  
  Le rapport

  

  
  
  détermine le seuil V_cco de V_cc à partir duquel le circuit de commutation est fermé.
• Suivant la figure 5, les tensions V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{+}}{\text{i}}$

  

  , V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-}}{\text{i}}$

  

  et V₀ croissent dès que V_cc atteint V_D (0,7 V), la régulation étant obtenue à partir de 6 V_D (environ 4,2 V).

Claims (11)

1. Circuit destiné à fournir une tension de référence comportant un générateur de tension présentant une borne d'a­limentation et une sortie pour délivrer une tension de valeur nominale donnée et comportant un amplificateur différentiel présentant une borne d'alimentation pour une première source de tension d'alimentation, une entrée non inverseuse connectée à la sortie du générateur de tension, une entrée inverseuse et une sortie ainsi qu'un premier étage suiveur de sortie dont la sortie, qui délivre ladite tension de référence, est rétro-­couplée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel par l'intermédiaire d'un pont diviseur caractérisé en ce que la sortie de l'amplificateur différentiel (A) est reliée à l'entrée du premier étage suiveur (T) à travers un dispositif de commutation commandé (1), le premier étage suiveur (T) ayant son entrée reliée à la borne d'alimentation à travers une première résistance (R₁) et ayant sa sortie,qui délivre ladite tension de référence (V_o), reliée à la borne d'alimentation du générateur de tension (REF) et en ce qu'il comporte un circuit de commande (C) du dispositif de commuta­tion (1) agencé pour recevoir au moins la tension d'alimen­tation de manière que le dispositif de commutation soit fermé lorsque la tension d'alimentation atteint un seuil pour lequel à la fois le générateur de tension (REF) et l'amplificateur différentiel (A) sont dans une zone de fonctionnement nominal.

2. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'amplificateur différentiel comporte une première branche dont l'entrée est ladite entrée non inverseuse, et une deuxi­ème branche dont l'entrée est ladite entrée inverseuse, en ce que le circuit de commande est agencé pour inhiber le passage du courant dans la deuxième branche lorsque la tension d'ali­mentation est inférieure audit seuil, et en ce que le circuit de commutation commandé comporte un deuxième étage suiveur qui est agencé pour n'être conducteur que lorsque du courant tra­verse la deuxième branche.

3. Circuit selon la revendication 2 caractérisé en ce que la première branche comporte le trajet émetteur-collecteur d'un premier transistor (T₅) d'un premier type dont la base et le collecteur sont connectés respectivement à l'émetteur et à la base d'un deuxième transistor (T₇) du premier type dont le collecteur est connecté à une deuxième source de tension d'a­limentation, le collecteur du premier transistor (T₅) étant connecté à celui d'un troisième transistor (T₈) du deuxième type opposé au premier, dont l'émetteur est relié à la deuxi­ème source de tension d'alimentation à travers une deuxième résistance (R₈) et dont la base constitue l'entrée non inver­seuse de l'amplificateur différentiel.

4. Circuit selon la revendication 3 caractérisé en ce que la deuxième branche comporte le trajet émetteur-collecteur d'un quatrième transistor (T₆) du premier type dont la base est connectée à celle du premier transistor (T₅), le collec­teur du quatrième transistor (T₆) étant connecté à celui d'un cinquième transistor (T₉) de deuxième type dont l'émetteur est connecté à celui du troisième transistor (T₈) et dont la base constitue l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel.

5. Circuit selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'émetteur du quatrième transistor (T₆) est connecté à ce­lui du premier transistor (T₅).

6. Circuit selon la revendication 5 caractérisé en ce que le circuit de commande comporte un sixième transistor (T₃) du deuxième type dont le collecteur est connecté à la première source de tension d'alimentation, dont l'émetteur est connecté aux émetteurs des premier (T₅) et quatrième (T₆) transistors et dont la base est connectée à la borne de la première résis­tance (R₀) qui n'est pas connectée à la première source de tension d'alimentation (V_cc).

7. Circuit selon la revendication 6 caractérisé en ce que le deuxième étage suiveur comporte un septième transistor (T₁₀) dont la base est connectée au collecteur du cinquième transistor (T₉), dont le collecteur est connecté à la deuxième source de tension d'alimentation et dont l'émetteur est relié à l'entrée du premier étage suiveur.

8. Circuit selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'émetteur du septième transistor (T₁₀) est relié à l'en­trée du premier étage suiveur par l'intermédiaire d'une diode en direct.

9. Circuit selon une des revendications 7 ou 8 carac­térisé en ce que entre la première résistance (R₁) et l'entrée du premier étage suiveur, est disposée une deuxième résistance (R₂).

10. Circuit selon une des revendications 7 à 9 caracté­risé en ce que le premier étage suiveur comporte un huitième transistor (T₁,T₂) à deux émetteurs dont la base constitue l'entrée, dont le collecteur est connecté à la première source de tension d'alimentation, dont le premier émetteur est con­necté à une extrêmité du pont diviseur et dont le deuxième émetteur constitue la sortie du premier étage suiveur.

11. Circuit selon une des revendications 7 à 10 carac­térisé en ce que le pont diviseur comporte une troisième (R₃) et une quatrième (R₄) résistance.

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