EP0536063A1 - Générateur de courant précis - Google Patents

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EP0536063A1
EP0536063A1 EP92420333A EP92420333A EP0536063A1 EP 0536063 A1 EP0536063 A1 EP 0536063A1 EP 92420333 A EP92420333 A EP 92420333A EP 92420333 A EP92420333 A EP 92420333A EP 0536063 A1 EP0536063 A1 EP 0536063A1
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transistor
current
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whose
base
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Marc Ryat
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STMicroelectronics SA
STMicroelectronics lnc USA
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SGS Thomson Microelectronics SA
SGS Thomson Microelectronics Inc
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/265—Current mirrors using bipolar transistors only

Definitions

  • the present invention relates to a current generator and in particular a generator supplying, from a reference voltage Vref defined with respect to ground, a current equal to Vref / R to within a small error, where R is a resistance.
  • FIG. 1 represents a conventional circuit of such a generator.
  • This generator comprises an operational amplifier 10 driving the base of an NPN transistor T1 whose emitter is connected to the inverting input of amplifier 10 and to ground G through a resistor R.
  • the non-inverting input of the amplifier 10 receives a reference voltage Vref with respect to ground.
  • This reference voltage is supplied, for example, by a reference voltage generator of "Band-Gap" type stabilized in temperature.
  • the collector of transistor T1 is connected to a current output terminal S which is connected to a circuit node.
  • the voltage across the resistor R is established at Vref causing an emitter current of the transistor T1 with a value Vref / R.
  • the collector current Ic of transistor T1 (the output current) is established at: where ⁇ denotes the current gain of transistor T1.
  • This generator supplies a current proportional to Vref, which has a temperature accuracy of around 2% over a range of -55 ° to 125 ° C.
  • the imprecision comes essentially from the term 1 / p.
  • the term 1 / p is zero, which improves accuracy.
  • Vce sat denotes the emitter-collector voltage of a bipolar transistor in saturation regime.
  • This minimum value is generally greater when a MOS transistor is used in place of the transistor T1. This means that one cannot properly supply a current to a node of a circuit, the potential of which may vary and become less than Vref + Vce sat .
  • An object of the present invention is to provide a precise current generator which, integrated, occupies a small surface of silicon.
  • Another object of the present invention is to provide such a generator capable of supplying a precise current to a node whose potential varies over a large range.
  • a current generator comprising a first bipolar transistor, the base of which is connected to a reference potential and the emitter to a first supply potential through a first resistor; a first current mirror, the input of which is connected to the collector of the first transistor and the output of which is connected to the control electrode of a second transistor; a third bipolar transistor whose collector is connected to the output of the first current mirror, the base of which is connected, on the one hand, to a main electrode of the second transistor and, on the other hand, to a terminal of a second resistor whose other terminal is connected to the emitter of the third transistor; and a second current mirror, the input of which is connected to the emitter of the third transistor and the output of which supplies said current.
  • the second current mirror comprises a fourth transistor whose collector constitutes the input of the mirror, and whose emitter is connected to the first supply potential; at least a fifth transistor connected in parallel on the base and the emitter of the fourth transistor and the collector of which supplies said current; and a sixth transistor whose emitter is connected to the base of the fourth transistor and whose base is connected either to the base or to the emitter of the third transistor.
  • the second transistor is chosen from: a MOS transistor, a bipolar transistor, or a Darlington transistor.
  • the first current mirror is a Wilson type mirror.
  • An advantage of the present invention is that it is particularly suitable for making a current generator with several outputs.
  • a transistor Q1 receives on its base a reference voltage Vref.
  • the emitter of transistor Q1 is connected to ground G through a resistor R1 of value R.
  • a current mirror M1 assumed to be ideal, copies the current I C1 .
  • the copied current is divided into a basic current Ib 2 of an NPN transistor Q2 and a current Ic l -lb 2 of collector of an NPN transistor Q3.
  • the mirror M1 is connected to a high supply voltage Vcc and its direction of copying is indicated by an arrow.
  • the collector of transistor Q2 is connected to voltage Vcc and its emitter is connected, on the one hand, to the base of the transistor and, on the other hand, to a terminal of a resistor R2 with the same value as the resistor R1.
  • the other terminal of the resistor R2 is connected to a node to which the emitter of the transistor Q3 is connected.
  • the current Is in node A is copied to an output terminal S by a current mirror M2, assumed
  • the transistors have almost identical characteristics, in particular the same gain ⁇ , large in front of 1, and the same base-emitter voltage Vbe, which is easy to achieve in an integrated circuit.
  • the current in resistor R2, placed between base and emitter of transistor Q3, is established at Vbe / R and is supplied by transistor Q2 whose base current Ib 2 is established at a value close to
  • the emitter current of the transistor Q3 is defined by:
  • FIG. 3 illustrates another more detailed embodiment of the current generator according to the present invention.
  • this embodiment includes two other terminals S2 and S3.
  • the bipolar transistor Q2 has here been replaced by a Darlington transistor Q2 '.
  • the mirror M1 represented is a conventional Wilson type mirror which is a mirror with bipolar transistors close to the ideal.
  • the mirror includes two PNP transistors Q4, Q5 in series between the collector of transistor Q1 and the supply voltage Vcc and two other PNP transistors Q6, Q7 in series between the collector of transistor Q3 and the supply voltage Vcc.
  • the input of the mirror M1 corresponds to the short-circuited base and to the collector of the transistor Q4.
  • the mirror output corresponds to the collector of transistor Q6, the base of which is connected to the base of transistor Q4.
  • the collector and the base of transistor Q7 are short-circuited and connected to the base of transistor Q5.
  • the mirror M2 includes two NPN transistors Q8 and Q9 with emitters connected to ground and whose bases are connected together.
  • the collector of transistor Q8 constitutes the input of the mirror and it is connected to node A.
  • the collector of transistor Q9 constitutes the output of the mirror and is connected to terminal S.
  • Additional transistors Q10 and Q11 are connected in the same way as the transistor Q9 respectively to an output terminal S2 and to an output terminal S3.
  • the base current of the transistors Q8 to Q11 is supplied by the emitter of an NPN transistor Q12 whose collector is connected to the supply voltage Vcc and whose base is connected to the emitter of the transistor Q2 '.
  • the basic current consumed by the transistor Q12 is negligible in front of Is, which makes this mirror close to the ideal.
  • the collector currents I S2 and I S3 will be equal to the current Is, that is to say Vref / R.
  • the gain (surface) of transistors Q10 and Q11 we can obtain output currents I S2 and I S3 which will be predetermined fractions or multiples of the current Is.
  • the minimum voltage on the terminals S, S2 and S3 is equal to the voltage Vce sat of the transistors Q9 to Q11, that is to say approximately 0.3 volts (instead of Vce sat + Vref in the generator of the prior art).
  • FIG. 4 illustrates an embodiment in BICMOS technology of a generator according to the present invention.
  • the transistor Q2 has been replaced by an N-channel MOS transistor Q2 ", which results in a zero current lb 2 and a current Is exactly equal to Vref / R.
  • the present invention is susceptible to numerous variants and modifications which will appear to those skilled in the art, in particular, if a current source in the opposite direction is desired, all the transistors will be replaced by their complementary ones, the mass and the voltage. Vcc then being inverted.
  • the base of transistor Q12 can be connected to node A instead of being connected to the base of transistor Q3. All the transistors, in particular the transistors of the examples of bipolar current mirrors, can be replaced by corresponding MOS transistors, but the temperature stability will then be less good.

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Abstract

La présente invention concerne un générateur de courant (Is), comprenant un premier transistor bipolaire (Q1) dont la base est reliée à un potentiel de référence (Vref) et l'émetteur à un premier potentiel d'alimentation (G) à travers une première résistance (R1) ; un premier miroir de courant (M1) dont l'entrée est reliée au collecteur du premier transistor (Q1) et dont la sortie est reliée à l'électrode de commande d'un deuxième transistor (Q2) ; un troisième transistor bipolaire (Q3) dont le collecteur est relié à la sortie du premier miroir de courant, dont la base est reliée, d'une part, à une électrode principale du deuxième transistor (Q2) et, d'autre part, à une borne d'une deuxième résistance (R2) dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du troisième transistor (Q3) ; et un deuxième miroir de courant (M2) dont l'entrée est reliée à l'émetteur du troisième transistor (Q3) et dont la sortie (S) fournit ledit courant (Is). <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un générateur de courant et en particulier un générateur fournissant, à partir d'une tension de référence Vref définie par rapport à la masse, un courant égal à Vref/R à une faible erreur près, où R est une résistance.
  • La figure 1 représente un circuit classique d'un tel générateur. Ce générateur comprend un amplificateur opérationnel 10 pilotant la base d'un transistor NPN T1 dont l'émetteur est relié à l'entrée inverseuse de l'amplificateur 10 et à la masse G à travers une résistance R. L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 10 reçoit une tension de référence Vref par rapport à la masse. Cette tension de référence est fournie, par exemple, par un générateur de tension de référence de type "Band-Gap" stabilisée en température. Le collecteur du transistor T1 est relié à une borne de sortie de courant S qui est reliée à un noeud de circuit.
  • Avec cette configuration, la tension aux bornes de la résistance R s'établit à Vref entraînant un courant d'émetteur du transistor T1 de valeur Vref/R. Le courant de collecteur Ic du transistor T1 (le courant de sortie ) s'établit à :
    Figure imgb0001
    où β désigne le gain en courant du transistor T1. Ce générateur fournit un courant proportionnel à Vref, qui présente une précision en température de l'ordre de 2 % sur une plage de -55 ° à 125 °C. L'imprécision provient essentiellement du terme 1/p. En utilisant un transistor MOS à la place du transistor bipolaire T1, le terme 1/p est nul, ce qui améliore la précision.
  • Toutefois, la réalisation d'une telle source de courant nécessite l'emploi d'un amplificateur opérationnel qui comprend un grand nombre de composants ( environ 12 transistors ) et qu'il faut compenser par une capacité (non représentée) puisqu'il travaille en boucle fermée avec un gain unitaire. L'intégration d'une telle source de courant est donc coûteuse en surface de silicium.
  • Par ailleurs, la tension entre la borne S et la masse doit rester supérieure à une valeur minimale égale à Vref+Vcesat, où Vcesat désigne la tension émetteur- collecteur d'un transistor bipolaire en régime de saturation. Cette valeur minimale est généralement plus grande lorsqu'on utilise un transistor MOS à la place du transistor T1. Ceci entraîne que l'on ne peut pas convenablement fournir un courant à un noeud d'un circuit, dont le potentiel risque de varier et de devenir inférieur à Vref+Vcesat.
  • Un objet de la présente invention est de réaliser un générateur de courant précis qui, intégré, occupe une faible surface de silicium.
  • Un autre objet de la présente invention est de réaliser un tel générateur capable de fournir un courant précis à un noeud dont le potentiel varie dans une grande plage.
  • Ces objets sont atteints grâce à un générateur de courant comprenant un premier transistor bipolaire dont la base est reliée à un potentiel de référence et l'émetteur à un premier potentiel d'alimentation à travers une première résistance ; un premier miroir de courant dont l'entrée est reliée au collecteur du premier transistor et dont la sortie est reliée à l'électrode de commande d'un deuxième transistor ; un troisième transistor bipolaire dont le collecteur est relié à la sortie du premier miroir de courant, dont la base est reliée, d'une part, à une électrode principale du deuxième transistor et, d'autre part, à une borne d'une deuxième résistance dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du troisième transistor ; et un deuxième miroir de courant dont l'entrée est reliée à l'émetteur du troisième transistor et dont la sortie fournit ledit courant.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième miroir de courant comprend un quatrième transistor dont le collecteur constitue l'entrée du miroir, et dont l'émetteur est relié au premier potentiel d'alimentation ; au moins un cinquième transistor connecté en parallèle sur la base et l'émetteur du quatrième transistor et dont le collecteur fournit ledit courant ; et un sixième transistor dont l'émetteur est relié à la base du quatrième transistor et dont la base est reliée, soit à la base, soit à l'émetteurdu troisième transistor.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième transistor est choisi parmi : un transistor MOS, un transistor bipolaire, ou un transistor Darlington.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier miroir de courant est un miroir du type Wilson.
  • Un avantage de la présente invention est que celle-ci convient particulièrement à une réalisation de générateur de courant à plusieurs sorties.
  • Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
    • La figure 1, précédemment décrite, représente un générateur de courant précis classique ;
    • la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un générateur de courant précis selon la présente invention ;
    • la figure 3 illustre un autre mode de réalisation du générateur de la présente invention ; et
    • la figure 4 illustre un autre mode de réalisation du générateur de la présente invention dans une technologie incorporant des éléments bipolaires et des éléments CMOS (BICMOS).
  • A la figure 2, un transistor Q1 reçoit sur sa base une tension de référence Vref. L'émetteur du transistor Q1 est relié à la masse G à travers une résistance R1 de valeur R. Un miroir de courant M1, supposé idéal, recopie le courant IC1. Le courant recopié se partage en un courant Ib2 de base d'un transistor NPN Q2 et un courant Icl-lb2 de collecteur d'un transistor NPN Q3. Le miroir M1 est connecté à une tension haute d'alimentation Vcc et son sens de recopie est indiqué par une flèche. Le collecteur du transistor Q2 est relié à la tension Vcc et son émetteur est relié, d'une part, à la base du transistor et, d'autre part, à une borne d'une résistance R2 de même valeur que la résistance R1. L'autre borne de la résistance R2 est reliée à un noeud Aauquel est relié l'émetteur du transistor Q3. Le courant Is dans le noeud A est recopié sur une borne de sortie S par un miroir de courant M2, supposé idéal, connecté à la masse.
  • Dans la suite de la description, on supposera que les transistors ont dés caractéristiques pratiquement identiques, notamment le même gain β, grand devant 1, et la même tension base-émetteur Vbe, ce qui est facile à réaliser dans un circuit intégré.
  • Avec la configuration de la figure 2, le courant IC1 vaut exactement
    Figure imgb0002
    où Ib désigne le courant de base du transistor Q1. Ce courant de base est défini par :
    Figure imgb0003
  • Le courant dans la résistance R2, placée entre base et émetteur du transistor Q3, s'établit à Vbe/R et est fourni par le transistor Q2 dont le courant de base Ib2 s'établit à une valeur voisine de
    Figure imgb0004
  • Comme le transistor Q3 est traversé par un courant proche de celui dans le transistor Q1, son courant de base aura sensiblement la même valeur Ib. Le courant d'émetteur du transistor Q3 est défini par :
    Figure imgb0005
  • C'est-à-dire, en combinant les équations (2) et (3) :
    Figure imgb0006
    On obtient ainsi dans le noeud A et en sortie du miroir M2 un courant
  • Is = le3 + Vbe/R = Vref/R - Vbe/βR = (1 - k/β)
    Figure imgb0007
    où k = Vbe/Vref.
  • Cette formule (5) est similaire à la formule (1) du courant Ic fourni par le circuit de la figure 1. Ainsi, le générateur selon l'invention de la figure 2 fournit un courant selon sensiblement la même précision que le générateur classique de la figure 1, mais présente les avantages suivants :
    • - il occupe notablement moins de surface de silicium car il est beaucoup moins complexe qu'un amplificateur opérationnel (on verra ci-après que les miroirs de courant comprennent 2 à 4 transistors chacun), et car il ne nécessite pas de capacité de compensation, et
    • - en choisissant un miroir M2 adéquat, dont on donnera un exemple ci-après, la borne S peut être soumise à une tension plus basse que la valeur minimum Vcesat+Vref du générateur de la figure 1.
  • Si l'on veut améliorer davantage la précision du courant de sortie Is, il faut réduire ou supprimer le terme perturbateur k/β introduit par le courant Ib2. Ceci peut être réalisé, comme cela est décrit en relation avec la figure 3, en remplaçant le transistor bipolaire Q2 par un transistor Darlington, ou par un transistor MOS ( figure 4 ) si la technologie de fabrication le permet.
  • La figure 3 illustre un autre mode de réalisation plus détaillé du générateur de courant selon la présente invention. On y retrouve des mêmes éléments qu'à la figure 2 désignés par des mêmes références. En plus de la borne de sortie de courant S, ce mode de réalisation comprend deux autres bornes S2 et S3. Le transistor bipolaire Q2 a été ici remplacé par un transistor Darlington Q2'.
  • Le miroir M1 représenté est un miroir classique du type Wilson qui est un miroir à transistors bipolaires proche de l'idéal. Le miroir comprend deux transistors PNP Q4, Q5 en série entre le collecteur du transistor Q1 et la tension d'alimentation Vcc et deux autres transistors PNP Q6, Q7 en série entre le collecteur du transistor Q3 et la tension d'alimentation Vcc. L'entrée du miroir M1 correspond à la base et au collecteur court-circuités du transistor Q4. La sortie du miroir correspond au collecteur du transistor Q6 dont la base est reliée à la base du transistor Q4. Le collecteur et la base du transistor Q7 sont court-circuités et reliés à la base du transistor Q5.
  • Le gain d'un transistor Darlington étant beaucoup plus grand que celui d'un transistor classique, de l'ordre de β2, son courant de base lb2 devient négligeable devant le courant Is.
  • Le miroir M2 comprend deux transistors NPN Q8 et Q9 à émetteurs reliés à la masse et dont les bases sont reliées ensemble. Le collecteur du transistor Q8 constitue l'entrée du miroir et il est relié au noeud A. Le collecteur du transistor Q9 constitue la sortie du miroir et est relié à la borne S. Des transistors supplémentaires Q10 et Q11 sont connectés de la même manière que le transistor Q9 respectivement à une borne de sortie S2 et à une borne de sortie S3. Le courant de base des transistors Q8 à Q11 est fourni par l'émetteur d'u transistor NPN Q12 dont le collecteur est relié à la tension d'alimentation Vcc et dont la base est reliée à l'émetteur du transistor Q2'. Le courant de base consommé par le transistor Q12 est négligeable devant Is, ce qui rend ce miroir proche de l'idéal.
  • Avec cette configuration, tous les transistors ayant le même gain β, les courants de collecteur IS2 et IS3 seront égaux au courant Is, c'est-à-dire Vref/R. En jouant sur le gain (la surface) des transistors Q10 et Q11, on pourra obtenir des courants de sortie IS2 et IS3 qui seront des fractions ou des multiples prédéterminés du courant Is. On pourra bien entendu rajouter d'autres transistors connectés comme les transistors Q10 et Q11 pour augmenter le nombre de sorties de courant.
  • Avec ce miroir de courant M2, la tension minimum sur les bornes S, S2 et S3 est égale à la tension Vcesat des transistors Q9 à Q11, c'est-à-dire environ 0,3 volt (au lieu de Vcesat+Vref dans le générateur de l'art antérieur).
  • La figure 4 illustre un mode de réalisation en technologie BICMOS d'un générateur selon la présente invention. On y retrouve des mêmes éléments qu'à la figure 2 désignés par des mêmes références. Le transistor Q2 a été remplacé par un transistor MOS à canal N Q2", d'où il résulte un courant lb2 nul et un courant Is exactement égal à Vref/R.
  • La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment, si l'on désire une source de courant à sens opposé, tous les transistors seront remplacés par leurs complémentaires, la masse et la tension Vcc étant alors interverties. La base du transistor Q12 peut être reliée au noeud A au lieu d'être reliée à la base du transistor Q3. Tous les transistors, notamment les transistors des exemples de miroirs de courant bipolaires, peuvent être remplacés par des transistors MOS correspondants, mais la stabilité en température sera alors moins bonne.

Claims (4)

1. Générateur de courant (Is), comprenant un premier transistor bipolaire (Q1) dont la base est reliée à un potentiel de référence (Vref) et l'émetteur à un premier potentiel d'alimentation (G) à travers une première résistance (R1), caractérisé en ce qu'il comprend :
- un premier miroir de courant (M1) dont l'entrée est reliée au collecteur du premier transistor (Q1) et dont la sortie est reliée à l'électrode de commande d'un deuxième transistor (Q2) ;
- un troisième transistor bipolaire (Q3) dont le collecteur est relié à la sortie du premier miroir de courant, dont la base est reliée, d'une part, à une électrode principale du deuxième transistor (Q2) et, d'autre part, à une borne d'une deuxième résistance (R2) dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du troisième transistor (Q3) ; et
- un deuxième miroir de courant (M2) dont l'entrée est reliée à l'émetteur du troisième transistor (Q3) et dont la sortie (S) fournit ledit courant (Is).
2. Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième miroir de courant (M2) comprend un quatrième transistor (Q8) dont le collecteur constitue l'entrée du miroir, et dont l'émetteur est relié au premier potentiel d'alimentation (G) ; au moins un cinquième transistor (Q9) connecté en parallèle sur la base et l'émetteur du quatrième transistor (Q8) et dont le collecteur fournit ledit courant (Is) ; et un sixième transistor (Q12) dont l'émetteur est relié à la base du quatrième transistor (Q8) et dont la base est reliée, soit à la base, soit à l'émetteur du troisième transistor (Q3).
3. Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième transistor (Q2) est choisi parmi : un transistor MOS, un transistor bipolaire, ou un transistor Darlington.
4. Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier miroir de courant (M1) est un miroir du type Wilson.
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