FR2801116A1 - Dispositif generateur de tension corrige a basse temperature - Google Patents
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Abstract
Dispositif générateur de tension constante corrigé à basse température comprenant : . un générateur de tension de référence (110),. un amplificateur (126) connecté entre le générateur de tension de référence et une borne de sortie,. un diviseur de tension (130) et relié à une entrée de l'amplificateur pour fournir à l'amplificateur une tension de contre-réaction, Conformément à l'invention le diviseur comprend au moins une première résistance (132) en série avec un élément (150) présentant, au moins dans ladite gamme de températures basses, une impédance avec un comportement de dépendance en température différent de celui de ladite première résistance de façon à fournir une contre-réaction plus faible dans ladite gamme de températures basses.
Description
DISPOSITIF GENERATEUR DE TENSION CORRIGE A BASSE
TEMPERATURE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif générateur de tension constante, corrigé à basse température, et plus particulièrement un tel dispositif incluant un générateur de tension de
référence de type " band-gap ".
On entend par générateur de type " band-
bap " un générateur présentant une tension sensiblement linéaire, et en particulier constante avec la température. Un tel générateur met à profit une dépendance en température de la tension existant aux bornes d'une ou de plusieurs jonctions de semiconducteurs. La dénomination " band-gap " provient du fait que cette tension est fonction de la largeur de la bande interdite (band-gap) du ou des semiconducteur(s).
Tout comme les générateurs de type " band-
gap ", le dispositif de l'invention trouve des applications dans les domaines de la microélectronique et de l'électronique intégrée. A titre d'exemple, le dispositif de l'invention peut être utilisé comme générateur de tension de consigne pour un convertisseur analogique- numérique ou pour des systèmes superviseurs
de tension d'alimentation et de batteries.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les générateurs de tension de référence et en particulier les générateurs de type band-gap ne sont généralement pas en mesure de débiter des courants forts. Aussi, ces générateurs sont-ils souvent associés à un amplificateur, de façon à former un dispositif capable de fournir un courant plus important à tension constante. Un tel dispositif est illustré
schématiquement par la figure 1.
Sur ce schéma, la référence 10 désigne un
générateur de tension de référence de type " band-
gap ". La description détaillée d'un tel générateur
n'est pas donnée ici dans la mesure o de tels générateurs sont bien connus en soi. On peut se reporter à titre d'illustration, par exemple, au document (1), du même inventeur, dont la référence est
précisée à la fin de la description.
Le générateur de tension de référence 10, est connecté entre une borne de masse 22 et une entrée d'un amplificateur. Dans l'exemple de la figure, l'amplificateur 10 est connecté à une entrée non inverseuse 24+ d'un amplificateur opérationnel 26. Dans la suite du texte, la tension délivrée par le
générateur de tension de référence est notée VREF.
La tension délivrée par le dispositif générateur de tension constante complet est disponible en une borne de sortie 28 de l'amplificateur et est
notée VOUT.
Un pont diviseur 30 est formé d'une première résistance 31 de valeur R1 en série avec une deuxième résistance 32 de valeur R2. Il est connecté entre la borne de sortie 18 et la borne de masse 22. Un noeud 34, entre les première et deuxième résistance est reliée à l'entrée non inverseuse 24de l'amplificateur 26, pour y délivrer la tension divisée en tant que
tension de contre réaction (feedback).
La tension de sortie VOUT disponible est telle que:
R1 + R2
VOUT = VREF. R + R2
R2
soit VOUT = VREF.-1 + R (équation (1)).
R2 Le générateur de tension de référence 10 peut être ajusté pour que la tension VREF soit sensiblement constante avec la température dans une gamme de température assez large. Toutefois, on observe que la valeur VREF de la tension de référence présente un défaut de linéarité dû à un terme de deuxième ordre du développement en température, qui se caractérise par
un comportement en température dit " en cloche ".
Ce comportement est illustré par la figure 2 qui indique, en échelle arbitraire, la valeur de la tension VREF, en ordonnée, en fonction de la
température, reportée en abscisse.
On peut observer que le comportement en cloche se manifeste notamment par une inflexion négative de la courbe de tension pour des températures faibles. Une telle inflexion se produit aussi pour des
températures élevées.
La figure 2 indique également la valeur de
la tension de sortie VOUT du dispositif complet. Celle-
ci reproduit, à une translation près, le comportement en cloche de la tension VREF. Ce comportement de la tension de sortie VOUT peut être expliqué par l'évolution identique avec la température des première et deuxième résistances qui présentent sensiblement les mêmes coefficients de température. En d'autres termes, le rapport R2 dans l'équation (1) reste constant quelle R1
que soit la température.
Le défaut de linéarité du deuxième ordre du générateur de tension de référence (VREF) et de la tension de sortie (VouT) du dispositif générateur de tension complet, est finalement répercutée sur les appareils qui sont équipés d'un tel dispositif, et qui sont susceptibles de fonctionner, non seulement à des températures ambiantes, mais aussi dans une gamme de
températures basses.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention a pour but de proposer un dispositif générateur de tension pour lequel le défaut de linéarité du deuxième ordre évoqué ci-dessus est
corrigé, notamment à basse température.
Pour atteindre ce but, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif générateur de tension constante, corrigé à basse température, comprenant: + un générateur de tension de référence présentant dans une gamme de températures basses un défaut de linéarité du deuxième ordre, + un amplificateur connecté entre le générateur de tension de référence et une borne de sortie, + un diviseur de tension, connecté à la borne de sortie et relié à une entrée de l'amplificateur pour fournir
à l'amplificateur une tension de contre-réaction.
Conformément à l'invention, le diviseur de tension comprend au moins une première résistance en série avec un élément présentant, au moins dans ladite gamme de températures basses, une impédance avec un comportement de dépendance en temperature différent de celui de la première résistance, de façon à fournir une contre-réaction plus faible dans ladite gamme de températures basses, et une contre-réaction plus forte
en dehors de ladite gamme.
L'élément en série avec la première résistance peut être un élément passif, tel que, par exemple, une deuxième résistance présentant un coefficient de température différent de celui de la
première résistance.
Selon une autre possibilité, le diviseur de tension peut aussi comporter au moins un élément actif dont la caractéristique avec la température est
différent de celui de la résistance.
Grâce à ces caractéristiques le diviseur de tension produit une tension de contre-réaction qui varie avec la température et qui permet de corriger partiellement ou totalement le comportement en
" cloche " du générateur de référence.
La valeur de la première résistance du diviseur, de même que les caractéristiques du générateur de tension référence peuvent être ajustés de
telle façon à obtenir une correction optimale.
En particulier, la pente, et donc le terme du premier ordre de dépendance en température de la tension de référence délivrée par le générateur de tension de référence, peuvent être ajustés de telle façon que la tension de référence soit constante avec la température, aux erreurs de linéarité des deuxième
et troisième ordres près.
La première résistance du diviseur de tension peut présenter une valeur qui est ajustée en fonction du défaut de deuxième ordre du générateur de tension de référence, de façon à obtenir à la borne de sortie, une tension quasi-constante avec la température
(il ne reste que le troisième ordre).
Selon une réalisation particulière du dispositif, dans lequel l'élément en série avec la première résistance est actif, celui-ci peut comporter un ou plusieurs transistors bipolaires. Le ou les transistors sont alors connectés en série avec la première résistance du diviseur de tension par les bornes de collecteur et d'émetteur. Ils sont par ailleurs polarisés pour fonctionner en régime saturé pour des températures supérieures ou égales aux
températures de la gamme de température basse.
Bien que l'élément actif puisse comporter plusieurs transistors en chaîne ou en parallèle, la
description qui suit se réfère, pour des raisons de
simplification, à un seul de ces transistors.
Le caractère non-linéaire en température du transistor bipolaire, mis à profit dans le cas de la réalisation évoquée ci-dessus, tient au fait qu'un transistor bipolaire alimenté à courant de collecteur constant présente une saturation plus forte lorsque sa
température de fonctionnement est plus grande.
Idéalement, le transistor peut être polarisé de façon à se trouver à la limite du régime de saturation dans la gamme de températures basses, et de façon à être fortement saturé lorsque la température
est supérieure à la gamme de températures basses.
La gamme de températures basses considérée
est, par exemple, comprise entre -60 C et +25 C.
D'autres gammes de températures peuvent être prises en compte en modifiant de façon correspondante la
polarisation du transistor.
La polarisation du transistor bipolaire peut faire appel, par exemple, à une source de courant, qui est connectée à sa base et qui fixe son point de fonctionnement. Lorsque plusieurs transistors sont utilisés comme élément non-linéaire, les bases de l'ensemble de ces transistors peuvent être pilotées par la source de courant. D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront de la description qui va
suivre en référence aux figures des dessins annexés.
Cette description est donnée à titre purement
illustratif et non limitatif.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique simplifiée d'un dispositif
générateur de tension de type connu.
La figure 2, déjà décrite, est un graphique indiquant en échelle arbitraire, l'évolution de la tension délivrée par un générateur de tension de référence et par le dispositif complet de la figure 1,
en fonction de la température.
La figure 3 est une représentation schématique amplifiée d'un dispositif générateur de
tension conforme à l'invention.
La figure 4 est un graphique indiquant, en échelle arbitraire, l'évolution de la tension délivrée
par le dispositif de la figure 3.
La figure 5 est une représentation schématique simplifiée d'une réalisation particulière
du dispositif de l'invention.
La partie A de figure 6 est un graphique indiquant, pour différentes températures, les caractéristiques du courant de collecteur en fonction d'une tension émetteur-collecteur d'un transistor
bipolaire utilisé dans le dispositif de la figure 5.
La partie B de la figure 6 est un graphique
indiquant les variations de la tension émetteur-
collecteur du transistor bipolaire de la figure 5, en
fonction de sa température de fonctionnement.
EXPOSE DÉTAILLE DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 3 montre de façon simplifiée les principaux éléments d'un dispositif générateur de
tension constante conforme à l'invention.
Sur cette figure, des parties identiques, similaires ou équivalentes à celles de la figure 1 portent les mêmes références auxquelles on a ajouté 100.
La description détaillée de ces parties
n'est pas reprise ici, mais il est possible de se
reporter à la description qui précède en relation avec
la figure 1.
On peut observer que le pont diviseur 130 comporte toujours une première résistance 132 qui relie la borne de masse 122 à l'entrée inverseuse 124 de l'amplificateur 126. La première résistance est cependant reliée en un noeud 134 à un élément 150; en série entre la borne de sortie 128 et la borne de masse 122. Conformément à l'invention, l'élément 150 présente une impédance avec un comportement de dépendance en température différent de celui de la première résistance. Dans la suite du texte l'impédance de l'élément 150 est notée Rx et la tension à ses bornes
est notée Vx.
En considérant que l'amplificateur 126 est un amplificateur opérationnel idéal, on peut noter:
VOUT = VREF + VX
soit
VOUT = VREF.-l + RX.
R1 Cette expression est à rapprocher de
l'équation (1) donnée en référence à la figure 1.
Toutefois, il convient de noter que, contrairement au rapport R2 de l'équation (1), qui R1 reste constant, le rapport - varie avec la R1 température en raison de la différence des
comportements de dépendance en température.
En particulier la valeur Rx diminue moins rapidement que la valeur R1 lorsque la température décroît. La tension Vx, apportée par les éléments Rx et R1 de contre réaction tend ainsi à diminuer moins rapidement lorsque la température décroît, et en particulier dans une gamme de températures basses,
comme cela apparaîtra plus loin dans la description.
Cette contribution de la contre réaction dans le comportement en température permet de compenser au moins en partie le défaut de linéarité du générateur de tension de référence 110. La compensation peut être ajustée en fonction du générateur de référence 110, notamment en modifiant la valeur R1 de la première résistance 132. La tension de référence VREF (élément ) développée en température, présente un terme du premier ordre et un terme du deuxième ordre. Il en va
de même pour la tension Vx en raison du rapport Rx/Rl.
En agissant sur R1, il est possible de modifier les coefficients du premier et du deuxième ordres (ensembles) de Vx de façon à compenser, voire annuler, le terme du deuxième ordre de VREF. (En agissant sur la résistance ajustable 215 de la figure 5 décrite ultérieurement, il est possible d'agir seulement sur le premier ordre de VREF pour compenser le premier ordre trouvé de Vx). La figure 4 indique en échelle arbitraire, et en fonction de la température, la tension de sortie VOUT délivrée par le dispositif de la figure 3 en sa borne de sortie 128. La tension de sortie est indiquée
par un trait plein.
A titre de comparaison, la tension de sortie délivrée par un dispositif conforme à la figure
1 est reportée en trait discontinu.
On constate que le dispositif de l'invention permet de maintenir une tension sensiblement constante dans une gamme de températures basses, en corrigeant, pour ces températures, le comportement " en cloche ", mis en évidence à la figure 2. Selon un exemple chiffré, des variations de la tension VOUT pour une excursion de température entre -40 C et 85 C est de l'ordre de 3 mV avec un dispositif de l'art antérieur conforme à la figure 1. Cette variation de VOUT peut être limitée à 1,5 mV avec le dispositif de l'invention conforme à la figure 3, pour
la même valeur nominale de la tension de sortie.
La figure 5 décrite ci-après correspond à une réalisation particulière du dispositif de la figure 3, dans lequel un élément non-linéaire est formé pour
l'essentiel par un transistor bipolaire de type pnp.
Sur cette figure, des éléments équivalents à ceux de la figure 3 portent les mêmes références
auxquelles on a encore ajouté 100.
L'amplificateur 226 est simplement indiqué avec un transistor 227 qui en forme l'étage de sortie. L'étage d'entrée de l'amplificateur est formé par un transistor d'entrée 211 qui est commun à l'amplification et à un générateur de tension de
référence 210.
Le générateur de tension de référence comporte un générateur de tension 212 délivrant une tension notée AVBE, et aux bornes duquel est connectée une première résistance 213, dite de référence, et
ayant une valeur RB-
Le générateur de tension 212 n'est pas décrit ici de façon détaillée dès lors que sa structure est en elle-même connue dans l'état de la technique. On peut se référer, par exemple, au document (1) évoqué
dans la partie introductive de la description.
Le générateur 212 et la première résistance de référence 213 sont en série avec une deuxième résistance de référence 214, de valeur RA et une résistance ajustable 215 de valeur Rc. Les résistances sont connectées entre l'émetteur du transistor d'entrée
211 et la borne de masse 222.
L'ensemble formé par le générateur de tension 212, les résistances 213, 214, 215 et le
transistor 211 forment un générateur de type "band-
gap". La tension de référence VREF délivrée par le générateur de tension de référence 210 est donc telle que:
VREF = VBE211 + AVBE. RA + R + RC
RB Dans cette expression VBE211 est la tension
base-émetteur du transistor d'entrée 211.
La tension VREF est donc entièrement définie par la polarisation du transistor d'entrée 211 qui
dépend des valeurs de AVBE, RA, RB et Rc.
Le comportement en température de VREF peut être modifié en ajustant la valeur Rc de la résistance ajustable 215. Le comportement est sensiblement linéaire, aux défauts de linéarité près (" en
cloche ").
La référence 229 désigne de façon générale une boucle de contre-réaction qui relie la borne de sortie 218 de l'amplificateur 226 à une borne d'entrée
214 constituée par la base du transistor d'entrée 211.
La boucle de contre-réaction 229 comprend un diviseur de tension 230 avec une résistance 232 en série avec un transistor bipolaire 250 qui constitue ici un élément actif à coefficients de dépendance en
température différents de ceux de la résistance 232.
L'émetteur du transistor 250 est relié à la borne de sortie 218 et son collecteur est relié à la résistance 232 par l'intermédiaire d'un neud 234, connecté à l'entrée 214 de l'amplificateur 226. La résistance 232 relie le noeud 234 à la borne de masse 222. En agissant sur la valeur de Rc et sur la valeur de la résistance 232, il est possible de compenser, c'est-à-dire sensiblement annuler les premier et deuxième termes d'un développement en température de la tension de sortie VOUT. Une source de courant 260, construite autour de quatre transistors 261, 262, 263, 264 et d'une résistance 265, est alimentée entre la borne de sortie 218 et la borne de masse. La source de courant 260 est connectée à la base du transistor bipolaire 250 selon un montage de type miroir de courant qui permet de fixer un courant de base déterminé. Ce courant est fixé pour faire fonctionner le transistor 250 en régime saturé. Le caractère nonlinéaire de la tension VCE du transistor est illustré par les parties A et B de la
figure 6, décrites ci-après.
La partie A indique en ordonnée les valeurs du courant de collecteur du transistor 250, du diviseur de tension, exprimé en 10-6 Ampère, en fonction de la
tension émetteur-collecteur (VEc) exprimée en Volt.
Trois courbes 301, 302, 303 sont représentées et correspondent respectivement à la caractéristique du transistor 250 pour des températures
de -60 C, +50 C et +160 C.
Trois points de fonctionnement 311, 312 et 313 sont considérés pour un courant Ic fixé par la source de courant. On constate que le courant Ic n'est pas rigoureusement identique pour les différentes températures. Ses variations sont cependant suffisamment faibles et linéaires pour pouvoir être
négligées en première approximation.
Les points de fonctionnement sont fixés par le courant de base du transistor, de telle façon que le point de fonctionnement 311 à une température de -60 C est à la limite de la zone de saturation du transistor 250. Les autres points de fonctionnement, correspondant à des températures plus élevées, sont dans des zones de
forte saturation du transistor.
La partie B de la figure 6 montre l'évolution de la tension émetteurcollecteur (VEC) du transistor 250 en fonction de la température. L'échelle des tensions de la partie B est identique à celle de la partie A et les tensions correspondant aux points de
fonctionnement 311, 312 et 313 y sont reportés.
La partie B de la figure 6 permet de mettre en évidence l'évolution nonlinéaire de la tension aux bornes du transistor 250 en fonction de la température,
pour un courant constant en première approximation.
Cette évolution non-linéaire est mise à profit, grâce à l'invention pour corriger le défaut de linéarité du second ordre (c'est-à-dire le deuxième ordre du développement en température) du générateur de
tension de référence 210.
Cette correction peut être ajustée finement en modifiant les valeurs R1 et Rc de la première résistance dans le diviseur de tension et dans le
générateur de tension de référence.
Document cité:
(1) FR-A-2 767 207
Claims (8)
1. Dispositif générateur de tension corrigé à basse température comprenant: # un générateur de tension de référence (110, 210) présentant dans une gamme de températures basses un défaut de linéarité, + un amplificateur (126, 226) connecté entre le générateur de tension de référence et une borne de sortie (128, 228), + un diviseur de tension (130, 230), connecté à la borne de sortie et relié à une entrée de l'amplificateur pour fournir à l'amplificateur une tension de contreréaction, caractérisé en ce que le diviseur comprend au moins une première résistance (132, 232) en série avec un élément (150, 250) présentant, au moins dans ladite gamme de températures basses, une impédance avec un comportement de dépendance en température différent de celui de ladite première résistance de façon à fournir une contre- réaction plus faible dans ladite gamme de
températures basses.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit élément (150) est une deuxième résistance avec un coefficient de température différent
de celui de la première résistance.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit élément (250) présente au moins dans la gamme de températures basses un comportement en
tension non-linéaire avec la température.
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la première résistance (132, 232) du diviseur de tension présente une valeur ajustée en fonction du défaut de linéarité du générateur de tension de référence (110, 210), de façon à obtenir à la borne de sortie une tension sensiblement linéaire avec la température.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le générateur (210) de type " band-gap " est ajusté pour délivrer une tension sensiblement
linéaire avec la température.
6. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'élément actif (250) comprend au moins un transistor bipolaire connecté en série avec la première résistance du diviseur de tension par ses bornes de collecteur et d'émetteur, le transistor étant polarisé pour fonctionner en régime saturé pour des températures supérieures ou égales aux températures de la gamme de
température basse.
7. Dispositif selon la revendication 6, comprenant une source de courant (260), connectée à la base du transistor bipolaire pour fixer un point de
fonctionnement du transistor.
8. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la gamme de températures basses est comprise
entre -60 C et +25 C.
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