BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 1/18. Les Miroirs de Courant CHAPITRE 5: Circuits Analogiques

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1 Circuits Analogiques CHAPITRE 5: Les Miroirs de Courant BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 1/18

2 Objectifs A la fin de ce chapitre, vous devez être capable: D expliquer le principe et les limitations du miroir de courant D expliquer le principe et l intérêt de la charge active dans le cas général D expliquer l intérêt de la charge active dans le cas d un amplificateur différentiel BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 2/18

3 Sommaire 1. Principe du miroir de courant 2. Miroir à branches multiples 3. Ajustement du courant recopié 4. Les sources d erreur 5. Utilisation en charge active 6. Points clé 7. Exercices BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 3/18

4 1. Principe du miroir de courant Objectif: réaliser de multiples sources de courant à partir d un courant unique (référence) Idée de base: deux transistors identiques ayant une même tension de commande VBE (ou VGS) sont parcourus par le même courant de collecteur IC (ou de drain ID) charge Comment obtenir de multiples recopies du courant? IC2=IC1= Comment ajuster la valeur du courant recopié? IC1= Comment réduire les erreurs de recopie? Q2 Q1 IB=0 IB=0 VBE BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 4/18

5 Sommaire 1. Principe du miroir de courant 2. Miroir à branches multiples 3. Ajustement du courant recopié 4. Les sources d erreur 5. Utilisation en charge active 6. Points clé 7. Exercices BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 5/18

6 Qnp 2. Miroir à branches multiples Il suffit de multiplier les transistors connectés sur le transistor de référence Q1 VCC VDD Q3p Q2p Q1p Mnp M3p M2p M1p Qnn Q3n Q2n Q1n Mnn M3n M2n M1n Version bipolaire Version MOS BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 6/18

7 Sommaire 1. Principe du miroir de courant 2. Miroir à branches multiples 3. Ajustement du courant recopié 4. Les sources d erreur 5. Utilisation en charge active 6. Points clé 7. Exercices BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 7/18

8 3. Ajustement du courant recopié Par mise en parallèle Par résistance de dégénérescence N en parallèle N x R R2 Q2x Q2b Q2a Q1 Q2 Q1 R2 R1 En utilisant des transistors différents AE Q2 = α AE Q1 α C B E AE Is Q2 = α Is Q1 Q2 Q1 α BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 8/18

9 Sommaire 1. Principe du miroir de courant 2. Miroir à branches multiples 3. Ajustement du courant recopié 4. Les sources d erreur 5. Utilisation en charge active 6. Points clé 7. Exercices BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 9/18

10 4. Les sources d erreur Le transistor Q2 n est pas une source idéale IC I charge Q1,Q2 go = 0 VCE IC2= + I VCE Q1 VCE Q2 IC1= VCE Q2 Q2 Q1 VCE Q1 BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 10/18

11 4. Les sources d erreur Les courants de base ne sont pas nuls Q2x IB Q2b IB Q2a IB (N+1)IB IB Q1 -(N+1)IB -(N+1)IB -(N+1)IB -(N+1)IB VCC Remède: ( N + 1) IB β ( N + 1) IB β (N+1)IB Q1 N transistors connectés IC Q1 or, c est le courant de collecteur qui est recopié Ce problème n existe pas avec les MOS BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 11/18

12 Sommaire 1. Principe du miroir de courant 2. Miroir à branches multiples 3. Ajustement du courant recopié 4. Les sources d erreur 5. Utilisation en charge active 6. Points clé 7. Exercices BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 12/18

13 Ve 5. Utilisation en charge active Le problème de la charge résistive VCC AV = - 40 Rc IC Rc polarisation optimale: VCE VCC / 2 AV = - 40 (VCC - VCE) = - 20 VCC Vs AV =-1000 VCC = 50V!!!! Il faut pouvoir combiner: Faible chute de tension en continu (DC) Forte valeur de Rc en petits signaux (AC) BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 13/18

14 5. Utilisation en charge active Principe de la charge active Equivalent de Q2 VCC IC = Cte Req = 1/go Chage active Q2 Q2ref IC Q2 Vs DC AC Ve Q1 IC = Cte Req = 1/go Transistor de gain Forts gains réalisables sous faible tension VCC g m Q1 Av Q ( go Q1 + go Q2 ) 40 IC Q VA = = indépendant de VCC!! IC Q2 IC Q VA Q1 VA Q BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 14/18

15 5. Utilisation en charge active Conversion différentiel vers single-ended*: cas du mode différentiel VCC Q2a Q2b Sans charge active: Iout = i i 2 i i Iout - i Q1a Q1b +Vd/2 -Vd/2 Avec charge active: Iout = 2 i Gain différentiel doublé IEE VSS * Single-ended: tension référencée à la masse BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 15/18

16 5. Utilisation en charge active Conversion différentiel vers single-ended: cas du mode commun VCC Q2a Q2b α i (α-1) i i Iout i Dispersions entre Q2a et Q2b: mode commun non nul d où l importance de la qualité du générateur IEE (REE>>) Vmc Q1a Q1b Vmc REE IEE VSS BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 16/18

17 6. Points clé Le miroir de courant est basé sur la recopie du VBE issu d un transistor polarisé à un courant donné (référence) vers de multiples transistors (utilisation). La valeur exacte du VBE importe peu, l appariement des transistors est primordial. Dans le cas de recopies multiples, il est nécessaire de compenser les erreurs dues aux courants de base. Il est possible d obtenir des courants recopiés différents du courant de référence par mise en parallèle de transistors, modulation des aires d émetteur ou dégénérescence par résistance d émettéur. La résistance de charge dans le collecteur (drain) d un transistor peut être remplacée par un miroir de courant qui polarise le dispositif et constitue une charge active. La charge active permet de décorréler les régimes de polarisation et de signal, offrant ainsi la possibilité d obtenir un fort gain sous une faible tension d alimentation. Du fait du fort gain réalisé et des dispersions dans les composants, un étage avec charge active nécessite la mise en oeuvre d une régulation du point de repos et ne peut être utilisé seul en pratique. Les miroirs de courant permettent aussi de réaliser une conversion différentiel vers single-ended tout en conservant le gain nominal de la paire différentielle. BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 17/18

18 7. Exercices 1: D6.40 p570 du SEDRA-SMITH (dernière question optionnelle) 2: D6.50 p571 du SEDRA-SMITH 3: 6.43 p570 du SEDRA-SMITH 4: Retrouvez l expression du gain Av (rbb =0) AN: Ic=1mA, VA=100V, β=100 5: Proposer un circuit pour réaliser la source IEE d une paire différentielle 6: Redessiner la paire différentielle du transparent 16/18 en technologie CMOS (on dispose de NMOS et de PMOS) BRS - N3/U3 - Sept Les miroirs de courant 18/18