Augmentation du courant de sortie : étude du buffer

Afin que le régulateur puisse fournir des courants de l'ordre de 20 mA à la charge, il est nécessaire d'ajouter un transistor buffer à la suite de l'étage de gain (Figure 3.1). Dans ce paragraphe, les analyses présentées vont justifier le type de transistor choisi pour réaliser le

buffer (section 3.2.1.1), ainsi que l'influence de ses dimensions sur le régulateur (section 3.2.1.2). Ces deux aspects sont illustrés à la Figure 3.11 qui situe le problème : PMOS ou NMOS pour le type de transistor, et la valeur du facteur multiplicatif a. En effet, le logiciel de simulation propose, par défaut, des transistors de dimensions (W/L)0=500nm/180nm. En considérant que le buffer est un gros transistor de taille ×500nm/180nm, la question revient à trouver la valeur de a.

Figure 3.11 Schéma bloc du buffer

3.2.1.1 Type de MOSFET utilisé comme buffer

La tension _{_} est connectée à la grille du buffer. En rétroaction, elle s'ajuste pour que la tension grille-source du buffer lui permette de fournir le courant demandé par la charge. Cela s’applique à un transistor de type NMOS ou à un transistor de type PMOS. Pour déterminer lequel de ces transistors est le meilleur candidat, il faut faire une analyse basée sur le cas critique à =20 mA, avec =1.4V. Dans le cas d'un transistor de type NMOS, la source étant connectée à la sortie, il faut que la tension _{_} soit suffisamment grande pour que le buffer débite des courants tels que 20 mA (Figure 3.12).

Or, la tension _{_} ne peut prendre que les valeurs délimitées par l'équation (3.4) pour conserver le fonctionnement linéaire du montage. En particulier, selon la Figure 3.12 et étant donné =1.8V et =1.4V, la tension maximale grille-source du buffer NMOS est donnée par l'équation (3.13) :

_ = 0.4 − | | − | | (3.13)

Figure 3.12 Cas d'un transistor NMOS comme buffer

_ est très faible. Cela montre que le transistor NMOS dans ce montage serait incapable de fournir un courant de l’ordre de 20 mA, à moins d’une dimension ( ⁄ ) démesurément grande8_{, ce qui impliquerait des problèmes d’ordre pratique relatifs à la} surface de la puce, aux capacités intrinsèques élevées ou la sensibilité aux variations des paramètres du procédé de semi-conducteur, etc.

À l'inverse, dans le cas d'un transistor de type PMOS (Figure 3.13), la source étant connectée au potentiel le plus haut du circuit, il faut que la tension _{_} soit suffisamment basse pour que le buffer débite de tels courants. Or la tension de grille _{_} ne peut prendre que les valeurs délimitées par l'équation (3.4) pour conserver le fonctionnement linéaire du montage, ce qui ne cause donc pas de problème au niveau de la valeur basse nécessaire pour

_ . Une autre considération avantageuse est que la tension maximale grille-source du buffer PMOS est donnée par l'équation (3.14) :

_ = 1.8 − − (3.14)

_ est donc suffisamment élevé pour que le buffer débite les courants escomptés vers la charge, sans qu’il soit surdimensionné. Par ailleurs, l'analyse du circuit en rétroaction montre qu'une baisse de _ est cohérente avec une augmentation du courant (section 3.4.1).

Figure 3.13 Avantages du PMOS comme buffer

En conclusion, le transistor PMOS se trouve être le meilleur buffer dans notre régulateur, au vu de son aptitude à débiter les courants de charge souhaités, avec des dimensions raisonnables, tout en agissant en accord avec les tendances de variation des différents points de tension lors de la régulation.

3.2.1.2 Compromis sur la taille du buffer

Pour étudier l'influence du buffer sur le régulateur, examinons l'aspect DC à travers la définition du courant de drain, l'aspect dynamique avec la réponse en fréquence et l'aspect du layout.

Concernant l'aspect DC :

Selon les équations (1.10) à (1.14), lorsque le buffer fonctionne dans la zone de saturation, l'intensité de son courant de drain est donnée par l'équation (3.15) :

=

2 − _ − | | (3.15)

Pour une intensité de courant donnée, la variation de _{_} dépend de la grandeur de , donc de la dimension ( ⁄ ) . Selon (3.15) plus la dimension ( ⁄ ) est grande, moins l’écart entre et _{_} en fonction de sera grand, et vice-versa. Si le buffer fonctionne plutôt dans la zone triode, l'intensité de son courant est donnée en appliquant l’équation (1.7) au cas du buffer. Nous obtenons ainsi l'équation (3.16) :

= | | − _ − | | −

| |

2 (3.16)

Même si l'équation (3.16) tient compte de | |, le même raisonnement que celui d'un buffer polarisé dans sa zone de saturation est applicable, puisque | | est supposé pratiquement constant autour de 0.4V lorsque l’ampli-op fonctionne en rétroaction. L’écart entre et _ est ainsi d'autant plus faible que la dimension ( ⁄ ) est grande, tout comme dans le cas d'une polarisation du buffer dans la zone de saturation. On peut conclure qu'un buffer de taille suffisamment grande est capable de débiter les courants souhaités, tout en minimisant l'erreur statique à l'entrée de l'amplificateur opérationnel (voir aussi section 3.4.4.3).

Concernant l'aspect dynamique et la fabrication :

La Figure 1.14 montre les capacités parasites associées à un transistor MOS aux hautes fréquences. Avec un buffer de grandes dimensions, les capacités de jonctions augmentent ( principalement), ce qui accentue l'effet parasite en hautes fréquences. Par ailleurs, un tel buffer occupe beaucoup d'espace sur la puce.

En conclusion, un compromis s'impose. La tension _{_} doit être suffisamment faible pour que le buffer débite aisément des courants de l’ordre de 20 mA, avec des dimensions réduites permettant de préserver la surface de la puce, de limiter les parasites hautes

fréquences, et de minimiser l'erreur statique. Elle doit en même temps être suffisamment grande pour fournir une bonne dynamique de feed-back et préserver le gain en boucle ouverte.