Plage de fonctionnement linéaire et performances du Recycled-FC

+ + | | − | | ≤ ≤ − | | − | | − | | − 2| | ≤ ≤ − | | − | | − | | 4 + 12+ ≤ ≤ 4 + 2 + + ≤ ≤ − | | − | | + 4 + −| | ≤ _ ≤ −| 0|−| 1 |−| | + ≤ ≤ − | | − | | (3.11)

En rassemblant les contraintes qui placent tous les transistors du montage dans la zone de saturation, nous définissons de fait ce qu'on peut appeler la plage de fonctionnement linéaire (PFL), caractérisée par la série d'équations d’inégalités (3.11). La PFL comporte trois propriétés intéressantes dans le cadre de la régulation. Tout d'abord, elle maintient une stabilité de la plage dynamique de rétroaction ( _ ) sur une large plage de tensions _ (section 3.1.4.1). Ensuite, elle est favorable à une diminution du courant de

polarisation (section 3.1.4.2) et une augmentation du courant de sortie (section 3.1.4.3), deux aspects essentiels au regard de la problématique de recherche.

3.1.4.1 Comportement de Vout_RFC vis-à-vis de Vin_CM

Le potentiel _{_} a une grande influence sur la régulation. Du point de vue DC, il constitue la plage dynamique à la sortie de l’étage de gain, ainsi que la tension de grille du buffer, qui détermine l’intensité du courant que peut fournir le régulateur. Par ailleurs, il influence l’état des transistors M4a, M6, M8 et M10. En maintenant ces transistors dans leur zone de saturation, il favorise la linéarité du gain en boucle ouverte et le bon fonctionnement de la charge active. L’analyse suivante permet de développer ces aspects.

Figure 3.9 Allure théorique de la variation de Vout_RFC en fonction de Vin_CM

③

La Figure 3.9 présente les différents états possibles _{_} en fonction de _{_} . Quatre des potentiels concernés par la PFL sont fixes : , , et . Les deux autres potentiels varient dépendamment des entrées, de la charge ou de la dynamique du feed-back. Étant donné la présence des miroirs de courants NMOS et le fait que les transistors M1a/ M1b et M2a/M2b sont des paires de transistors aux mêmes dimensions et de

même polarisation, la répartition des courants dans chacun de ces transistors est uniforme autour de ⁄ . Toute variation de 2 _{_} (tension d’entrée en mode commun) est suivie d'une variation du potentiel , qui maintient le transistor M0 en saturation tant que la condition (3.7) est respectée. Il délivre un courant 2 . Avec l’effet miroir K=3, la charge active (M7 à M10, Figure 3.2) délivre un courant dans chaque branche. De par la symétrie du montage, la tension _ est égale à la valeur de qui correspond au courant . Elle reste fixe tant que le transistor M0 reste polarisé en région de saturation, c'est-à-dire tant que la source délivre un courant 2 et que la charge active délivre un courant .

②

Pour des valeurs de _{_} inférieures à _{_} , les transistors M1b et M2b vont entrer en mode triode avant M1a et M2a (section 3.1.2.1). Dans ces conditions, le courant baisse dans les transistors M1b/M2b, et augmente dans les transistors M1a/M2a. Le courant dans le transistor M3a/M4a baisse dans une proportionnalité 3 : 1 par effet miroir. Le courant dans M1a/M2a quant à lui augmente dans une proportionnalité simple. Ces deux tendances contribuent à diminuer le courant dans les deux branches du miroir PMOS, ce qui cause une augmentation de _{_} au fur et à mesure que _{_} baisse. Lorsque M1a/M2a entrent aussi en triode, les courants dans ces transistors baissent à leur tour, mais la tension _{_} continue d'augmenter.

①

Lorsque la tension _ augmente (avec _ décroissant), le miroir de courant PMOS se rapproche du blocage avec le fait que M8 et M10 sortent de la région de saturation. Il se bloque lorsque − _{_} ≤ (| | + | |). Avec l’absence du courant dans la branche, _{_} n'augmente pratiquement plus.

④

Pour des tensions _ supérieures à _ , le transistor M0 entre en triode. Son courant devient inférieur à 2 . Le courant de polarisation dans les transistors M1a, M1b, M2a et M2b devient inférieur à /2, causant une diminution du courant dans les transistors M3a/M4a. Le courant diminue ainsi dans la charge active PMOS, ce qui se traduit par une augmentation de _{_} à mesure que _{_} augmente.

En conclusion, la tension _{_} reste constante vis-à vis des variations de _{_} dans la PFL. Cette propriété contribue à l’efficacité de l’ampli-op, qui opère une polarisation efficace du buffer (section 3.4.4.3). De plus, avec une valeur minimale d’environ 0.2V, la PFL permet de choisir des tensions de référence très faibles, ce qui est un avantage pour l’opération à bas voltage du régulateur.

3.1.4.2 PFL et réduction du courant de polarisation

Figure 3.10 PFL et baisse du courant de polarisation

La réduction du courant de polarisation se traduit d'un point de vue DC par une augmentation de _ . En effet, la baisse du courant dans le miroir PMOS induit une augmentation de la tension , suivie par la tension _ avec la symétrie du montage. La baisse du courant de polarisation modifie juste le niveau de _{_} , qui conserve toutefois sa constance (Figure 3.10). Dans une configuration de rétroaction, l’erreur statique vient se superposer à la valeur de _{_} en entrée, ce qui cause une diminution de la tension _{_} obtenue avec _{_} seule. Cette diminution est plus accentuée en dehors de la PFL, car la variation de _{_} elle-même s’ajoute à celle apportée par l’erreur statique (Figure 3.9). Elle correspond en fait à une diminution de la plage dynamique de feed-back, ce qui détériore les performances de l’ampli-op utilisé dans une configuration de rétroaction (section 3.4.4.3). Ainsi, en garantissant une certaine plage dynamique de feed-back, la PFL contribue aux bonnes performances du régulateur, malgré une baisse du courant de polarisation.

3.1.4.3 PFL et augmentation du courant débité par le régulateur

La tension _{_} représente la sortie de l’étage de gain (Figure 3.2). Elle fait la liaison entre cet étage et le buffer qui s’en suit, ainsi que le montre la Figure 3.1. Elle fixe l'intensité du courant que peut fournir le buffer à la charge connectée à la sortie du régulateur. En négligeant l'effet de modulation du canal, est définie par l’application de l’équation (1.17) à la section 1.1.1.5 :

| | = ₂ − _{_} − | | (3.12)

La PFL peut ainsi accommoder une augmentation du courant car elle offre une grande plage de variation de _ correspondant au fonctionnement de tous les transistors du montage en zone de saturation.

CAPSULE 3.1

Avec la section 3.1 s’achèvent les analyses DC grâce auxquelles les conditions de fonctionnement linéaire de l’ampli-op ont été identifiées, laissant apparaître des dispositions favorables pour l’arrimer à la problématique très bas courant et bas voltage.

Dans le document 2012 — Régulateur de tension CMOS à faible consommation de courant et bas voltage pour amplificateurs RF intégrés (Page 115-119)