YSTEMES ELECTRONIQUES I S

S YSTEMES ELECTRONIQUES I

P REMIERE PARTIE

Marc Correvon

T A B L E D E S M A T I E R E S

PAGE

1. INTRODUCTION...1-1 1.1 B^UT...1-1 1.2 FILS CONDUCTEURS ET CHAPITRES DU COURS...1-1 1.3 CONSIDÉRATIONS TECHNOLOGIQUES...1-3 1.3.1 Généralités... 1-3 1.4 NOTES D’APPLICATIONS...1-4 1.5 AVERTISSEMENT...1-4 2. RÉFÉRENCES DE TENSION...2-1 2.1 INTRODUCTION...2-1 2.1.1 Généralité... 2-1 2.1.2 Référence de tension de type « bandgap »... 2-1 2.1.3 Référence de tension de type « diode Zener enterrée » ... 2-1 2.2 RÉFÉRENCE DE TENSION ISSUE D’^{UNE DIODE} Z^ENER...2-3 2.2.1 Généralités... 2-3 2.2.2 Diode Zener enterrée (buried Zener)... 2-4 2.2.3 Références de tension intégrée... 2-6 2.3 RÉFÉRENCE DE TENSION PAR EXPLOITATION DE LA BANDE INTERDITE...2-7 2.3.1 Généralités... 2-7 2.3.2 Principe ... 2-7 2.3.3 Référence de tension bandgap de Widlar ... 2-11 2.3.4 Référence de tension bandgap de Brokaw ... 2-12 2.4 RÉFÉRENCE DE TENSION EN TECHNOLOGIE XFET...2-15 2.4.1 Généralités... 2-15 2.4.2 Principe ... 2-15 2.5 DÉFINITIONS DES PARAMÈTRES PROPRE AUX TENSIONS DE RÉFÉRENCE...2-17 2.5.1 Définition des paramètres ... 2-17 2.6 ETUDE DE LA RÉFÉRENCE DE TENSION REF02...2-20 2.6.1 Description du circuit... 2-20 2.6.2 Exemple de dimensionnement ... 2-21 3. RÉGULATEURS LINÉAIRES DE TENSION. ...3-1 3.1 INTRODUCTION...3-1 3.1.1 Fonctionnement standard... 3-1 3.1.2 Fonctionnement en mode LDO ... 3-1 3.1.3 Boucle de réglage et stabilité ... 3-2 3.1.4 Importance de la référence de tension ... 3-2 3.2 TOPOLOGIES DES RÉGULATEURS LINÉAIRES DE TENSION...3-3 3.2.1 Description du fonctionnement... 3-3

3.2.2 Structure de l’élément de ballast ... 3-4 3.2.3 Les régulateurs standards... 3-6 3.2.4 Les régulateurs LDO ... 3-7 3.3 STABILITÉ DES RÉGULATEUR LDO ...3-12 3.3.1 Introduction ... 3-12 3.3.2 Modèle simplifié par accroissement des composants du régulateur LDO ... 3-12 3.3.3 Modèle petits signaux du régulateur LDO ... 3-13 3.3.4 Etude de la fonction de transfert en boucle ouverte. ... 3-14 3.3.5 Paramètres des régulateurs LDO... 3-17 3.4 LIMITATION DU COURANT DE SORTIE...3-19 3.4.1 Généralités... 3-19 3.4.2 Caractéristique rectangulaire de la limitation de courant... 3-19 3.4.3 Caractéristique réentrante (foldback) de la limitation de courant... 3-22 3.5 PROTECTION THERMIQUE...3-24 4. ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE À INDUCTANCE SIMPLE...4-1 4.1 INTRODUCTION...4-1 4.1.1 Généralités... 4-1 4.1.2 Définition des sources et des récepteurs ... 4-2 4.1.3 Semiconducteurs disponibles comme fonction interrupteur. ... 4-3 4.2 NOTATIONS UTILISÉES...4-4 4.2.1 Définition ... 4-4 4.3 ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE NON RÉVERSIBLES À LIAISON DIRECTE...4-5 4.3.1 Généralités... 4-5 4.4 ALIMENTATION SÉRIE OU ABAISSEUSE DE TENSION...4-6 4.4.1 Conduction continue... 4-6 4.4.2 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ... 4-9 4.4.3 Analyse fréquentielle... 4-10 4.4.4 Frontière entre le mode continu et intermittent... 4-11 4.4.5 Conduction intermittente ... 4-11 4.4.6 Caractéristique statique avec tension de sortie constante. ... 4-13 4.4.7 Diagramme structurel... 4-14 4.5 ALIMENTATION DE TYPE PARALLÈLE OU ÉLÉVATRICE DE TENSION...4-15 4.5.1 Conduction continue... 4-15 4.5.2 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ... 4-18 4.5.3 Ondulation de la tension uC. Choix de C ... 4-18 4.5.4 Frontière entre le mode continu et intermittent... 4-19 4.5.5 Conduction intermittente ... 4-20 4.5.6 Caractéristique statique avec tension sortie constante ... 4-21 4.5.7 Diagramme structurel... 4-23 4.6 ALIMENTATION À DÉCOUPAGE NON RÉVERSIBLE A LIAISON INDIRECTE...4-24 4.6.1 Généralités... 4-24 4.6.2 Hacheur à stockage inductif ... 4-24 4.6.3 Conduction continue... 4-25 4.6.4 Ondulation du courant iL et de la tension uC. Choix de L et de C ... 4-28 4.6.5 Frontière entre le mode continu et intermittent... 4-29 4.6.6 Conduction intermittente ... 4-29 4.6.7 Caractéristique statique avec tension de sortie constante ... 4-31

4.6.8 Diagramme structurel... 4-33 5. TRANSFORMATEURS POUR ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE...5-1 5.1 INTRODUCTION...5-1 5.1.1 Relations de base... 5-1 5.1.2 Circuits magnétiques... 5-6 5.2 MODÈLE DU TRANSFORMATEUR...5-10 5.2.1 Généralités... 5-10 5.2.2 Transformateur idéal ... 5-11 5.2.3 Modélisation du transformateur idéal ... 5-11 5.2.4 Transformateur avec inductance magnétisante... 5-12 5.3 PERTES DANS LES CIRCUITS MAGNÉTIQUES...5-16 5.3.1 Généralités... 5-16 6. ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE À TRANSFORMATEUR...6-1 6.1 CONVERTISSEUR À STOCKAGE INDUCTIF AVEC ISOLATION GALVANIQUE...6-1 6.1.1 Montage FLYBACK... 6-1 6.1.2 Conduction continue... 6-3 6.1.3 Limite de la conduction continue ... 6-2 6.1.4 Fonctionnement en conduction intermittente... 6-3 6.1.5 Considération sur le transfert d’énergie... 6-4 6.1.6 Dimensionnement du transformateur d’un montage Flyback ... 6-6 6.2 CONVERTISSEUR DE TYPE SÉRIE AVEC ISOLATION GALVANIQUE...6-9 6.2.1 Montage FORWARD... 6-9 6.2.2 Etude du fonctionnement ... 6-9 6.3 CONVERTISSEUR DE TYPE SYMÉTRIQUE AVEC ISOLATION GALVANIQUE...6-15 6.3.1 Montage PUSH-PULL (pont complet) ... 6-15 6.3.2 Etude de fonctionnement ... 6-15 6.4 ÉVALUATION ET DIMENSIONNEMENT DES CONVERTISSEURS DC-DC ...6-19 6.4.1 Généralités... 6-19 6.4.2 Stress et taux d’utilisation des semiconducteurs (transistor)... 6-19 7. DIMENSIONNEMENT DES ÉLÉMENTS DES ALIMENTATIONS À DÉCOUPAGE ...7-1 7.1 INTRODUCTION...7-1 7.2 L^ES CONDENSATEURS...7-1 7.2.1 Principe de fonctionnement... 7-1 7.2.2 Paramètres caractéristiques d’un diélectrique... 7-2 7.2.3 Modèle équivalent ... 7-2 7.2.4 Les principales technologies ... 7-3 7.2.5 Les condensateurs dans les alimentations à découpage. ... 7-5 7.3 LES MATERIAUX MAGNETIQUES...7-6 7.3.1 Les matériaux... 7-6 7.3.2 Grandeurs caractéristiques des matériaux magnétiques ... 7-6 7.3.3 Les matériaux magnétiques et les corps de bobines... 7-7 7.3.4 Dimensionnement d’une inductance ... 7-13 7.3.5 Dimensionnement d’un transformateur ... 7-14 7.4 LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE...7-21 7.4.1 Les MOFSET ... 7-21

7.4.2 Les IGBT... 7-22 7.4.3 Les diodes... 7-23

BIBLIOGRAPHIE

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Auteurs : J.D. Chatelain et R.Dessoulavy ISBN : 2-604-00010-5

[2] CIRCUIT ET SYSTEMES ELECTRONIQUES ELECTRONIQUE III, PARTIE I

Auteur : M. Declercq

[3] THE ART OF ELECTONICS Auteurs : P. Horowitz, W. Hill ISBN : 0-521-37095-7

[4] Linear and Switching Voltage Regulator Fundamentals National Semiconductor

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[5] Fundamental Theory PMOS Low Dropout Voltage regulator Application report

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Thermometer application of the REF02

[7] Technical review of Low Dropout Voltage Regulator Operation and performance

Application Report SLVA072

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[9] Digital Designer's Guide to Linear Voltage Regulators & Thermal Mgmt Application Report

SLVA118

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[11] LES CONVERTISSEURS DE L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Volume 3 : La conversion continue – continue (2ème édition) Auteurs : Robert Bausière, Francis Labrique, Guy Seguier Chapitre 3

ISBN : 2-7430-0139-9 [12] POWER ELECTRONICS

Converters, Applications and Design

Auteurs : Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins Chapitre 5

ISBN : 0-471-50537-4

[13] FUNDAMENTALS OF POWER ELECTRONICS Auteur : Robert W.Erickson

Chapitre 2 & 5 ISBN : 0-412-08541-0

Introduction 1.

1.1 B

Le cours « Systèmes Electroniques I » est une description des fonctions élémentaires de l’électronique industrielle. En effet, pour pouvoir réaliser un système électronique sur la base d’un cahier des charges, il est nécessaire de bien maîtriser l’ensemble des fonctions constituant le système. Il faut non seulement avoir de bonnes connaissances en électronique mais également de l’ensemble du problème à résoudre. Par exemple pour une commande de moteur, il faut être capable de dimensionner les composants en fonction de la puissance à fournir, du niveau de tension, de courant et pour finir des contraintes d’environnement (température, vibrations, humidité,

…). Les progrès technologiques des circuits intégrés et des semiconducteurs de puissance permettent de réduire toujours plus l’encombrement de l’électronique, les contraintes thermiques et la tenue des diélectriques étant le dernier obstacle à la miniaturisation. Le concepteur de cartes électroniques doit avoir une très bonne connaissance des composants disponibles, il est donc important qu’il sache, de manière efficace, ou chercher l’information sur les plus récents développements et produits des fabricants.

1.2 F

Toutes cartes électroniques possèdent aux moins une alimentation sous la forme d’un régulateur de tension ou d’un convertisseur DC/DC. L’asservissement de ces composants nécessite l’utilisation de références de tension. Pour les composants travaillant en commutation, la commande des commutateurs électroniques (semiconducteurs) est un point important à comprendre et à maitriser.

Selon les contraintes, il peut s’avérer nécessaire de réaliser une séparation galvanique entre divers fonctions. Dans ce cas, les signaux analogiques et logiques devront être découplés de manières optoélectronique, capacitive ou inductive. Pour les alimentations avec séparation galvanique, l’utilisation d’un transformateur est nécessaire. La pratique montre que la compréhension du transformateur et son dimensionnement sont en général mal connus et mal maîtrisés.

Afin de répondre au mieux aux divers points soulevés ci-dessus, les chapitres du cours sont organisés selon la logique décrite ci-dessous.

Le chapitre 2 – Références de tension est une description du design permettant la réalisation d’une référence de tension en tenant compte de sa sensibilité à la température.

Le chapitre 3 – Régulateurs de tension donne un aperçu des composants réalisant un asservissement de la tension d’alimentation et des limites thermiques liées à la structure même de ces composants.

Le chapitre 4 – Alimentations à découpage à inductance simple donne les bases théoriques du fonctionnement des convertisseurs DC/DC sans séparation galvanique.

Convertisseurs DC/DC Régulateurs linéaires Transformateur

Carte(s) électronique(s)

Tensions et courants d’entrée et de sortie Séparation galvanique

Type de convertisseur Contraintes thermiques Protection ...

Référence de tension Topologie

Effet de la température Précision ...

Entrée Standard ou planar Type de matériau Taille du circuit magnétique Nombre de spires ...

Tensions et courants d’entrée et de sortie Précision de la tension de sortie Contraintes thermiques Protection Stabilité

... Découplage des signaux

Driver de gate

Convertisseurs DC/DC

Transformateur Opto-électronique

Transformateur Opto-électronique

Type

Courant impulsionnel de sortie Alimentation uni/bi-polaire Tenue en tension Protection ...

Type de découplage Vitesse Tenue en tension Protection ...

Figure 1-1 : Structure de l’alimentation d’une carte électronique

Le chapitre 5 – Transformateurs à impulsions donne les bases nécessaires à la réalisation non seulement des transformateurs utilisés pour les convertisseurs DC/DC avec séparation galvanique mais aussi pour la transmission découplée de signaux analogiques ou logiques. Puis dans la logique du déroulement du cours.

Le chapitre 6 – Alimentations à découpage à transformateur est une description non exhaustive des convertisseurs DC/DC avec séparation galvanique.

Le chapitre 7 – Composants des alimentations à découpage concerne le dimensionnements d’une inductance ou d’un transformateur pour les alimentations à découpage. Il donne également une brève description des divers composants passifs utilisables pour ce type d’application.

Le chapitre 8 – Commande des éléments de commutation est une description des topologies les plus courantes pour réaliser des commandes pour MOSFET et IGBT en tenant compte des contraintes de l’application.

1.3 C

L’électronique peut être soumise à des contraintes sévères. Chaque composant doit être choisi de manière optimale au niveau de ces caractéristiques, de son boitier, de sa disponibilité et de son coût.

L’ensemble de ces exigences n’est pas simple à maitriser. Cette section donne description succincte des contraintes auxquelles il faut faire face. Dans le cadre de ce cours, les composants suivants seront abordés.

− Amplificateurs opérationnels.

− Références de tension et de courant.

− Régulateurs linéaires (LDO)

− Circuits dédicacés aux abaisseurs (step-down) et aux élévateurs de tension (step-up)

− Circuits dédicacés aux alimentations Flyback, Forward, push-pull

− Driver de gate

− Circuits magnétiques.

− Semiconducteurs dédiés à la commutation, MOSFET, IGBT, Diode

Chacun de ces composants doit répondre à des exigences dépendant de l’application. Les références de tension doivent fournir des tensions indépendantes de la tension alimentation et de la température.

Les régulateurs de tension et les convertisseurs DC/DC doivent être stables (asservissement de tension) sous certaines conditions bien maitrisée, ils doivent être protégés contre les courts-circuits et contre les surcharges thermiques. Les transformateurs doivent travailler dans leur zone linéaire, la saturation du circuit magnétique ne doit jamais se produire Enfin la commande des semiconducteurs de puissance (driver de gate) doit être réalisée de manière à optimiser le nombre et le coût des composants.

1.4 N

’

Le cours a pour but de vous faire découvrir la théorie qui se cache derrière chaque fonction constituant un système électronique. Des notes d’applications, basées sur des exemples concrets sont aussi à disposition pour illustrer le cours par des aspects plus pratique.

1.5 A

Ce cours se base sur les cours suivants : ENA : Electronique analogique

SES : Signaux et systèmes

Références de tension. 2.

2.1 I

La majorité des références de tension modernes sont construites selon trois principes différents. Les caractéristiques principales d’une référence de tension sont la précision absolue de la tension, la dérive en température, le niveau de bruit, la consommation et la stabilité au vieillissement.

2.1.2 Référence de tension de type « bandgap »

La référence de tension de type bandgap est basée sur l’exploitation des caractéristiques de la tension thermodynamique VT. La Figure 2-1 donne le schéma de principe de ce type de référence

Figure 2-1 : Architecture des références de tension « Bandgap » 2.1.3 Référence de tension de type « diode Zener enterrée »

La référence tension de type « diode Zener enterrée » est basée sur l’utilisation de Zener enterrée (buried Zener diode) dans le but de minimiser le bruit, la dérive thermique et d’améliorer la stabilité dans le temps. La Figure 2-2 illustre le principe de base de ce type de référence de tension

Figure 2-2 : Architecture des références de tension « Zener enterrée » 2.1.3.1 Référence de tension de type « XFET »

La référence tension de type XFET est basée sur l’utilisation de la tension de pincement des transistors à effet de champ (XFET : eXtra implanted FET). La Figure 2-3 met en évidence la structure de base d’une référence de tension de type XFET.

Figure 2-3 : Architecture des références de tension « XFET »

2.2 R

’

Z

2.2.1 Généralités

Une diode Zener présente, dans le sens passant, des caractéristiques identiques à celles d’une diode normale. Par contre dans le sens inverse, un courant peut circuler si la tension appliquée aux bornes de l’élément semiconducteur est suffisamment élevée. La tension inverse permettant la conduction brusque de la diode est appelée tension Zener.

Pour obtenir une tension Zener, il faut fortement doper la jonction p-n de la diode de manière à permettre un passage « facile » des électrons de la bande de valence de la zone dopée p à la bande de conduction de la zone dopée n. Les porteurs de charges (des éléments de dopage) ainsi libérés sont assez nombreux pour que le courant augmente brutalement et pour que la tension aux bornes de la diode ne varie pratiquement pas.

Cet effet, appelé « effet Zener » a été découvert par un physicien américain du nom de Clarence Melvin Zener.

Pour d’autres diodes Zener, il est possible que sous l’action du champ électrique interne, les porteurs de charges minoritaires (du silicium) de la zone isolante acquièrent une énergie telle qu’il puisse y avoir ionisation par choc, provoquant un effet d’avalanche, le courant croît extrêmement vite. La tension aux bornes de la diode ne varie pratiquement pas non plus. C’est ce qui est appelé effet d’avalanche.

La Figure 2-4 montre clairement que le courant croit plus vite pour l’effet avalanche.

En réalité ces deux effets sont présents dans une diode Zener. Pour une diode Zener au silicium, jusqu’à 5.1V, c’est l’effet Zener qui est qui est prédominant. Ces diodes présentent une tension Zener avec une dérive en température négative. Au dessus de 5.1V, c’est l’effet avalanche qui devient le plus important et du même coup la tension Zener présente un dérive en température positive

0 1 2

V [V]

10 9 8 7 6 5 4 3

z 0

10 20 30 40 50 I [mA]z

Courant de test 5mA Tj = 25°C

2.4V 2.7V

3.3V 3.9V

4.7V 6.8V

8.2V 5.6V

Effet d’avalanche Effet Zener

Figure 2-4 : Caractéristique de diodes Zener pour un courant de polarisation constant de 5mA

L’effet de la température sur la tension Zener peut être annulé, ou fortement diminué, en ajoutant une diode en série (dérive en température de -2.28mV/°C @ T=27°C) dans le sens passant. On parle alors de diode Zener compensée en température. Dans ce cas la tension Zener est de 6.2V au lieu des 5.1V (correspondant au coefficient de température le plus faible).

ΔV [V]z 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2

V @ I =5mAz z

Tj [°C]

0 20 40 60 80 100 120 140 25V 15V

10V

8V 7V 6.2V 5.9V 5.6V 5.1V

4.7V 3.6V

Figure 2-5 : Dérive de la tension Zener en fonction de la température.

2.2.2 Diode Zener enterrée (buried Zener)

La diode Zener est un élément abondamment utilisé dans les applications non critiques. Les designers de circuits intégrés utilisent les jonctions Base – Emetteur des transistors NPN, polarisées en inverse, comme diode Zener de référence. L’effet Zener apparait à la surface de la puce, là où les effets de contamination et les charges d’oxyde sont les plus importantes. Ces jonction sont bruyantes et souffrent de dérives en température et dans le temps qui ne sont pas prédictibles. Les diodes Zener enterrées placent la jonction en dessous de la surface du silicium, loin des effets de contamination et d’oxydation. Le résultat est une diode Zener avec une grande stabilité dans le temps, un faible bruit et une bonne précision initiale.

La Figure 2-6 montre le début de la fabrication d’une diode Zener enterrée. Une région enterrée dopée n⁺ est située sous la structure Zener afin de la protéger des prochaines diffusions de contact avec le substrat. Après croissance de la couche épitaxiale n^-, une diffusion p⁺ est répandue par une petite ouverture au centre de la structure Zener. En même temps, la diffusion p⁺ est répandue à la périphérie pour former un caisson isolé contenant la structure Zener entière.

OUVERTURE DE L’OXIDE POUR DIFFUSION p ISO

p^– SUBSTRAT

n^– EPI n^– EPI

p⁺ ISO

p⁺ ISO _p+ ISO

n⁺ BURIED LAYER

+

Figure 2-6 : Structure initiale lors de la fabrication d’une diode Zener enterrée

La diffusion p⁺ centrale est protégée d’un contact avec le substrat p^- par la couche enterrée n⁺, alors qu’on permet aux diffusions latérales p⁺ d’atteindre le substrat et de former un caisson d’isolement.

Il est important de noter que la concentration la plus élevée p⁺ se produit directement sous l’ouverture du masque et que la concentration de dopant est la plus faible aux franges d’une diffusion. Les dernières étapes incluent une diffusion de base p^- et une diffusion d’émetteur n⁺, situées au centre de la structure Zener (voir la Figure 2-7).

L’émetteur n⁺ devient la cathode, tandis que l’isolement combiné et la diffusion de base p^- sert d’anode.

La jonction fortement dopée se trouve au fond de la cathode, là où l’émetteur n⁺ et la diffusion p⁺ présentent les concentrations les plus riches.

Les concentrations latérales, plus légères ont comme conséquence une tension Zener plus élevée et par conséquent ces zones ne sont pas actives. Le résultat est une tension Zener extrêmement stable de très faible bruit et insensible aux effets extérieurs de contamination ou d’oxydation.

p^– SUBSTRAT n^– EPI

p⁺ ISO

p⁺ ISO n⁺ COUCHE ENTERREE ISOLATION

p^–BASE

CATHODE

ANODE ZONE ACTIVE

DE LA ZENER

n⁺EMETTEUR

Figure 2-7 : Structure d’une diode Zener enterrée 2.2.2.1 Exemple d’une référence de tension basée sur une diode Zener

Une diode Zener est polarisée par une source de courant. Un diviseur résistif permet d’extraire une fraction de la tension Zener. Un amplificateur de tension à gain positif permet d’une part de présenter une haute impédance du côté du diviseur de tension résistif et d’autre part de fournir une source de tension de référence avec une faible impédance de sortie. Pour avoir une faible dérive en température, la diode Zener, de 6.2V, est compensée en température (ajout d’une diode série).

Figure 2-8 : Structure de base d’une référence de tension de type « buried Zener »

Z

out V

R R R

R

V R ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

= +

3 4 2

1

2 1 2.1

2.2.3 Références de tension intégrée

Pour obtenir des références de tension précises, il existe des circuits intégrés dans lesquels on trouve une diode Zener compensée en température, alimentée par une source de courant. Pour des performances accrues, cette diode Zener est enterrée afin de la protéger des impuretés, des contraintes mécaniques et des imperfections de surface qui contribuent à accroître le bruit et à dégrader la stabilité à long terme. Si les performances globales (précision, bruit, coefficient de température, stabilité à long terme) sont suffisamment bonnes pour autoriser leur emploi dans les systèmes à haute résolution, elles sont plus coûteuses que les références de type bandgap. De plus, elles sont peu adaptées aux systèmes basse tension, ce qui prend à contresens la tendance générale des systèmes électroniques embarqués. Cela tient au fait que les meilleurs résultats en stabilité dans le temps et en température sont obtenus avec des Zener de 6.2V, qu’il est nécessaire d’alimenter à partir d’une source de tension d’au moins 1.5V à 2V supérieure. La tension de 6.2V est ensuite rapportée à une valeur plus faible par le biais d’un réseau résistif, puis est ajustée à la valeur souhaitée par l’intermédiaire d’un amplificateur opérationnel, qui fait par ailleurs office d’adaptation d’impédance. Des réseaux plus ou moins complexes sont chargés de compenser la variation non linéaire de la tension de sortie en fonction de la température. Ainsi, dans ses différentes séries VRE à diode Zener, Thaler fait usage d’un réseau de compensation non linéaire du troisième ordre formé de thermistances et de résistances ajustées au laser.

Avec les références à diode Zener enterrée, les caractéristiques suivantes peuvent être atteintes :

− précision comprise entre ±0.01 et ±0.04%,

− dérive en température de 1 à 10 ppm/°C (dans la gamme commerciale 0 à + 70°C),

− dérive sur le long terme entre 6 et 20ppm/1000hrs.

Figure 2-9 : Zener avec réseau de compensation

2.3 R

L’utilisation dans les circuits intégrés de sources de tension de référence, stables en température, est capitale. Il existe des circuits de tension de référence appelés « bandgap » très stables vis-à-vis des variations de la température.

2.3.2 Principe

Le principe d’une référence de tension bandgap est de compenser le coefficient de température négatif d’une jonction pn par le coefficient de température positif de la tension thermodynamique donnée par la relation

q

V_T =kT 2.2

avec :

− k = 1.3806503⋅10^-23 J/K : constante de Boltzmann (8.62 10^-5 eV/K)

− T : température exprimée en degrés Kelvin

− q = 1.602177⋅10^-19 C : charge élémentaire Le schéma synoptique d’un tel circuit est donné en Figure 2-10.

Le but est d’obtenir une tension de référence avec une stabilité en température de l’ordre de 10ppm/°C.

Dans ce cas la dérive en température de VBE doit être connue de manière plus précise que simplement

∂VBE/∂T =-2mV/°C.

q

V_T =kT K

Σ

Figure 2-10 : Schéma synoptique d’une référence de tension « bandgap »

2.3.2.1 Détermination de la dérive en température

La densité de courant de collecteur JC est définie comme

T BE

V V

B po n

C e

W n

J = qD 2.3

avec :

− JC=I/AE : densité de courant de collecteur,

− Dn : constante moyenne de diffusion pour les électrons,

− WB : largeur de la base,

− VBE : tension Base – Emetteur,

− n_po =n_i²/N_A : concentration d’électron à l’équilibre dans la Base,

− ^T

G

V V

i DT e

n

0

3

2 −

= : concentration intrinsèque de porteurs,

− D : constante indépendante de la température,

− VG0=1.205V : tension « bandgap » pour le silicium,

− NA : concentration en dopage d’accepteur.

)

3 ( ⁰

0

G T BE

G

BE V V

kT q E V

V V

B A

n

C DT e A T e

W N

J qD ⁻

−

=

= ^γ 2.4

avec γ=3.2

A la température de référence T0 ) (

0

0 0 0 0

T G

BE T V

V kT

q T

C T ST e

J

−

=

= ^γ = 2.5

Le rapport entre les densités de courant de collecteur à une température quelconque T et la température de référence T0 s’écrit sous la forme suivante :

) (

0

0 0 0 0

0

T V V T

V V k q

T CT

C

T G BET G BE

T e T J

J ^{− − −}

=

=

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

=⎛

γ

2.6 finalement

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

− −

⎟⎟+

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ₌

= 0

0 0 0

0

0

ln

ln T

V V

T V V k q T

T J

J BET T ^G

G BE T

CT

C γ _2.7

De la relation précédente, il est possible d’exprimer la tension Base – Emetteur en fonction de la température.

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝ + ⎛

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

⎟⎟ +

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

=

=

0 0

ln ln

1 ⁰

0 0

0 CT T

C T

BET G

BE J

J q

kT T T q V kT

T V T T

V T γ

2.8 On peut maintenant calculer la dérive de VBE en fonction de la température

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝ + ⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂ + ∂

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎟⎟ ⎛

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

∂ + ∂

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂ + ∂ +

−

∂ =

∂

=

=

=

0 0

0

ln ln

ln 1 ln 1

0

0 0

0 0

T CT

C T

CT C T

BE T G

BE

J J q

k J

J T

q kT T T q

kT T

T T T q V kT

V T T T

V

γ

γ

2.9

A la température de référence

0 JC JC T T0

T

T = ⇒ = ₌

0 0

0 0

0

ln 1 ln 1

0

0 0

0 0 0

T T T CT

C

T T T

BET G

T T BE

J J T

q kT

T T T q V kT

V T T T

V

= =

=

= =

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂ + ∂

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

∂ + ∂ +

−

∂ =

∂ γ

2.10

Notons que

T T

T T T

T T

T T

ln ⁰ 1

0

0 ⎟=−

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

= ∂

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂ 2.11

et, sachant que la densité de courant de collecteur est proportionnelle à T^α.

T J

J T J J J

J

T _{CT T}

C C

T CT T

CT

C α

⎟=

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

= ∂

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂

=

=

= ₀

0

0

ln 2.12

La dérive en température de la tension Base – Emetteur devient

( )

q V k

V T T T

V

T BET G

T T

BE =− + + α−γ

∂

∂

=₀ 0 =⁰

0 0

1

1 2.13

Les valeurs typiques de α et γ sont α=1 et γ=3.2. En supposant que V V

T BET 0.6

0

= = à la

température ambiante de 27°C (300°K), on obtient : C

T mV V

C T

BE =− °

∂

∂

°

=

/ 222 . 2

27

2.14

2.3.2.2 Réalisation d’une tension de référence compensée en température

Soit deux jonctions pn de surfaces différentes AE1 et AE2. Ces jonctions sont traversées par des courants différents.

Figure 2-11 : Circuit de base permettant la mesure de la dérive en température A partir de la Figure 2-11, on peut écrire

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

−

= Δ

2 1 1

2 2

2 1 1 1

2 2 1 2

1 ln ln ln

J J q kT I

A J

I A J q kT I

I I I q V kT V

V

S E

S E S

S BE

BE

BE 2.15

et pour la dérive en température

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

∂ Δ

∂

2

ln 1

J J q k T V_BE

2.16 Pour avoir une dérive en température nulle à la température nominale de travail, il faut satisfaire à la relation suivante :

0 ''

0

∂ = Δ + ∂

∂

=∂

∂

∂

= T

K V T

V T

V _BE

T T BE

REF 2.17

Où K'' est à définir pour satisfaire l’égalité. A partir des relations 2.13, 2.16 et 2.17 on peut écrire 0

ln ''

0 0

0

0 0

0 2

1 0

− =

− +

⎟⎟+

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

=

=

=

T TT T G

BET T

T T

T V T

V V

J J T

V

K α γ

2.18

En posant _⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

2

ln 1

'' J K J

K , on obtient

0

0 0

)

0 (

T T T

T TT T

BET G

V

V V

V K

=

=

= − −

= − α γ

2.19

Pour 10

2 1 2

1 = =

E E

A A J

J , V_{BET T} 0.6V

0

= = et T0=300°K, on a K=25.469. La tension de sortie de la source de référence « bandgap » vaut donc

0

0 0

0 0

0 0

) (

) (

0

0

T T T G

T T T T

BET T G

BET T T T T

BET T REFT

V V

V V

V V

V K V

V

=

=

=

=

=

=

=

−

−

=

−

−

− +

= +

=

γ α

γ α

2.20 Soit pour une température de travail de 27°C, VREF=1.205+0.02582⋅2.2=1.262V

Pour une température de travail différente de T0, la dérive en température de VREF ne sera pas nulle (∂VREF/∂T≠0).

-100 -50 0 50 100 150

1.25 1.255 1.26 1.265 1.27 1.275 1.28

T [°C]

VREF [V]

Variation de la tension de référence en fonction de la température

T₀=350°K

T₀=250°K T₀=300°K δV_REF/δT=0

δV_REF/δT=0

δV_REF/δT=0

Figure 2-12 : Variation de la tension de référence en fonction de la température de fonctionnement 2.3.3 Référence de tension bandgap de Widlar

La Figure 2-13 illustre une source de tension classique appelée Widlar. En observant cette figure, on peut écrire la relation suivante :

3 2 2

1 V I R

V_BE ≅ _BE + _R 2.21

La différence entre les tensions Base - Emetteur de Q2 et Q3 correspond à la chute de tension aux bornes de R3

3 2 2

1 V I R

V

V_BE = _BE − _BE = _R

Δ 2.22

La tension Base – Emetteur d’un transistor est reliée au courant d’émetteur. Par conséquent on peut écrire :

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

− ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛ Δ

1 2

2 1 2

2 1

1 ln ln

ln

S R

S R T S

R T S R T

BE I I

I V I

I V I I V I

V 2.23

Supposons la même chute de tension aux bornes de R1 et R2 (IR1R1≅ IR2R2), alors VBE1≅VBE3. Par conséquent

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

= Δ

1 1

2 2 3 1 2

2 1 3 3

2 ln ln

S S T

S R

S R T BE

R RI

I R R V I

I I I R V R

I V 2.24

et finalement la tension de référence vaut

3 3

1 1

2 2 3

2 3 2

2 ln _{BE T BE}

S S T

BE R

REF V KV V

I R

I V R

R V R

R I

V ⎟⎟⎠+ = +

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛ +

= 2.25

Figure 2-13 : Référence de tension « Bandgap » de Widlar Exemple :

Choisissons K=25 et IS2=10IS1 et par conséquent R2=10R1=10kΩ. On peut écrire Ω

=

⇒

=

=

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛ R k

I R

I R

K R

R

S S

842 . 1 5.4287

) 100 ln(

25 ln

3

1 1

2 3 2

2

2.26

2.3.4 Référence de tension bandgap de Brokaw

La Figure 2-14 montre une autre structure de référence de tension dit de Brokaw. Dans cette structure, les deux transistors NPN sont réalisés dans la même puce de silicium et présentent des caractéristiques que l’on peut considérer comme identiques.

L’amplificateur impose des tensions de collecteur identiques VCQ1=VCQ2. On peut donc écrire

2 2 1 1IR R IR

R = 2.27

La tension de référence est définie comme )

( _{1 2}

5 , 4

2 R R

BE

REF V R I I

V = + + 2.28

Figure 2-14 : Référence de tension « BandGap » de Brokaw

La différence entre les tensions Base – Emetteur est liée à la chute de tension dans la résistance R3. De plus, les transistors ayant des caractéristiques identiques, leurs courants de saturation sont identiques IS1=IS2.

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

−

=

= Δ

2 1 1

2 1

2 3

3 ln ln

R V R I

V I V V I R

V _T

R R T BE BE R

BE 2.29

En négligeant les courants de base, on peut dire que :

1

3 R

R I

I = 2.30

Finalement, la tension de référence vaut

T BE

T BE

REF V V KV

R R R

R R

V R

V ⎟⎟⎠ = +

⎜⎜ ⎞

⎝

⎟⎟ ⎛

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ + +

= ₂

2 1 2

1 3

5 , 4

2 1 ln 2.31

et

q k R R R

R R

R T V T

V_{REF BE}

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎟⎟ ⎛

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

∂ +

=∂

∂

∂

2 1 2

1 3

5 ,

2 4 1 ln 2.32

Exemple :

Choisissons R1=5R2 et sachant que VBE=0.6V, ∂VBE/∂T=-2.222mV/°C et ∂VREF/∂T=0 à T=300°K, il est possible de définir le rapport entre R4,5 et R3.

) 4 . 2 (

ln 1

3 5

, 4 3

2 1 2

1

300 2

5 ,

4 R R R

q k R R R

R T V

R ^{T K}

BE

=

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎟⎟ ⎛

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

∂

−∂

= ^{= °} 2.33

Puis la valeur de la tension de référence à T=300°K V

V_REFT=300°K =1.2 2.34

2.4 R

XFET

2.4.1 Généralités

Introduite il y a cinq ans par Analog Devices, la technologie bipolaire baptisée XFET (eXtra implanted FET) a pour ambition de réaliser le meilleur compromis entre bruit et consommation. La technologie met en œuvre des transistors à effet de champ dont les drains sont parcourus par des courants identiques. La tension de pincement de l’un des Fet est accentuée par implantation d’un canal additionnel. La tension de référence en sortie est proportionnelle à la différence amplifiée entre les tensions de pincement des deux transistors. Le coefficient de température intrinsèque d’un XFET (112ppm/°C) est environ trente fois plus faible que celui d’une référence « bandgap », et la courbe de variation est pratiquement linéaire jusqu’aux températures extrêmes de la gamme industrielle étendue.

Finalement, il en résulte un design de correction en température simplifié et, par conséquent, moins bruyant. Cette correction s’effectue par le biais d’un courant proportionnel à la température absolue (IPTAT : Proportional To Absolute Temperature current). L’argument de la linéarité du coefficient de température, mis en exergue par le fabricant, est justifié par le fait qu’aux températures extrêmes les phénomènes non linéaires sont sans cohérence d’un produit à l’autre. Ce qui exclut l’utilisation d’un circuit de compensation. Enfin, à la différence d’une référence à Zener enterrée, un circuit XFET se satisfait d’une tension d’alimentation réduite. Si les caractéristiques générales des premiers composants XFET les situaient à mi-chemin des bandgap et des Zener enterrées, ils sont aujourd’hui plus proches des secondes citées. Ainsi, les circuits de dernière génération sont caractérisés par un bruit en sortie digne des meilleures références à Zener enterrée, tout en consommant un courant cinq fois plus petit.

2.4.2 Principe

La topologie de base de la technologie XFET est illustrée à la Figure 2-15. Le cœur de la référence de tension est constituée des transistors JFET Q1 et Q2. Deux sources de courants I1 et I2 appairées (matched current sources) alimentent les transistors JFET. Le transistor Q1 possède un second canal, ce qui explique la différence de 500mV entre les tensions de pincement Vp des deux transistors pour des courants I1 et I2 identiques.

2

1 P

P

P V V

V = −

Δ 2.35

avec

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

−⎛

=

2

1

P GS DSS

D V

I V

I 2.36

Lorsque la température de fonctionnement d’un JFET augmente 2 effets antagonistes interviennent :

− la tension de seuil des jonctions Grille-canal diminue, donc l’épaisseur des zones désertées diminue, le canal devient plus large, le courant ID augmente, ou dans le cas présent la tension VGS à diminue,

− la mobilité des porteurs µn des porteurs diminue, donc le courant ID devrait diminuer.

I1 I2

VCC

R1

R2

R3

IPTAT

Q2

Q1

VREF

V=0V

VP

Figure 2-15 : Topologie de base d’une source de référence basée sur la technologie XFET

Pour des faibles valeurs de courant de drain ID, c’est le premier phénomène qui l’emporte et par conséquent la dérive en température est négative pour la tension de commande ∂VGS/∂T < 0. Pour de plus fortes valeurs de courant de drain ID, c’est le deuxième phénomène qui est prédominant et donc

∂VGS/∂T > 0.

Pour les références de tension de type XFET, les courants de drains sont très faible, la dérive en température correspond donc à un coefficient TC négatif. Une source de courant proportionnelle à la température compense les effets de la température sur les tensions de commande des JFET.

Finalement, la tension de sortie est donnée par la relation

PTAT p

REF V R I

R R

V R ₃

1 3

1 2 ⎟⎟⎠Δ +

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

+

= 2.37

La technologie XFET offre des améliorations sensibles par rapport aux technologies « bandgap » et de diodes zener enterrées, en particulier pour des systèmes où le courant de fonctionnement est critique De plus la dérive thermique et le bruit présentent d’excellentes caractéristiques. Les valeurs typiques sont :

− dérive en température linéaire de l’ordre de 3 à 8 ppm/°C,

− hystérésis thermique inférieur à 50 ppm sur la plage -40°C à +125°C,

− dérive sur le long terme excellente, typiquement 0.2 ppm/1000 heures.

2.5 D

Le Tableau 2-1 montre quelques paramètres pertinents d’une référence de tension. Il permet notamment une comparaison entre les divers technologies de références de tension

Temperature Range–40°C To +85°C

Paramètres Thaler corp.

VRE3050 Maxim MAX6250 Analog Devices ADR293

Tension de sortie 5.0000 V 5.0000 V 5.0000 V

Erreur initiale 0.01 % 0.04 % 0.06 %

Coefficient de

température 0.6 ppm/°C 3.0 ppm/°C 8.0 ppm/°C

Bruit (0.1 – 10Hz) 3.0 μVp-p 3.0 μVp-p 15 μVp-p

Hystérésis thermique

25°C → 50°C → 25°C 2 ppm 20 ppm 15 ppm

Stabilité long terme 6.00 ppm/1000hrs 20.0 ppm/1000hrs 0.20 ppm/1000hrs

Alimentation 8.0V – 36V 8.0V – 36V 6.0V – 15V

Temps de stabilisation

à l’enclenchement 10 μs 10 μs < 10 μs

Régulation de ligne

8V ≤ Vin ≤ 10V 25 ppm/V 35 ppm/V 100 ppm/V

Régulation de charge

0mA ≤ Iout ≤ 15mA 5 ppm/mA 7 ppm/mA 100 ppm/mA

Tableau 2-1 : Comparaison entre trois références de tension 2.5.1.1 Erreur initiale (Initial error)

Correspond à l’erreur sur la valeur de la tension de sortie après la mise sous tension du circuit et la stabilisation de la température de fonctionnement. Cette mesure se fait sans charge. Dans la plupart des applications cette mesure est la plus importante des spécifications.

2.5.1.2 Coefficient de température (Temperature coefficient (TC))

Correspond à une variation de la tension de sortie avec un changement de la température de fonctionnement exprimée en ppm/°C. Cette valeur est, après l’erreur initiale, la seconde plus importante spécification donnée par le fabricant. Parmi toutes les manières de définir le coefficient de température, la plus utilisée tient compte des valeurs minimale, maximale et nominale de la tension de sortie ainsi que des extrémums de la température de fonctionnement.

] / [ )10 (

6 ppm C

T T V

V TC V

MIN MAX NOMINAL

MIN

MAX °

−

= − 2.38

Cette méthode permet de garantir les spécifications en termes d’erreur pour une plage de température donnée. Néanmoins elle ne donne pas d’indications sur la forme de la courbe d’erreur du composant testé.

-50 -25 0 25 50 75 100

5.0004 5.0003 5.0002 5.0001 5.0000

V [V]

- 5.0002 - 5.0001

- 5.0003 - 5.0004

V

Limite inférieure

REF

Limite supérieure

Température [°C]

V

MAX

MIN

V_NONIMAL

T_MIN T_MAX

Figure 2-16 : Tension de référence en fonction de la température

A titre d’exemple la Figure 2-16 montre le comportement en température d’une source de tension de référence de 5V avec un coefficient de température de 0.6 ppm/°C sur une plage de température correspondant à la plage industrielle (-40°C à 85°C).

Pour un convertisseur A/N de 14 bits avec une température industrielle, le coefficient de température doit être de 1ppm/°C pour une erreur de conversion de 1 LSB.

2.5.1.3 Hystérèse thermique (Thermal hysteresis)

Sans modification de la tension d’alimentation et de la charge, un changement de la tension de sortie est provoqué par un changement de la température de fonctionnement. Lors d’un cycle de température, c’est-à-dire lorsque la température passe d’une valeur initiale à une température maximum et revient à sa valeur initiale, la tension de sortie ne reprend pas toujours la valeur correspondant à la température de départ. Ce comportement correspond à une hystérèse thermique. L’hystérèse thermique est difficile voir impossible à corriger.

2.5.1.4 Bruit large bande en 1/f (Noise 1/f and broadband)

Le bruit thermique comprend une partie large bande et une partie en 1/d de bande étroite. Le bruit thermique large bande peut être filtré par un simple réseau RC. Le bruit en 1/f, inévitable pour une référence de tension ne peut pas être filtré. En général le bruit en 1/f est spécifié dans la bande 0.1Hz – 10Hz. Ce paramètre est important pour le designer.

2.5.1.5 Dérive sur le long terme (Long-term drift)

Correspond à ne variation lente de la tension de sortie sur plusieurs mois de fonctionnement. La dérive à long terme est en général définie en ppm/1000hrs. Pour ces diodes Zener, la dérive à long terme est

de l’ordre de 6ppm/1000hrs. Cette dérive décroit exponentiellement avec le temps. Des cycles thermiques sur le composant peuvent accélérer la stabilisation de la diode Zener de référence. Pour des références de tension XFET, la dérive à long terme est de l’ordre de -0.2ppm/1000hrs.

2.5.1.6 Temps de stabilisation à l’enclenchement (Turn-on setting time)

Correspond au laps de temps nécessaire pour que la sortie atteigne sa valeur nominale (valeur finale) avec une tolérance définie. En général la tolérance est définie comme les 0.1 % de la valeur finale.

2.5.1.7 Régulation de ligne (Line regulation)

Correspond à une modification, continue dans le temps, de la tension de sortie lorsque la tension d’entrée (alimentation) est modifiée. Cette spécification DC n’inclut pas les transitoires ou les ondulations de la tension d’entrée.

2.5.1.8 Régulation de la charge (Load regulation)

Correspond à une modification, continue dans le temps, de la tension de sortie lorsque la charge est modifiée. Cette spécification DC n’inclut pas les transitoires lors de modifications de la charge.

2.5.1.9 Design du circuit imprimé (PCB layout)

Une mauvaise qualité du routage du circuit imprimé peut affecter les performances de la référence de tension en termes de bruit et de comportement thermique. Les contraintes sur le support du PCB peuvent provoquer une dérive de la tension de sortie.