EP0376787B1 - Dispositif de contrôle en température des caractéristiques d'un circuit intégré - Google Patents

Description

• La présente invention concerne un dispositif de contrôle en température des circuits intégrés monolithiques, plus particulièrement ceux qui sont réalisés sur des matériaux rapides du groupe III-V tel que GaAs.
• Le comportement en température des circuits réalisés sur substrats III-V est un des paramètres importants pour l'utilisateur. Il doit donc être pris en compte par le concepteur du circuit, soit en prévoyant une électrode de contrôle accessible, soit en réalisant sur le circuit un dispositif permettant de corriger les variations en fonction de la température de la ou des caractéristiques du circuit devant être stabilisées.
• Dans l'art antérieur sont décrites des méthodes extérieures au circuit, qu'il s'agisse de réguiation de la température ambiante, ou d'un asservissement comportant un élément variable en fonction de la température, corrigeant généralement par une tension un paramètre du circuit.
• C'est le cas par exemple du système de contrôle en température d'une tension décrit dans le brevet GB-A-960 015. La variation de température est détectée par un pont dans lequel deux résistances ont une valeur variable avec la température, mais ce système, destiné à des mémoires à tores de ferrite, n'est pas intégré au circuit qu'il contrôle.
• Le brevet US-A-4 723 108 décrit un sytème intégré sur la puce du circuit à contrôler, mais son principe est différent de celui de la présente invention.
• Selon ce document, un premier miroir de courant utilise la variation de tension de seuil d'un transistor comme détecteur de température, pour fournir à la sortie d'un second miroir de courant, une unique tension variable qui permet d'agir pour compenser les effets de la variation de température.
• Le dispositif de contrôle en température selon l'invention associe le circuit de contrôle au circuit à stabiliser, en un seul circuit réalisé dans une technologie circuit intégré homogène, microonde sur Arséniure de Gallium par exemple. La fabrication des deux circuits côte à côte sur le même substrat utilise les étapes standards du procédé technologique des filières circuits intégrés. La température est détectée directement sur le substrat et sert à contrôler une tension de correction.
• Cette technologie doit comporter au minimum deux types d'éléments résistifs, à coefficients de température différents. Il est possible alors de réaliser un pont diviseur associant ces deux types d'éléments, capable de fournir une tension variable en fonction de la température. Le dispositif à contrôler doit, lui, présenter la possibilité d'une compensation de ses dérives thermiques par une tension continue, comme, par exemple, la tension de polarisation grille pour commander le gain d un amplificateur à transistors à effet de champ.
• De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de contrôle en température des caractéristiques d'un circuit intégré, porté par un substrat, ce dispositif, réalisé sur le même substrat que le circuit à stabiliser, étant caractérisé en ce qu'il comporte un pont diviseur formé par quatre résistances (R₁ - R₄), alimenté entre deux tensions stables (DC₁ - DC₂), ces résistances étant, par groupes de deux (R₁ + R₄), (R₂ + R₃) montés en diagonales du pont, de coefficients de température opposés, et délivrant en leurs points milieux (A,B) deux tensions de contrôle, qui évoluent en sens inverses avec la température.
• L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant d'un exemple de réalisation, en conjonction avec les figures jointes qui représentent :
• figure 1 : schéma électrique du détecteur intégré sur la pastille de circuit intégré,
• figure 2 : schéma électrique d'une structure différentielle fournissant des tensions complémentaires fonction de la température,
• figure 3 : courbes de résistances en fonction de la température, pour les capteurs de mesure
• figure 4 : courbes de réponses de la structure de la figure 2, en fonction de la température.
• Le capteur de mesure du dispositif de contrôle selon l'invention comprend deux résistances R1 et R2 montées en pont diviseur de tension, alimenté à ses deux bornes par des générateurs extérieurs de tension continue, stables en température, DC1 et DC2; l'une de ces deux tensions peut être en potentiel OV du circuit (masse).
• Les résistances R1 et R2 ont des coefficients thermiques différents α1 et α2. La variation de résistance en fonction de la température peut s'écrive :
  
  $\text{R₁ = [1 + α₁ (T - T₀)] R₁₀}$

  

  
  
  avec
  T₀ = 20°C
  R₁₀ = R₁ pour T = 20°C
  De même :
  
  $\text{R₂ = [1 + α₂ (T-T₀)] R₂₀}$

  

  
  
  Pour simplifier les expressions, posons
  
  ${\text{β}}_{\text{T}}\text{= 1 + α₁ (T-T₀)}$

  

  
  
  ${\text{γ}}_{\text{T}}\text{= 1 + α₂ (T-T₀)}$

  

  
  
     La tension de sortie Vc1 du pont diviseur est variable en fonction de la température, et permet de contrôler le circuit.
• Le calcul des résistances du pont diviseur se fait à l'aide des équations suivantes :

  

  
  Soit un transistor à effet de champ, dont la dérive en température peut être compensée en modifiant sa tension grille de OV (à 80°C) à -0,3 V (à -40°C).
  
  $\text{T₁ = - 40°C → VC1 (T₁) = -0,3 V}$

  

  
  $\text{T₂ = + 80°C → VC1 (T₂) = 0V}$

  

  
  
  On peut écrire :

  

  

  
     Le choix de la valeur de DC1 permet de calculer la valeur de DC2 et le rapport des résistances R1 et R2 . La valeur de ces résistances est déterminée par la consommation acceptable dans le circuit contrôlé par rapport à la consommation dans le circuit de commande.
• Les valeurs des tensions d 'alimentation DC1 et DC2 peuvent alors servir de moyens de réglage à postériori du dispositif de contrôle en température.
• Considérons maintenant un dispositif de contrôle complet, capt eur et circuit de mise en forme, de tel structure différentielle que représenté en figure 2 : il est intégré à la même pastille de matériau semiconducteur que le circuit à contrôler en température. La température, détectée directement sur le substrat, sert à contrôler le gain d'une structure différentielle fournissant des tensions complémentaires fonctions de la température.
• Ainsi, un amplificateur peut être stabilisé en contrôlant un étage de cet amplificateur à contrôle automatique de gain. Une structure à effet de champ bigrille peut aussi être contrôlée si la tension contrôlante est appliquée sur la deuxième grille. Un oscillateur peut être stabilisé en température en appliquant une tension de contrôle sur un varactor du circuit. D'autres applications peuvent être concernées à partir du moment où la tension contrôlante peut être appliquée sur une grille d'un transistor ou bien sur une diode.
• La structure différentielle de la figure 2 comprend deux parties : une première partie qui détecte les variations de température et une seconde partie qui met en forme le signal destiné à la commande du circuit à contrôler en température.
• La détection des variations de température se fait avec un pont de résistances équilibré à T₀ (20° C par exemple) et qui fournit une tension proportionnelle à la température au fur et à mesure qu'elle varie. Ce pont est formé d'une part par les résitances R1 et R2, alimentées entre DC1 et la masse, et d'autre part les résistances R3 et R4, alimentées de la même façon. Les résistances du pont ont des coefficients de température opposés, montées en diagonales.
• Les résistances R1 à R4 ont même valeur à T₀ mais des coefficients de température opposés : R1 et R4 ont même coefficient et sont réalisées par exemple en titane (coefficient de température positif), tandis que R2 et R3 sont réalisées par exemple en tantale et ont un coefficient de température négatif, opposé à celui de R1 et R4. Les variations de ces résistances, avec la température, sont représentées en figure 3.
• Dans ce type de pont, les potentiels aux points milieux A et B, égaux à l'équilibre à T₀, se déplacent en sens opposés, ce qui augmente la valeur du signal de sortie.
• La seconde partie du dispositif est une structure différentielle à transistors. La charge des deux voies est active et peut donc être adaptée au circuit à compenser en température.
• Les transistors T2 et T3 sont alimentés, à travers la source de courant T1, entre DC1 et la masse : les tensions de déséquilibres aux points A et B du pont de résistances sont appliquées sur les grilles de T2 et T3. Les transistors de charge T4 et T7 servent à obtenir le bon point de fonctionnement à T₀. Les transistors T 5 et T6, commandés par les tensions DC3 et DC4, permettent de contrôler le gain de ce circuit différentiel en fonction du circuit à stabiliser. Les tensions de sortie sont délivrées aux points V2 et V3, communs respectivement à T2/T5 et à T3/T6. La tension V2, appliquée par exemple sur la grille d'un transistor du circuit à contrôler - qui est intégré sur la même pastille - permet d'en stabiliser les caractéristiques si la température évolue.
• La réponse du circuit, en fonction de la température, est donnée en figure 4. Las courbes V2 et V3 (trait plein) correspondent à une réponse équilibrée parce que DC3 = DC4. On peut déplacer l'équilibre en faisant varier l'une des tensions DC3 ou DC4, ce qui donne alors, par exemple, la courbe V3 en pointillé : DC3 ≠ DC4.
• La structure différentielle simplifiée présentée sur le schéma de principe peut être conçue plus complétement de manière à obtenir une réponse V2 ou V3 linéaire, parabolique, logarithmique, etc... en fonction des circuits à stabiliser. Les schémas de ces circuits de mise en forme sont de l'art connu en conception logique.
• L'intérêt de ce nouveau dispositif est son entière compatibilité avec les étapes de réalisation des filières microondes. Le circuit est de petite taille et peut être implanté à côté d'un transistor ou d'un varactor dans le circuit microonde à stabiliser en température.

Claims (3)

1. Dispositif de contrôle en température des caractéristiques d'un circuit intégré, porté par un substrat, ce dispositif, réalisé sur le même substrat que le circuit à stabiliser étant caractérisé en ce qu'il comporte un pont diviseur formé par quatre résistances (R₁ - R₄), alimenté entre deux tensions stables (DC₁ - DC₂), ces résistances étant, par groupes de deux montés en diagonales du pont (R₁ + R₄) (R₂ + R₃), de coefficents de température opposés, et délivrant en leurs points milieux (A, B) deux tensions de contrôle, qui évoluent en sens inverses avec la température.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit différentiel de mise en forme des signaux de contrôle, formé par deux premiers transistors (T₂, T₃) et leurs transistors de charges (T₄, T₇), alimentés par les tensions (DC₁, DC₂) d'alimentation du pont de mesure, au moyen d'une source de courant (T₁), les tensions de déséquilibre du pont étant appliquées aux grilles des deux premiers transistors (T₂,T₃) et les tensions de sorties (V₂,V₃) étant recueillies aux points communs entre les premiers transistors (T₂, T₃) et leurs transistors de charges (T₄, T₇).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, afin de régler le gain du circuit différentiel en fonction du circuit intégré à stabiliser, il comporte en outre deux transistors de réglage (T₅, T₆) montés en parallèle sur les transistors de charge (T₄, T₇), des tensions de réglage (DC₃, DC₄) étant appliquées sur les grilles des transistors de réglage (T₅, T₆).

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