EP0699989B1

EP0699989B1 - Circuit intégré avec fonction de démarrage rapide de sources de tension ou courant de référence

Info

Publication number: EP0699989B1
Application number: EP95401983A
Authority: EP
Inventors: Alexandre Malherbe
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1997-03-12
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: US5642037A; EP0699989A1; FR2724025A1; DE69500177T2; JPH0876867A; DE69500177D1; FR2724025B1; JP2818646B2

Description

L'invention concerne les circuits intégrés.
De nombreux circuits intégrés fonctionnent maintenant avec un mode normal et un mode de mise en attente à consommation réduite, appelé encore mode "standby". Ce mode "standby" est mis en oeuvre lorsque le circuit n'a pas besoin d'accomplir la totalité des fonctions normales pour lesquelles il est prévu; le circuit se contente alors de surveiller l'apparition d'un événement qui doit déclencher la réactivation des fonctions normales. Dans ce mode d'attente, il est souhaitable que les fonctions normales ne consomment pas inutilement du courant.
C'est pourquoi, il est maintenant courant de déconnecter un certain nombre de branches de circuit qui risquent de consommer inutilement du courant en mode d'attente. Le mode de mise en attente est défini par un état logique déterminé, 0 ou 1, d'un signal logique présent sur un noeud interne ou sur une borne d'accès extérieure du circuit. Ce signal logique sert à contrôler des interrupteurs qui coupent la consommation de courant dans différentes branches du circuit intégré.
La présente invention s'intéresse plus particulièrement au cas de la mise en attente de générateurs de tensions ou courants de référence dans les circuits intégrés. Ces générateurs sont les éléments de circuit qui fournissent des niveaux stables de tension ou courant nécessaires au fonctionnement des autres éléments du circuit intégré.
Comme pour d'autres fonctions du circuit intégré, il est utile de couper la consommation de courant de ces générateurs en mode d'attente. Toutefois, il est en général nécessaire que ces générateurs redémarrent très vite, et de manière contrôlée (en particulier sans oscillation), lorsqu'on repasse en mode de fonctionnement normal. Il est en effet indispensable que ces générateurs ne fournissent pas des états aléatoires incontrôlés pendant le temps que dure le rétablissement du mode normal.
De la même façon, ces générateurs de tension de référence ne doivent pas fournir des niveaux incontrôlés pendant les phases de remise sous tension du circuit intégré après coupure de l'alimentation de ce dernier.
On a donc imaginé que la consommation de courant dans ces générateurs de référence est contrôlée par un signal logique qu'on peut appeler "POR-STBY" : lorsque ce signal est à 1, on est en mode d'attente ("standby"); lorsqu'il est à zéro, on est en mode normal; et de plus, ce signal subit une transition de 1 à 0, établie par un circuit de redémarrage après coupure d'alimentation (circuit dit "Power-On-Reset" en anglais), lorsque la tension d'alimentation du circuit intégré retrouve un niveau suffisant après une coupure momentanée ou durable.
Un générateur de tension de référence (ou de courant de référence) en technologie CMOS comporte classiquement au moins une branche de circulation de courant dans laquelle on a en série un transistor à canal N et un transistor à canal P, l'un des deux ayant sa grille reliée à son drain. En général il y a au moins deux branches de ce type, et les deux branches sont couplées de manière à établir des recopies mutuelles de courant qui sont la base de la réalisation de tels générateurs de référence.
La figure 1 représente un exemple typique d'un générateur de référence, comportant quatre transistors, P1, P2 (canal P) et N1, N2 (canal N). Les transistors à canal P ont leurs grilles réunies et leurs sources reliées à une borne d'alimentation A à un potentiel Vdd. Les transistors à canal N ont leurs grilles réunies et leurs sources reliées à une borne de masse B. Les drains de P1 et N1 sont reliés pour constituer une première branche de courant; les drains de P2 et N2 sont reliés pour constituer une deuxième branche de courant. La grille de P1 est reliée à son drain et constitue une première sortie S1 fournissant une première tension de référence VrefP; la grille de N2 est reliée à son drain et constitue une deuxième sortie S2 fournissant une deuxième tension de référence VrefN.
Le circuit de la figure 1 est donc un double générateur de tensions de références. Il est utilisé lorsqu'on souhaite produire deux tensions de référence proches des tensions de seuil des transistors N et P respectivement du circuit intégré. De nombreux autres exemples de générateurs existent, fournissant une ou plusieurs tensions de référence.
La figure 2 représente une proposition déjà faite pour couper la consommation du générateur de référence de la figure 1 en mode d'attente, et pour redémarrer sur le front descendant du signal logique POR-STBY; ce front descendant apparaît après une mise en attente ou après un rétablissement de la tension d'alimentation Vdd.
Cette proposition consiste :

à insérer deux transistors Q1 et Q2, respectivement dans la branche P1, N1 et dans la branche P2, N2, ces transistors étant étant bloqués en mode d'attente et conducteurs en mode normal; par exemple ce sont des transistors à canal P insérés entre les transistors P1, P2 et la borne A à Vdd, et commandés par le signal POR-STBY; ou alors ce sont des transistors à canal N insérés entre N1, N2 et la masse et commandés par le complément logique NPOR-STBY du signal de commande POR-STBY;
à court-circuiter, par un transistor D1 à faible tension de seuil, les deux sorties de référence S1 et S2 pour leur donner un potentiel commun intermédiaire pendant la mise en attente;
et à placer une capacité C entre l'entrée POR-STBY et les grilles de transistors P1 et P2, ou entre la commande NPOR-STBY et les grilles de transistors N1 et N2.

Les transistors Q1 et Q2 coupent la consommation; le transistor D1 permet que les sorties S1 et S2 partent d'un même niveau moyen au moment d'un redémarrage; la capacité C permet de déséquilibrer fortement le circuit au moment du redémarrage (front descendant de POR-STBY) pour éviter que le générateur de référence ne retrouve trop lentement son état normal, surtout lorsque les transistors qui le composent sont fortement résistifs, ce qui est souvent le cas.
On s'est aperçu qu'un inconvénient de ce circuit est que les noeuds de sortie S1 et S2 sont à des potentiels flottants en mode d'attente; si ce potentiel était bien au milieu de l'intervalle entre les niveaux VrefN et VrefP, cela pourrait convenir. Mais on n'en est pas sûr. D'autre part, la capacité C est encombrante sur le circuit intégré. Enfin, ce circuit fonctionne à condition que la tension d'alimentation Vdd présente au moment du front descendant POR-STBY soit suffisamment haute. Or on souhaite de plus en plus des circuits qui fonctionnent même à très basse tension d'alimentation, et en particulier des circuits dont le redémarrage soit assuré pour un faible niveau de Vdd (2 volts environ) après coupure.
Pour apporter une solution globale à ce problème, et en particulier pour obtenir un redémarrage rapide et sûr du générateur après une coupure d'alimentation ou après une période de mise en attente, l'invention propose :

d'une part, comme on le faisait auparavant, d'interposer des transistors entre les branches du générateur de courant et la masse ou la borne d'alimentation à Vdd;
d'autre part de relier les sorties du générateur de référence à des potentiels de référence en mode d'attente; en pratique ces potentiels sont les potentiels d'alimentation des bornes A et B;
et enfin d'interrompre par une porte de transfert respective celle ou celles des liaisons grille-drain des transistors du générateur qui établissent des chemins de consommation de courant entre les bornes d'alimentation A et B du fait que les sorties sont reliées aux potentiels de référence au lieu de rester flottants.

Autrement dit, contrairement au principe général des circuits de mise en attente, principe qui veut qu'on se contente d'interrompe les liaisons à la masse ou à Vdd, ici on rajoute volontairement des liaisons vers la masse et vers la borne d'alimentation à Vdd; mais on place cependant un autre interrupteur (ou plusieurs) ailleurs pour compenser ce rajout.
L'invention propose donc un générateur de niveau de référence (tension ou courant), comportant :

au moins une première branche de circulation de courant dans laquelle on a en série un transistor à canal N et un transistor à canal P, l'un des deux, appelé ci-après transistor de référence, ayant son drain relié à sa grille en mode normal et cette grille étant reliée à une sortie du générateur,
des transistors de mode d'attente interposés entre chaque branche de circulation de courant et une borne d'alimentation,
et une entrée de commande de mode pour fournir un signal de mode qui bloque les transistors de mode d'attente en mode d'attente et qui les rend conducteurs en mode normal,

Par "porte de transfert", on entend un interrupteur qui est passant ou bloqué et qui, lorsqu'il est passant, introduit une très faible chute de tension. En pratique, une porte de transfert, appelée en anglais "pass-gate", est constituée par deux transistors de types de conductivité opposés, placés en parallèle et commandés par des signaux logiques complémentaires (ici, le signal de mode et son complément).
L'invention est applicable notamment pour un générateur de tension tel que celui de la figure 1, comprenant deux branches de circulation de courant ayant des transistors de type opposé en série dans chaque branche, les transistors des deux branches étant montés de manière que chaque branche recopie le courant dans l'autre.
S'il y a deux sorties de référence, comme c'est le cas pour le générateur de la figure 1, chacune des sorties peut être mise à un niveau de potentiel non flottant en mode d'attente, mais il n'est pas nécessaire d'interrompre par une porte de transfert la liaison grille-drain du transistor de référence de chacune des branches : une seule liaison peut être interrompue comme on l'expliquera plus loin. Celle qui est interrompue est celle qui risque d'introduire un chemin de consommation de courant en mode d'attente. Ceci dépend d'une part des potentiels non flottants auxquels sont reliées les sorties en mode d'attente, et d'autre part de la position des transistors de mode d'attente puisque ceux-ci peuvent être connectés à l'une ou l'autre des bornes d'alimentation (masse ou tension d'alimentation Vdd).
Enfin, dans le cas où on souhaite que les sorties du générateur soient reliées en mode d'attente à un potentiel qui n'est pas celui qui est le plus adapté à un redémarrage rapide du générateur, on procède comme suit : on connecte en mode d'attente les grilles des transistors de référence aux potentiels les plus adaptés à un redémarrage rapide; par ailleurs, on interpose entre ces grilles et les sorties du générateur des portes de transfert passantes en mode normal et bloquées en mode d'attente; et on relie les sorties aux potentiels désirés par l'intermédiaire de transistors bloqués en mode normal et conducteurs en mode d'attente.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

la figure 1, déjà décrite, représente un schéma de générateur de tension ou courant de référence de l'art antérieur;
la figure 2, déjà décrite, représente un schéma de générateur avec mode d'attente;
la figure 3 représente un schéma de générateur de référence selon l'invention;
la figure 4 représente un schéma modifié.

Le générateur de tension ou courant de référence de la figure 3 est construit à partir du schéma de base de la figure 1. En partant d'un autre schéma de base, on peut facilement déduire des explications qui suivent la manière de mettre en oeuvre la présente invention.
On comprendra qu'on peut parler indifféremment de générateur de tension de référence ou de générateur de courant de référence étant donné que tension et courant sont liés de manière indissoluble dans ce type de schéma : d'une part la tension de référence fournie est une tension grille-source de transistor et elle représente donc directement le courant traversant ce transistor; et d'autre part cette tension de référence est en général utilisée pour piloter des sources de courant dont la fonction est de recopier le courant traversant le transistor, courant qui est de ce fait un courant de référence.
Sur la figure 3, les éléments communs avec la figure 1 portent les mêmes références, et les explications données à propos de la figure 1 restent valables.
Le générateur comporte deux branches de circulation de courant alimentées entre les bornes d'alimentation A (Vdd) et B (la masse). Chaque branche comporte au moins deux transistors en série, P1 et N1 pour la première branche, P2 et N2 pour la deuxième; mais il pourrait y avoir plus de deux transistors dans chaque branche, en plus des transistors spécifiquement rajoutés pour le mode d'attente. N1 et N2 sont à canal N; P1 et P2 sont à canal P.
Les transistors des branches sont montés de manière que chaque branche recopie le courant de l'autre branche. Il s'agit d'une disposition classique, mais d'autres structures plus complexes sont possibles.
Pour effectuer cette recopie mutuelle, on monte les transistors P1 et P2 en miroir de courant, P2 recopiant le courant dans P1, et on monte les transistors N1 et N2 en miroir de courant, N1 recopiant le courant de N2.
Pour cela, les transistors P1 et P2 ont leurs grilles réunies entre elles et leurs sources reliées au même potentiel, ici le potentiel Vdd de la borne A. Le transistor P1 a, comme on le verra, sa grille reliée à son drain en mode de fonctionnement normal, mais sa grille déconnectée de son drain en mode d'attente. A cet effet, une porte de transfert PT1 est insérée dans la liaison grille-drain de P1.
Les transistors N1 et N2 ont leurs grilles réunies, leurs sources reliées à un même potentiel en fonctionnement normal. Ce potentiel est le potentiel de masse. Cependant, des transistors Q1 et Q2 sont interposés dans les liaisons source-masse des transistors N1 et N2. Lorsque ces transistors sont conducteurs (mode normal), les sources de N1 et N2 sont pratiquement au potentiel de masse et les deux branches (P1, N1) et (P2, N2) jouent leur rôle de recopie mutuelle de courant. Lorsqu'ils sont bloqués, le courant est interrompu dans les deux branches et celles-ci ne jouent plus leur rôle de recopie mutuelle de courant. Le drain de N2 est relié à sa grille.
Le générateur possède deux sorties S1 et S2 qui sont prélevées sur la connexion de grille de P1,P2 (sortie S1 fournissant en mode normal une tension de référence VrefP), et sur la connexion de grille de N1, N2 (sortie S2 fournissant en mode normal une tension de référence VrefN).
Les transistors Q1 et Q2 sont dans cet exemple des transistors à canal N montés entre les transistors N1 et N2 et la masse. On verra qu'ils pourraient aussi bien être des transistors à canal P montés entre les transistors P1 et P2 et la borne A. Ils doivent alors être commandés par un niveau logique inverse du cas représenté à la figure 3.
Le circuit comporte une entrée de commande de mode pour un signal de mode POR-STBY.
Dans l'exemple décrit on suppose que ce signal POR-STBY est au niveau logique 1 en mode d'attente, et au niveau logique 0 en mode normal. Ce signal subit une transition descendante de 1 vers 0 lors du changement de mode, ou également lorsqu'un circuit de redémarrage non représenté a détecté que la tension d'alimentation est redevenue suffisante après une interruption. Le signal POR-STBY est donc un signal obtenu à la fois à partir d'un ordre de changement de mode et à partir de la sortie d'un circuit de redémarrage après coupure d'alimentation (circuit dit "Power-On-Reset" en anglais).
Un inverseur INV1 fournit un niveau logique NPOR-STBY complémentaire du signal POR-STBY.
Les transistors Q1 et Q2 sont commandés par la sortie NPOR-STBY de l'inverseur INV1 puisqu'ils doivent être conducteurs en mode normal et bloqués en mode d'attente.
La porte de transfert ("pass-gate") PT1 est commandée par les signaux POR-STBY et NPOR-STBY de manière à être passante en mode normal et bloquée en mode d'attente.
On prévoit par ailleurs que les sorties S1 et S2 sont mises à des potentiels non flottants en mode d'attente. Ceci pour permettre un redémarrage plus rapide du générateur lors du retour au mode normal, et également pour permettre éventuellement d'utiliser les sorties S1 et S2 à des fins logiques sur les étages suivants, même en mode d'attente.
Pour cela, un transistor Q3 et un transistor Q4 permettent de relier, en mode d'attente, l'une des sorties S1, S2 à la masse et l'autre à Vdd.
Dans l'exemple représenté, le transistor Q3 est connecté entre la sortie S1 et la masse. C'est un transistor à canal N commandé par le signal POR-STBY. Et un transistor Q4 est relié entre la sortie S2 et la borne A à Vdd. C'est un transistor à canal P commandé par le signal complémentaire NPOR-STBY.
Le rôle de la porte de transfert PT1 est le suivant:
Si elle n'était pas là pour interrompre la liaison drain-grille de P1 en mode d'attente, un chemin de courant existerait entre la borne A et la masse par le transistor P1 (conducteur du fait de la mise à la masse de sa grille par Q3), la liaison drain-grille de P1, et le transistor Q3 qui met la grille de P1 à la masse. En bloquant la liaison grille-drain en mode d'attente on interrompt ce chemin de consommation de courant sans empêcher la mise à la masse de la sortie S1.
On notera qu'il n'est pas nécessaire de prévoir une porte de transfert similaire dans la liaison grille-drain du transistor N2. Toutefois, si les transistors Q1 et Q2 étaient insérés entre les transistors P1 et P2 et la borne A, au lieu d'être reliés entre N1 et N2 et la masse, alors c'est la liaison grille-drain de N2 et non pas la liaison grille-drain de P1 qui devrait comporter une porte de transfert.
Avec le schéma de la figure 3, on obtient un redémarrage garanti du générateur, rapide et sans oscillation, que ce soit au passage en mode normal après mise en attente, ou que ce soit au redémarrage après une interruption d'alimentation.
Il est possible que l'on souhaite avoir sur les sorties du générateur en mode d'attente non pas un niveau 0 sur S1 et un niveau 1 sur S2 mais le contraire. Ou encore, on peut souhaiter d'autres niveaux de référence sur S1 et S2 en mode d'attente. Cependant, pour assurer un redémarrage rapide du générateur, les potentiels les plus adaptés sont un potentiel 0 sur la grille du transistor P1 (borne S1) et un potentiel Vdd sur la grille du transistor N1 (borne S2).
Dans ce cas, le schéma de la figure 4 peut être utilisé. Les éléments sont les mêmes qu'à la figure 3, mais on a rajouté, en aval des sorties S1 et S2, des portes de transferts PT2 et PT3. Ces portes, commandées par le signal POR-STBY et son complément NPOR-STBY, sont passantes en mode normal et introduisent une très faible chute de tension. On obtient donc sur les sorties S'1 et S'2 pratiquement les mêmes tensions de référence VrefP et VrefN que sur S1 et S2. S'1 et S'2 sont alors utilisées comme les véritables sorties du générateur de niveau de référence. On rajoute en outre deux transistors Q5 et Q6, conducteurs seulement en mode d'attente, pour relier les sorties S'1 et S'2 aux potentiels désirés en mode d'attente. Ici, Q5 est un transistor à canal P reliant S'1 à Vdd en mode d'attente. Q5 est commandé par NPOR-STBY. Et Q6 est un transistor à canal N reliant S'2 à la masse en mode d'attente. Q6 est commandé par POR-STBY.

Claims

Générateur de niveau de référence en circuit intégré, comportant :
- au moins une première branche de circulation de courant dans laquelle on a en série un transistor (N1, N2) à canal N et un transistor (P1, P2) à canal P, l'un des deux (P1), appelé ci-après transistor de référence, ayant son drain relié à sa grille en mode normal et cette grille étant reliée à une sortie (S1) du générateur,

- des transistors de mode d'attente (Q1, Q2) interposés entre chaque branche de circulation de courant et une borne d'alimentation (A, B),

- et une entrée de commande de mode pour fournir un signal de mode (POR-STBY) qui bloque les transistors de mode d'attente (Q1, Q2) en mode d'attente et qui les rend conducteurs en mode normal,
caractérisé en ce que d'une part un transistor (Q3, Q4) commandé par le signal de mode est relié entre la sortie et un potentiel de référence non flottant, et d'autre part une porte de transfert (PT1) est insérée entre la grille et le drain du transistor de référence (P1), cette porte étant commandée par le signal de mode pour être bloquée en mode d'attente.
Générateur selon la revendication 1, caracatérisé en ce que le potentiel de référence non flottant est une borne d'alimentation (A ou B) du générateur.
Générateur de niveau de référence selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux branches de circulation de courant ayant des transistors de type opposé en série dans chaque branche, les transistors des deux branches étant montés de manière que chaque branche recopie le courant dans l'autre.
Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux sorties (S1, S2), et deux transistors de référence (P1, N2) ayant chacun leur grille reliée à leur drain et à une sortie respective en mode normal, et en ce qu'une porte de transfert (PT1) est insérée dans la liaison grille-drain d'un seul des transistors de référence (P1).
Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le potentiel de référence est une première borne d'alimentation (B) pour la première sortie et une deuxième borne d'alimentation (A) pour la deuxième sortie.
Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on interpose entre les grilles des transistors de référence (P1, N2) et les sorties correspondantes (S'1, S'2) du générateur, des portes de transfert (PT2, PT3), passantes en mode normal et bloquées en mode d'attente, et en ce qu'on relie les sorties (S'1, S'2) à des potentiels désirés en mode d'attente par l'intermédiaire de transistors (Q5, Q6) bloqués en mode normal et conducteurs en mode d'attente.