FR2529037A1 - Generateur d'impulsions prevu pour la fabrication en circuit integre - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES GENERATEURS D'IMPULSIONS EN CIRCUIT INTEGRE. LE GENERATEUR D'IMPULSIONS CONFORME A L'INVENTION EST PREVU POUR LA FABRICATION EN CIRCUIT INTEGRE AVEC LA TECHNOLOGIE CMOS ET IL FONCTIONNE A UNE FREQUENCE SELECTIONNEE VOISINE DE 100KHZ, AVEC UN RAPPORT CYCLIQUE PREDETERMINE (PAR EXEMPLE 20). LE GENERATEUR COMPREND NOTAMMENT UN OSCILLATEUR EN ANNEAU T23-T29, T33-T39 DONT ON PEUT FAIRE VARIER LA FREQUENCE PAR LE REGLAGE D'UNE SEULE RESISTANCE EXTERNE R1. UN ETAGE DE COMBINAISON T30, T40 REAGIT AUX CONDITIONS ELECTRIQUES DANS AU MOINS DEUX ETAGES DE L'OSCILLATEUR DE FACON A ETABLIR LE RAPPORT CYCLIQUE DESIRE. APPLICATION AUX GENERATEURS INCORPORES DANS UN CIRCUIT INTEGRE POUR LE TEST D'UN CIRCUIT PRINCIPAL.

Description

252903 ?

La présente invention concerne des générateurs d'impulsions et elle porte plus particulièrement sur des générateurs d'impulsions ayant une fréquence et un rapport

cyclique prédéterminés, d'un type se prêtant à la fabrica-

tion sous forme de circuit intégré L'invention porte en

outre sur des circuits à faible courant employant la techno-

logie des transistors à effet de champ métal-oxyde-semicon-

ducteur de type complémentaire (CMOS).

Il est apparu nécessaire de disposer d'un généra-

teur d'impulsions formé sur un circuit intégré, ayant une faible consommation de courant, une fréquence pouvant être commandée et un rapport cyclique sélectionné La fréquence

doit pouvoir être commandée de l'extérieur du circuit inté-

gré avec un nombre minimal de composants et un nombre mini-

mal de plots de connexion sur le circuit intégré L'applica-

tion impose également que la fréquence et le rapport cycli-

que aient un niveau élevé de stabilité en température.

Dans l'application pratique envisagée pour l'in-

vention, la fréquence centrale désirée est de 100 k Hz avec

une plage de réglage possible d'au moins 3 à 1 ( 60-180 k Hz).

Le rapport cyclique désiré est voisin de 20 % et on désire également que la fréquence et le rapport cyclique aient une bonne stabilité en température sur une gamme de température

étendue (de façon caractéristiq Le 20-125 C).

On sait qu'on peut aisément fabriquer un oscilla-

teur en anneau en utilisant la technologie CMOS Dans l'exem-

ple connu, l'oscillateur ne fait pas partie du circuit utile, mais il est utilisé pour contrôler le processus par lequel

le circuit utile est formé sur le circuit intégré L'oscil-

lateur comprend de façon caractéristique jusqu'à 19 étages, du fait que les exigences de puissance et d'aire de la puce sont faibles L'invention ad 7 apte la technique de l'oscilla-

teur en anneau pour la réalisation d'un générateur d'impul-

sions ayant les caractéristiques de performances désirées.

Un but de l'invention est donc de réaliser un générateur d'impulsions perfectionné pour la fabrication en

circuit intégré.

Un autre but de l'invention est de réaliser un générateur d'impulsions perfectionné pour la fabrication en circuit intégré dans lequel on puisse aisément sélectionner

la fréquence.

Un but supplémentaire de l'invention est de réali-

ser un générateur d'impulsions perfectionné pour la fabrica-

tion en circuit intégré ayant un rapport cyclique désiré.

Un autre but encore de l'invention est de réaliser un générateur d'impulsions perfectionné pour la fabrication

en circuit intégré ayant une faible consommation de courant.

Un but supplémentaire de l'invention est de réali-

ser un générateur d'impulsions perfectionné pour la fabrica-

tion en circuit intégré, dans lequel la fréquence et le rapport cyclique soient stables en présence d'une grande

variation de température.

Ces buts de l'invention, ainsi que d'autres, sont atteints dans un générateur d'impulsions original pour la fabrication en circuit intégré, ayant une fréquence et un

rapport cyclique prédéterminés Dans le générateur d'impul-

sions, il existe une borne positive destinée à être connec-

tée à une source de potentiel de polarisation, et une borne commune Le générateur d'impulsions comprend un oscillateur en anneau comportant un nombre impair d'étages inverseurs à transistors à effet de champ métaloxyde-semiconducteur de

type complémentaire (CMOS) Chaque étage comprend un dispo-

sitif à canal p, dont la source est connectée à la borne

positive, et un dispositif à canal N dont le drain est con-

necté au drain du dispositif p associé La connexion de

drain forme une sortie de cet étage Les grilles des disposi-

tifs p et N de chaque étage sont connectées ensemble Le noeud de grille forme une entrée de cet étage L'entrée de chaque étage est connectée à la sortie de l'étage précédent

de façon à former un anneau.

De plus, les sources des dispositifs N sont con-

nectées ensemble; et une résistance de valeur présélection-

née connecte la connexion de source à la borne commune La valeur choisie pour la résistance détermine la fréquence de l'oscillateur et, dans une moindre mesure, le rapport cyclique. Il existe en outre des moyens de combinaison qui réagissent à des conditions électriques dans deux au moins des étages de l'oscillateur en anneau de façon à produire une impulsion de sortie ayant le rapport cyclique désiré Les moyens de combinaison ont un ou deux

seuils.

Dans un premier mode de réalisation, l'impulsion de sortie est déclenchée lorsqu'un signal d'entrée franchit une valeur de seuil dans un premier sens et l'impulsion de sortie est terminée lorsqu'un signal d'entrée franchit une valeur de seuil dans le sens opposé Plus précisément, les moyens de combinaison réagissent à la différence

entre une première tension sur la grille de l'étage inver-

seur de rang i et une seconde tension sur la grille de l'éta-

ge inverseur de rang j Un changement de la première tension

de grille, alors que la seconde-tension de grille est prati-

quement constante, établit une limite de l'impulsion de sor-

tie, et un changement de la seconde tension de grille, alors que la première tension est pratiquement constante, établit l'autre limite de l'impulsion de sortie Dans ce mode de réalisation, "i" et "ô" représentent des étages inverseurs

adjacents, indiqués dans l'ordre dans lequel ils se succè-

dent. Dans le premier mode de réalisation, le circuit des

moyens de combinaison comprend un étage CMOS com-

portant un dispositif à canal p et un élément d'absorption de courant à dispositif à canal n Le drain du dispositif p de combinaison est connecté au drain du dispositif

d'absorption de courant La source du dispositif d'absorp-

tion de courant est connectée à la masse et la grille est connectée à la borne positive La source du dispositif p de combinaison est connectée au noeud de grille de l'étage inverseur de rang i, et la grille du dispositif-p de combinaison est connectée au noeud de grille

de l'étage inverseur de rang j Le signal de sortie de com-

binaison est prélevé sur l'interconnexion entre les drains des moyens de combinaison Selon un autre aspect de l'invention, il existe des moyens destinés à valider l'oscillateur, qui comprennent un dispositif N intercalé dans un circuit série entre les sources des dispositifs n de l'oscillateur et la résistance, avec la grille connectée

à une source de potentiels de commande.

De plus, les substrats de tous les dispositifs n dans l'oscillateur en anneau sont connectés à la masse, pour procurer un effet de sbstat qui augmente l'excursion de tension sur les connexions de sortie-entrée des étages de

l'oscillateur en anneau.

L'oscillateur en anneau est fabriqué dans un cir-

cuit intégré tandis que la résistance est un composant

externe Ceci permet de sélectionner la fréquence de l'oscil-

lateur après la fabrication du circuit intégré, par la sélection d'une valeur de résistance désirée De plus, le circuit intégré peut comporter un nombre facultatif d'étages supplémentaires pour l'oscillateur en anneau, de façon à permettre une variation du rapport cyclique après diffusion

des dispositifs sur le circuit intégré (CI), par l'utilisa-

tien d'une métallisation facultative parmi deux Une métalli-

sation facultative connecte les étages supplémentaires dans le circuit de l'oscillateur en anneau, tandis que l'autre

déconnecte les étages supplémentaires du circuit de l'oscil-

lateur en anneau. Le générateur d'impulsions est complété par un circuit séparateur qui peut prendre la forme d'un étage

amplificateur CMOS ou d'une porte à hystérésis.

Dans un second mode de réalisation, qui permet d'utiliser de plus petits dispositifs dans l'oscillateur en anneau, les moyens de combinaison comprennent des

premier et second amplificateurs à seuil, dont l'un est con-

necté à la grille de l'étage inverseur de rang i, et déclen-

che une impulsion de sortie lorsque le signal présent sur la grille de rang i franchit une valeur de seuil; et dont l'autre est connecté à la grille de l'étage inverseur de rang j, et met fin à l'impulsion de sortie lorsque le signal

présent sur la grille de rang j franchit une valeur de seuil.

Les caractères "i" et "j" sont indiqués en ordre successif, j représentant l'étage de rang (i + 2 n) de l'oscillateur en anneau à m étages, N étant un nombre entier (habituellement

égal à 1) utilisable, dans la limite du nombre total d'éta-

ges m Chaque amplificateur à seuil comprend un dispositif

à canal p et un élément d'absorption de courant à disposi-

tif à canal n La grille du dispositif à canal p est connec-

tée au noeud de grille de l'étage inverseur (de rang i ou j) approprié Le drain du dispositif à canal p est connecté au drain du dispositif à canal N associé, et la source du dispositif à canal N est connectée à la masse Le signal de sortie de combinaison de chaque amplificateur à

seuil est prélevé sur l'interconnexion de drain.

Selon un autre aspect du second mode de réalisa-

tion, la connexion conductrice allant des sources des dispo-

sitifs à canal p des étages inverseurs de l'oscillateur vers la borne positive, est constituée par une diode Du fait que les sources des dispositifs à seuil à canal p sont connectées à la borne positive, les potentiels grille-source des amplificateurs à seuil sont augmentés, et leur niveau de

conduction est augmenté, pour un niveau d'oscillation donné.

Il existe également un étage de sortie qui com- prend un dispositif à canal p et un dispositif à canal n La source du dispositif à canal p de sortie est connectée au drain du dispositif à canal p de seuil, connecté à l'étage inverseur de rang i Les grilles des dispositifs de sortie

à canal p et à canal N sont connectées au drain du disposi-

tif à canal p de seuil, connecté à l'étage inverseur de rang j La source du dispositif à canal N de sortie est connectée

à la borne commune On obtient une impulsion de sortie pra-

tiquement rectangulaire sur les drains interconnectés des

dispositifs de sortie à canal p et à canal n.

La suite de la description se réfère aux dessins

annexés qui représentent respectivement: Figure 1 (a): un schéma électrique d'un premier mode de réalisation d'un générateur d'impulsions original pour la fabrication en circuit intégré, ayant un rapport cyclique différent de 50 % et comprenant un oscillateur en

anneau ayant au choix 5 ou 7 étages, un étage de combinai-

son et un circuit séparateur de sortie; Figure 1 (b): une version modifiée du mode de réalisation de la figure 1 (a), utilisant une porte à hystérésis à la place du circuit séparateur de sortie Figure 2: un schéma électrique d'un second mode de réalisation du générateur d'impulsions original; Figure 3 (a): un diagramme des signaux de tension sur les grilles d'étages individuels dans l'oscillateur en anneau du mode de réalisation de la figure 1; Figure 3 (b): un diagramme du signal à faible rapport cyclique qui apparaît à la sortie de l'étage de combinaison, avant l'application au circuit séparateur de sortie; et

Figures 4, 5, 6, 7 et 8: des courbes de perfor-

mances du mode de réalisation de la figure 1 (b), réalisé à

l'état de maquette en utilisant des dispositifs discrets.

On va maintenant considérer la figure 1 (a) qui montre un générateur d'impulsions original réalisé sous la forme d'un circuit intégré, et produisant un signal ayant une dissymétrie temporelle (un rapport cyclique de 20 %) et ayant une fréquence réglable qui peut être fixée par des

moyens externes au circuit intégré Le générateur d'impul-

sions comprend un oscillateur en anneau qui comporte au choix cinq étages (T 25-T 29; T 35-T 39) ou sept étages

(T 23-T 29; T 33-T 39), un étage de validation (T 42) qui vali-

de ou invalide l'oscillateur en anneau, un étage de combi-

naison (T 30, T 40), qui réagit à des conditions électriques dans l'oscillateur en anneau de façon à produire un signal sous forme d'impulsions à partir duquel on peut obtenir le rapport cyclique désiré, et un étage séparateur de sortie (T 31, T 41) qui produit le signal de sortie avec le rapport cyclique désiré, avec une forme plus proche d'une forme

rectangulaire Le circuit séparateur de sortie est notable-

ment isolé de l'oscillateur en anneau et de l'étage de com-

binaison Il existe une résistance RI, externe au circuit

intégré (CI) qui est destinée à établir la cadence de répé-

tition ou la fréquence du signal de sortie.

On va maintenant décrire le générateur d'impul-

sions en supposant que l'oscillateur en anneau est connecté pour le fonctionnement avec cinq étages et que les deux étages facultatifs sont inactifs Dans ces conditions, les connexions facultatives OP 1, OP 3 et OP 6 sont fermées; et les connexions facultatives OP 2, OP 4 et OP 5 sont laissées

ouvertes Comme représenté, l'oscillateur en anneau consis-

te en une succession d'un nombre impair (par exemple 5, 7)

d'étages inverseurs à transistors à effet de champ complé-

mentaires Chaque étage comprend un dispositif à canal p (T 25-T 29) et chaque étage comprend un dispositif à canal n

(T 35-T 39).

Plus précisément, les dispositifs sont représentés par une ligne verticale longue représentant le canal et deux lignes horizontales courtes près des extrémités supérieure et inférieure du "canal", représentant les électrodes de source et de drain Une flèche dessinée entre les électrodes

a sa pointe dirigée à l'opposé du canal lorsque le disposi-

tif est un dispositif à canal p (matière de conductivité de

type N dans le canal), et vers le canal lorsque le disposi-

tif est un dispositif à canal N (matière de conductivité de type p dans le canal) La ligne verticale courte à gauche du

canal représente la grille isolée et correspond à l'élèctro-

de d'entrée ou de commande du dispositif.

Dans un dispositif à canal p, la source et le drain consistent en petites diffusions p+ dans un substrat dopé avec le type n, sur lesquelles sont appliquées des électrodes Du fait qu'on peut inverser la source et le drain en inversant la connexion de polarisation, dans un dispositif à canal p on appelle par convention "source" le contact polarisé au potentiel le plus positif, tandis qu'on appelle "drain" le contact polarisé au potentiel le moins positif La conduction entre la source et le drain résulte de l'induction d'un canal p dans la matière n, immédiatement au-dessous de la grille isolante La conduction se produit lorsque la grille devient négative par rapport à la source, avec un écart supérieur à un seuil du dispositif, ce qui

permet la conduction par la création de porteurs majoritai-

res (trous positifs) entre les électrodes de source et de drain Ceci constitue ce qu'on appelle le fonctionnement en

"mode d'enrichissement".

Les dispositifs à canal N sont formés dans un caisson p plus grand, qui contient deux régions n+ munies d'électrodes, définissant respectivement la source et le

drain et mutuellement espacées de façon qu'une grille iso-

lée puisse être appliquée sur la région située entre les deux diffusions Comme dans le cas du dispositif à canal p, on peut également inverser les électrodes d'un dispositif à canal n On appelle par définition électrode de source celle qui est polarisée le plus négativement et on appelle drain l'électrode qui est polarisée le moins négativement Le dis- positif à canal N devient conducteur sous l'effet de l'application à la grille d'un potentiel positif qui induit des charges majoritaires (électrons) dans le canal n La conduction se produit lorsque le potentiel positif appliqué à la grille, mesuré par rapport à la source, dépasse le

seuil du dispositif.

Dans la configuration à transistors à effet de

champ métal-oxyde-semiconducteur (TEC MOS) de type complé-

mentaire qui est décrite ici, chaque étage inverseur (par exemple T 25, T 35) comprend un dispositif à canal p (T 25) et un dispositif à canal N (T 35) La source et le substrat

du dispositif à canal p sont connectés à la ligne de pola-

risation Vdd à + 7,5 V, tandis que le drain du dispositif à

canal p est connecté au drain du dispositif à canal n.

Comme représenté, le substrat du dispositif à canal N est

connecté à la masse du circuit intégré, tandis que la sour-

ce est connectée à la masse par une porte de validation (T 42) et une résistance externe RI (comme on le décrira ci-après de façon plus complète) Les grilles des deux transistors T 25 et T 35 sont connectées ensemble et forment l'entrée de l'étage Les drains des deux transistors sont

connectés ensemble et forment la sortie de l'étage.

Chaque étage fonctionne à la manière d'un inver-

seur Si on suppose que les grilles sont à un potentiel bas (c'est-à-dire que Vgs (tension grille-source) est proche de zéro), la porte de validation (T 42) est conductrice, ce qui connecte les sources des dispositifs N à la masse par la

résistance externe Ri, le dispositif N est bloqué et le dis-

positif p est conducteur, ce qui donne à la sortie un poten-

tiel haut (proche de Vdd) Si on suppose que les grilles sont à un potentiel haut (proche de Vdd), le dispositif n est conducteur et le dispositif p est bloqué, et la sortie est à un potentiel bas Si on suppose que les grilles d'un étage sont à un potentiel intermédiaire et passent à un potentiel correspondant au blocage de l'étage précédent, les

drains sont à un potentiel intermédiaire et les deux dispo-

sitifs conduisent et commutent vers un état totalement con-

ducteur. On va maintenant considérer l'oscillateur en anneau dans son ensemble; les drains de sortie de l'étage (T 25, T 35) sont connectés aux grilles d'entrée de l'étage suivant (T 26, T 36), dont les drains sont rebouclés vers les grilles d'entrée de l'étage initial (T 25, T 35) Toutes les sources des dispositifs N (T 35, T 39) sont connectées au

drain du transistor de validation T 42, qui est un disposi-

tif à canal n Le substrat de T 42 est connecté à la masse et sa source est connectée au plot de connexion Pl, à la périphérie du circuit intégré Le plot Pl est connecté par la résistance externe Rl à une masse située à l'extérieur

de la puce La "masse à l'extérieur de la puce" est connec-

tée électriquement en commun avec les masses du substrat

qui sont représentées sur le circuit intégré.

Si on suppose que l'étage de validation (T 42)

est conducteur, les sources des dispositifs N sont connec-

tées à la masse par la résistance externe Rl, et l'oscilla-

teur en anneau est validé de façon à fonctionner Les con-

nexions entrée-sortie décrites jusqu'ici forment un anneau, d'o vient le nom de l'oscillateur Si on suppose que le fonctionnement se poursuit avec le gain nécessaire, chaque étage fait passer l'étage suivant dans un état opposé, et le processus se poursuit jusqu'au dernier étage de l'anneau,

puis il redémarre avec le premier étage de l'anneau.

La fréquence des oscillations de l'oscillateur en anneau, ainsi que celle du générateur d'impulsions, est fonction de la durée nécessaire pour que chaque étage s'inverse puis se réinverse, et du nombre d'étages Si on suppose que les grilles connectées au noeud Gi sont à un potentiel bas et que ce potentiel commence à augmenter en direction du potentiel B+, le dispositif p T 25 est fortement conducteur et le dispositif N T 35 est presque bloqué Les drains de T 25, T 35 sont connectés aux grilles de T 26, T 36, avec T 26 presque bloqué et T 36 fortement conducteur Dans cet état, la charge induite dans le canal p sous la grille de T 26 est négligeable (du fait que le substrat et la grille sont à un potentiel proche du potentiel B+), et une charge

positive est induite dans le canal N sous la grille du dis-

positif N T 36 Le dispositif p T 25 est validé mais conduit un courant faible du fait que le dispositif N T 36 a une grille isolée Si on suppose que le dispositif N T 36 devient conducteur, un courant est absorbé à partir de la grille de T 26 (ce qui provoque sa charge) et à partir de la grille de T 36 (ce qui provoque sa décharge) Le processus de charge et de décharge des deux grilles prend une durée définie, et les vitesses de charge et de décharge dépendent

de la capacité des grilles et du niveau de courant fourni.

Pendant cette inversion, la vitesse de commutation dépend également de la résistance Rl et du potentiel Vdd L'effet de la conductance et de la transconductance du canal N est négligeable. Dans l'autre état, avec T 25 presque bloqué et

T 35 fortement conducteur, une durée différente est nécessai-

re pour changer l'état de l'étage Il résulte des hypothèses ci-dessus que T 26 est fortement conducteur et que T 36 est presque bloqué, et le potentiel sur les grilles de T 25, T 35 diminue dans la direction qui conduit au déblocage de T 25 et au blocage de T 35 A l'instant de démarrage, la grille de T 26 porte une charge du fait que cette grille est à l'état bas et que le substrat est au potentiel B+, et la grille de T 36 porte une charge négligeable du fait que la grille est à l'état bas et que le substrat (le caisson p) est proche du potentiel de la masse Le transistor T 35 est validé mais absorbe un courant négligeable du fait que T 25 est presque

bloqué et que les grilles de T 26 et T 36 sont isolées.

Lorsque T 25 commence à conduire, il commence à décharger la grille de T 26 et à charger la grille de T 36 vers le poten- tiel du bus B+ Le processus de charge et de décharge des grilles demande une durée définie Les vitesses de charge et de décharge dépendent ici encore de la capacité des

grilles et du niveau de courant fourni Pendant cette inver-

sion, la vitesse de commutation dépend essentiellement de la conductance et de la transconductance du canal p, mais elle dépend également de Ri, à un degré moindre Les deux

vitesses d'inversion sont différentes et la première inver-

sion demande davantage de temps, à cause de la dissymétrie

des conductivités qui résulte de la résistance série RI.

On peut obtenir en pratique une plage de réglage de fréquen-

ce supérieure à 3 à 1, sous l'effet de la variation de Ri.

L'explication simplifiée précédente décrit appro-

ximativement les signaux qu'on peut observer dans l'oscilla-

teur en anneau et le mécanisme de commande de fréquence.

Lorsque la boucle est fermée, le même signal apparaît de façon générale à l'entrée de chaque étage et il progresse dans l'oscillateur jusqu'au dernier étage, puis il retourne au premier étage et se répète Sur la base d'une version du CI sous forme de maquette, fonctionnant à 100 k Hz, on a déterminé que la valeur moyenne du signal s'équilibre à environ 2 V audessous de la tension Vdd, et présente des

excursions vers la masse et vers Vdd La valeur des excur-

sions de tension dans ce mode de réalisation pratique est d'environ 5 V, avec une valeur de 7,5 V pour Vdd Si les dispositifs ont un gain plus élevé, l'excursion de tension est un peu plus grande, et s'ils ont un gain inférieur,

l'excursion de tension est un peu inférieure- Les disposi-

tifs de chaque étage sont traversés par des courants très faibles et une charge branchée sur n'importe quel étage affecte notablement les limites de fonctionnement de cet étage. Du fait que chaque étage d'un oscillateur en anneau à cinq étages d'un générateur d'impulsions fonctionne en passant par une séquence de commutation similaire, on peut prévoir qu'undétecteur conçu de façon à détecter un

signal dans le même étage de l'oscillateur en anneau détec-

tera des intervalles égaux (c'est-à-dire 1/2 1/2), tandis qu'on peut prévoir que ledétecteur détectant des signaux

dans des étages successifs de l'oscillateur en anneau détec-

tera des intervalles inégaux (c'est-à-dire 1/5-4/5; 1/7-6/7) L'étage de combinaison (T 30-T 40) coopère avec

l'oscillateur en anneau et procure la fonction de défini-

tion des caractéristiques temporelles de sortie pour le générateur d'impulsions Il détecte deux signaux successifs

(G 5, Gi) et produit un signal de sortie sous forme d'impul-

sions ayant un rapport cyclique d'environ 20 % dans le mode

de réalisation théorique.

L'étage de combinaison (T 30, T 40) du générateur d'impulsions est connecté de la façon suivante: T 30 est un

dispositif à canal p dont la source est connectée à la con-

nexion de grille G 5 du cinquième étage (T 29, T 39), qui est

également la connexion de drain de sortie du quatrième éta-

ge (T 28, T 38) Le drain de T 30 est connecté au drain du dispositif N T 40 Le substrat de T 30 est connecté au bus Vdd Le substrat et la source de T 40 sont connectés à la masse La grille de T 30 est connectée au drain de sortie du cinquième étage (T 29, T 39), ainsi qu'à la connexion de grille Gi du premier étage (T 25, T 35) La grille de T 40 est connectée au bus Vdd Le signal de sortie de l'étage de combinaison est un signal ayant approximativement le rapport cyclique de 20 % désiré Il apparait sur les

drains de T 30, T 40.

L'intervalle de conduction de l'étage de combi-

naison (T 30, T 40), et donc la tension de sortie sur la con-

nexion de drain D 6, en négligeant la charge, les éléments parasites et les effets de substrat modificateurs de T 30, sont

essentiellement fonction de la différence de tension appli-

quée entre la grille et la source de T 30 Le signal de D 6 représente, dans une moindre mesure, un effet de charge par

l'étage de combinaison des étages de l'oscillateur, de nou-

veaux chemins de charge et de décharge pour les condensateurs parasites de l'oscillateur, et un changement dans l'effet de

substrat,lorsque la source de T 30 tombe au-dessous du poten-

tiel Vdd auquel le substrat de T 30 est maintenu Ainsi, le signal de sortie est fonction, dans un moindre degré, de l'état de conduction de l'étage d'oscillateur (T 29, T 39) de l'état de conduction de T 40 connecté entre D 6 et la masse,

et de l'état de conduction de T 30 et T 28 de l'étage d'oscil-

lateur (T 28, T 38), qui sont connectés en série entre D 6 et le bus Vdd (On peut suivre ce dernier chemin de courant de D 6 jusqu'au bus Vdd, en passant par le drain de T 30, la source de T 30, le noeud de grille G 5, le drain de T 28 et la source de T 28) L'examen des signaux des figures 3 (a) et 3 (b) procure une explication plus détaillée du fonctionnement de l'oscillateur en anneau et de la façon d'obtenir un rapport cyclique particulier pour l'impulsion de sortie Les

signaux des figures 3 (a), 3 (b) sont des traces d'oscillos-

cope relevées respectivement sur les connexions de grille Gi, G 2, G 3, G4 et G 5 de l'oscillateur en anneau La figure 3 (a) utilise une échelle verticale de 5 V par division Les signaux de la figure 3 (a) représentent des inversions successives le long de l'anneau de l'oscillateur Le signal en Gi a une amplitude approximativement égale à la moitié de celle des autres signaux (G 2-G 5), à cause de la charge

que représente l'étage de combinaison (T 30, T 40).

La figure 3 (b) représente également deux périodes

d'un signal qui apparaît sur le noeud de drain D 6 de l'éta-

ge de combinaison (T 30-T 40) L'échelle horizontale est de

2 es par division et l'échelle verticale est de 2 V par divi-

sion Le signal de la figure 3 (b) est décalé d'environ une petite division ( 0,4 ps) vers la gauche, par rapport aux

signaux de la figure 3 (a).

L'étage de combinaison élabore de la manière sui- vante un signal ayant un rapport cyclique d'environ 20 % Les signaux des figures 3 (a) et 3 (b) sont utiles pour suivre l'explication Le transistor T 40 est un dispositif à faible courant dans lequel la grille est toujours validée, ce qui signifie que le drain de T 40 est à un potentiel bas (voisin de la masse) lorsque T 30 n'est pas conducteur; ce drain peut cependant être à un potentiel haut (proche de Vdd)

lorsque T 30 est conducteur.

On peut supposer initialement que les potentiels des drains de (T 29, T 39) (Gi) ont commencé à descendre à

partir de Vdd et que les drains (T 28, T 38) (G 5) sont pro-

ches de Vdd Lorsque Gi tombe à environ 1,5 V au-dessous de Vdd, T 30 dont la source est maintenue au voisinage de Vdd par la connexion à G 5 devient conducteur, ce qui déclenche l'impulsion de sortie de D 6 Lorsque le cycle progresse, la sortie G 5 de l'étage (T 28, T 38) s'approche de l'état haut (Vdd) et commence à décroître lentement à partir de Vdd La source de T 30 prend ainsi une tension moins positive que le substrat et l'effet de substrat produit une réduction du seuil de déblocage de T 30 Lorsque la tension sur G 5 est tombée suffisamment loin de la tension sur Gi pour dépasser le seuil abaissé, T 30 se bloque et le signal de D 6 diminue à partir de la valeur de crête Du fait que T 30 charge l'oscillateur, la pente descendante initiale du signal de D 6 est due en partie au fait que la conductivité de T 28 a commencé à diminuer légèrement plus tôt, pendant que le

potentiel de G 4 s'élevait La pente descendante relative-

ment forte du signal de D 6 est due essentiellement à T 40,

avec T 30 bloqué.

Le signal de sortie de l'étage de combinaison est le courant qui sort par le drain de T 30 en circulant vers la

masse par T 40 Le transistor T 40 convertit ce signal de cou-

rant en un signal d'impulsions de tension apparaissant en sortie de l'étage séparateur, qui est le dernier élément du générateur d'impulsions L'étage séparateur est représenté

en (T 31, T 41) C'est un étage CMOS supplémentaire compre-

nant un dispositif à canal p T 31 et un dispositif à canal n T 41 La source et le substrat de T 31 sont connectés au bus Vdd, tandis que le drain de T 31 est connecté au drain de T 41 Le substrat et la source de T 41 sont connectés à la masse Les grilles de T 31, T 41 sont connectées à la sortie

* D 6 de la porte de combinaison Le signal de sortie du cir-

cuit séparateur, qui a une polarité inversée par rapport à celle du signal apparaissant à l'entrée, et qui est plus rectangulaire, apparaît sur les drains correspondant à la

borne 01.

La figure 1 (b) montre une porte à hystérésis

utilisable à la place de l'étage séparateur (T 31, T 41).

La porte à hystérésis peut être connectée entre la sortie D 6 de l'étage de combinaison et la sortie 01 du générateur d'impulsions La porte à hystérésis peut être une bascule de Schmitt ayant la même conception que celle utilisée dans le circuit intégré RCA 40106 La bascule de Schmitt a des seuils de blocage et de déblocage différents et évite une conduction simultanée, tout en produisant un changement presque instantané dans ses états de sortie La bascule de Schmitt diminue la puissance consommée par rapport à celle d'un simple étage séparateur, ce qui est un avantage qui, dans certaines applications, l'emporte sur

sa complexité accrue.

Comme on l'a laissé entendre précédemment, le courant absorbé par T 28 et la capacité de grille de T 30

détruisent le symétrie de l'anneau oscillateur Les dispo-

sitifs d'attaque peuvent être proportionnés de façon à mini-

miser ou à supprimer pratiquement cet effet, ou bien on peut

donner une taille minimale au dispositif T 30.

On peut considérer de façon plus détaillée le fonctionnement du générateur d'impulsions en considérant le détail des caractéristiques temporelles Le signal Gi représente la tension sur le noeud Gi de l'oscillateur en anneau Toutes les caractéristiques temporelles suivantes

sont approximatives A 0,4 Jus avant T (l'axe de coordon-

nées vertical central), la tension de grille sur Gi est tombée lentement à environ 1,5 V au-dessous du maximum, ce qui déclenche le déblocage de T 25 et le blocage de T 35 A cet instant ( 0,4 jus avant TO), la tension en G 2 commence à s'élever, ce qui a lieu rapidement Lorsque la tension en G 2 augmente jusqu'à 1,5 V au-dessous du maximum ( 0,4 las après T), T 36 se bloque et T 26 se débloque Ceci affecte la tension sur G 3 Le signal Gi continue à descendre jusqu'à ce qu'il atteigne sa valeur minimale A un instant situé 2,0 jus après T 0, le signal Gi commence à croître

(rapidement) Lorsque Gi atteint 1,5 V au-dessous du maxi-

mum, T 25 se bloque et T 35 se débloque A 2,4 us après T 0,

la tension de grille en G 2 commence à diminuer lentement.

A 4 vis après T, G 2 a diminué lentement à 1,5 V au-dessous

du maximum, ce qui entraîne le déblocage de T 26 et le blo-

cage de T 36, ceci affectant à nouveau G 3 Le signal G 2 commence ainsi à augmenter à partir de la valeur minimale lorsque Gi a diminué à 1,5 V audessous du maximum et le

signal G 2 commence à diminuer à partir de la valeur maxima-

le lorsque Gi a augmenté à 1,5 V au-dessous du maximum.

De façon similaire, le signal G 3 commence à augmenter à partir de la valeur minimale lorsque le signal G 2 a diminué à 1,5 V au-dessous du maximum, et le signal G 3 commence à diminuer à partir de la valeur maximale lorsque le signal G 2 a augmenté à 1,5 V au-dessous du maximum De façon similaire, le signal G 4 commence à augmenter à partir du minimum lorsque le signal G 3 a diminué à 1,5 V au-dessous du maximum, et G 4 commence à diminuer à partir du maximum

lorsque le signal G 3 a augmenté à 1,5 V au-dessous du maxi-

mum De façon similaire, le signal G 5 commence à augmenter à partir du minimum lorsque le signal G 4 a diminué à 1,5 V au-dessous du maximum, et GS commence à diminuer à partir du maximum lorsque le signal G 4 a augmenté à 1,5 V au-dessous du maximum Enfin, du fait de la connexion en anneau de

(T 29, T 39) vers Gi, le signal G 5 produit les points de com-

mutation dans le signal Gi, qu'on a déjà envisagé Chaque signal d'oscillateur sur la figure 3 (a) montre clairement

que la diminution de tension est lente et que l'augmenta-

tion de tension est rapide.

Ceci permet maintenant de tirer des conclusions au sujet des paramètres qui affectent la fréquence La fréquence de l'oscillateur en anneau est commandée par la

vitesse à laquelle la capacité de grille de chaque disposi-

tif se charge et se décharge entre Vdd et le seuil de com-

mutation (c'est-à-dire 1,5 V au-dessous de Vdd) Pendant l'élévation de tension rapide, la résistance externe (RI)

a un effet faible, tandis que la conductance et la trans-

conductance du dispositif à canal p limitent la vitesse à laquelle l'augmentation de tension se produit Du fait que le déblocage du dispositif TEC résulte de la variation de

la tension de grille, le paramètre concerné est la trans-

conductance, aussi bien que la conductance du TEC Pendant la diminution de tension plus lente, la résistance externe (Rt) est dans le circuit et elle diminue la vitesse à laquelle la tension diminue Par conséquent, si on augmente

RI, la fréquence diminue.

Les figures 4-8 illustrent l'effet de certains

paramètres sur le fonctionnement du générateur d'impulsions.

Les données présentées sur ces figures ont été relevées sur une version sous forme de maquette du mode de réalisation de la figure 1 (b), dans laquelle l'élément d'absorption de courant T 40 était remplacé par une résistance de 62 kf L. et dans laquelle on utilisait un inverseur du type bascule

de Schmitt.

La figure 4 est une représentation graphique de l'effet de la variation de la résistance sur la fréquence et

le rapport cyclique La coordonnée horizontale est le cou-

rant d'alimentation du générateur d'impulsions, en micro- ampères, et les coordonnées verticales sont la fréquence et le rapport cyclique On suppose que la tension Vdd est

maintenue constante à 7,5 V Le graphique montre une dépen-

dance pratiquement linéaire de la fréquence et du rapport

cyclique vis-à-vis du courant absorbé.

La figure 5 est un second graphique montrant

l'effet du courant d'alimentation en microampères (coordon-

née horizontale) sur la fréquence et le rapport cyclique

(coordonnées verticales) Ce graphique suppose que la résis-

tance est maintenue constante et qu'on fait varier la ten-

sion Vdd Les figures 4 et 5 conduisent à la conclusion qu'on peut commander le courant (et donc la fréquence) en

réglant Vdd ou la valeur de RI.

La figure 6 montre la dépendance de la fréquence

et du rapport cyclique vis-à-vis de la conductance de TI.

La figure 7 montre la dépendance de la fréquence et du

rapport cyclique vis-à-vis de la tension Vdd.

La figure 8 montre le degré de stabilité en tem-

pérature de la fréquence et du rapport cyclique Plus pré-

cisément, dans une plage de température de 1200 C, la dimi-

nution de fréquence est d'environ 7 % ( 100,5 k Hz à 93,5 k Hz) et la variation du rapport cyclique est d'environ 0,5 %

( 19,2 % à 21,0 %) dans la même plage de température.

Les caractéristiques temporelles du signal D 6 de l'étage de combinaison du générateur d'impulsions sont basées essentiellement sur les caractéristiques temporelles

des signaux G 5 et Gi de l'oscillateur en anneau, et secon-

dairement sur le signal G 4 Le signal D 6 est à zéro (état de repos) et commence à croître vers le potentiel Vdd à l'instant auquel le potentiel sur Gi tombe à environ 1,5 V au-dessous de la tension maximale Ceci se produit environ

0,4 gs (D 6 corrigé) à gauche de la graduation de temps cen-

trale T sur la figure 3 (b) Pendant ce temps, la connexion de grille G 5 est à une tension proche de Vdd et ceci se poursuit pendant un intervalle qui commence environ 2,8 ps avant T et se termine 1,2 ps après T Le signal G 5 diminue o o lentement, en commençant 1,2 jis après T Du fait de l'effet de sbsrat croissant lorsque la tension de source (G 5) de T 30 tombe au-dessous de Vdd, Gi demeurant pratiquement constant

lorsqu'il approche de sa valeur minimale, le seuil de blo-

cage de T 30 est réduit A un instant proche de 1,6 ps après

T 0, le seuil abaissé est franchi et T 30 commence à se blo-

quer, ce qui fait démarrer le blocage du signal D 6 Simulta-

nément, le signal de grille G 4 qui était à l'état bas depuis 0,8 ps avant To 0, commence à augmenter rapidement vers Vdd, à environ 1,2 ps après T 0, ce qui commence le blocage de T 30 Le blocage de T 30 accélère la décroissance du signal de sortie (D 6) vers son état zéro Le signal est dissymétrique,

avec une pente de montée plus forte que sa pente de descente.

La dissymétrie du signal D 6 est attribuable à la différence de conductivité entre T 30 et T 40, et dans un moindre degré aux autres éléments de circuit Si T 40 a une conductance très inférieure à celle de T 30, et si T 30 et T 40 sont notablement plus petits que les dispositifs situés dans les étages de l'oscillateur en anneau (en particulier

T 28, T 38), la différence de pente se manifeste et T 40 éta-

blit le temps de descente, plus long, et T 30 établit le

temps de montée, plus court Il est préférable en ce qui con-

cerne la faculté de tolérer des variations de traitement, de faire en sorte que l'opération de commutation de l'étage

séparateur dépende moins du seuil de l'étage séparateur.

c'est-à-dire de faire en sorte que l'opération de commutation

soit dynamique plutôt que statique.

L'étage séparateur (T 31, T 41) du générateur d'im-

pulsions utilise également des dispositifs plus petits que ceux de l'oscillateur, et il produit un signal de sortie avec des flancs plus raides et un rapport cyclique proche de celui du signal D 6, mais supérieur de 1 à 2 % Le signal de sortie de l'étage séparateur (et donc du générateur d'impulsions) est représenté à côté de la borne de sortie 01 L'étage séparateur, dans lequel la source et le substrat de T 41 sont connectés à la masse, fonctionne symétriquement par rapport à la masse et à Vdd Si D 6 est inférieur à 1,5 V au-dessus de la masse, T 31 est débloqué et T 41 est bloqué Si D 6 est supérieur à 6,0 V au-dessus de la masse, T 31 est bloqué et T 41 est débloqué Dans la région comprise entre + 1,5 V et + 6,0 V, T 31 et T 41 conduisent et produisent un signal de sortie dont la largeur correspond approximativement à la largeur du signal d'entrée (D 6) à 3,75 V, c'est-à-dire le milieu de l'excursion de tension Si le signal D 6 est appliqué à une porte à hystérésis, la tension peut être plus élevée (par exemple 4,5 V) sur la partie montante du signal et moins élevée (par exemple 3 V) sur la partie descendante de ce signal Il n'y aura pas de conduction simultanée et la commutation de sortie sera très abrupte,

n'absorbant qu'un courant d'alimentation minimal.

Le mode de réalisation du générateur d'impulsions

de la figure 1 (a) comporte deux étages qui peuvent être con-

nectés facultativement dans le circuit de l'oscillateur en anneau pour diminuer le rapport cyclique jusqu'à environ % Ces étages sont constitués par le premier étage T 23, T 33 et par un second étage T 24, T 34 qui sont identiques en

tout point aux étages de l'oscillateur en anneau à 5 étages.

Pour permettre le fonctionnement avec 5 étages ou 7 étages, des connexions facultatives (OP 1, OP 2, OP 3, OP 4, OP 5 et OP 6) sont prévues Dans le fonctionnement normal à 5 étages, O Pl établit une connexion effective qui met à la masse les

grilles de T 23 et T 33, ce qui invalide cet étage et main-

tient T 24, T 34 dans une condition fixe Simultanément, OP 2, OP 4 et OP 5 sont maintenues ouvertes et OP 6 est maintenue fermée, ce qui déconnecte les deux étages facultatifs De plus, OP 3 est fermée, ce qui ramène vers Gi le signal de sortie du dernier étage del'oscilateur Dans le fonctionnement à 7 étages, toutes les connexions facultatives sont placées à l'opposé Au niveau de OP 1, les grilles de T 23 et T 33 sont isolées de la masse, et OP 2 est fermée tandis que OP 3 est ouverte OP 2 et OP 3 ferment l'anneau en ramenant le signal de sortie du dernier étage (T 29, T 39) sur le noeud

de grille du nouveau premier étage (T 23, T 33) OP 4 est fer-

mée pour connecter les drains de T 24, T 34 au noeud de grille Gi, et OP 5 est fermée tandis que OP 6 est ouverte

pour connecter les sources des dispositifs N supplémentai-

res au bus qui est connecté au drain de T 42 Lorsque l'oscillateur précédent est développé jusqu'à sept étages, le rapport cyclique diminue depuis environ 20 % jusqu'à

environ 15 % Ce mode de variation du rapport cyclique pré-

serve la stabilité fondamentale de l'oscillateur sans affecter l'opération de définition de seuils On dispose des possibilités de sélection précédentes en formant les

dispositifs nécessaires pour le fonctionnement à sept éta-

ges, puis en utilisant un masque de métallisation diffé-

rent selon qu'on désire 5 ou 7 étages actifs.

La figure 2 montre un second mode de réalisation de l'invention dans lequel des changements sont apportés dans l'oscillateur en anneau et dans la manière d'élaborer un signal de combinaison à partir de cet oscillateur Le

signal de combinaison est élaboré, à l'extérieur de l'oscil-

lateur en anneau, à partir de deux étages non adjacents (noeuds G 3, G 5) dans l'oscillateur en anneau, et le signal de sortie de combinaison est appliqué aux deux grilles de deux étages amplificateurs séparés (T 51, T 52), dont le signal de sortie est appliqué à un séparateur CMOS à deux transistors (T 53, T 54) Le circuit de sortie est complété par des éléments d'absorption de courant T 55, T 56, T 57 qui sont associés à T 51 et T 52 Selon une variante, on peut utiliser pour la fonction de connexion au potentiel bas deux dispositifs à canal long ayant une configuration géométrique

appropriée, ce qui élimine R 2 et T 57.

Deux changements ont été apportés à l'intérieur de l'oscillateur en anneau Le premier changement consiste dans l'ajout de deux capacités Cl, C 2 qui compensent des effets temporels indésirables attribuables aux connexions de sortie de l'oscillateur en anneau Le second changement consiste dans le fait que le bus de source de l'oscillateur en anneau est déconnecté du bus Vdd et est connecté par une 'diode Dl

au bus Vdd Ce dernier changement apporté au circuit augmen-

te la polarisation appliquée aux grilles des amplificateurs

de sortie T 51 et T 52, ce qui augmente le signal d'oscilla-

teur en débloquant plus fortement les amplificateurs de sor-

tie La diode Dl est obtenue en utilisant une connexion vers un "caisson p" qu'on utilise normalement dans la fabrication

de dispositifs à canal N dans la technologie des CI CMOS.

Avant de poursuivre la description fonctionnelle

du mode de réalisation de la figure 2, on va décrire le circuit de façon plus détaillé L'oscillateur en anneau, qui

comprend des dispositifs T 25 à T 29 et T 35 à T 39, est identi-

que au premier mode de réalisation, à l'exception de l'in-

troduction de la capacité parasite Cl sur le noeud de grille G 2, et de la capacité parasite C 2 sur le noeud de grille Gi; et du changement indiqué précédemment dans la connexion du bus de source des dispositifs à canal p Les

capacités Cl et C 2 sont ajoutées à deux noeuds qu'on n'uti-

lise pas pour élaborer un signal de sortie Une telle capa-

cité ajoutée est courante dans l'implantation d'un circuit intégré et résulte de croisements isolés dans le réseau d'interconnexion La capacité supplémentaire attribuable aux connexions de sortie aux noeuds G 3 et G 5 tend à élargir le rapport cyclique de 20 %, et on choisit les deux petites capacités de façon à corriger l'effet sur le rapport

cyclique, tout en diminuant la fréquence de l'oscillateur.

On peut ensuite élever la fréquence jusqu'à la valeur dési-

rée par le réglage de la résistance externe Rl.

Par l'autre changement, les sources des dispositifs à canal p (T 25 T 29) du mode de réalisation de la figure 2 sont connectées à la cathode de la diode Dl, dont l'anode est connectée au bus Vdd Ceci produit une réduction d'environ

0,4 V de la tension qui est appliquée aux étages de l'oscil-

lateur en anneau, et on peut compenser cette diminution par le choix d'une valeur réduite de Rl Le principal effet du changement est de permettre une connexion directe entre le drain de sortie et la grille d'entrée pour les étages amplificateurs T 51, T 52, tout en établissant une valeur-non

nulle pour la grille et la source de T 51, T 52.

Le premier étage amplificateur de sortie utilise un dispositif à canal p TSI, de taille 100/10, dont la source et le substrat sont connectés au bus Vdd et dont le drain est connecté à l'élément d'absorption de courant (T 56) La grille de T 51 est connectée au noeud de grille G 3 de l'oscillateur en anneau L'élément d'absorption de courant utilise un dispositif à canal n, T 56, ayant une configuration géométrique 10/10, dont la source et le substrat sont connectés à la masse et dont le drain est connecté au drain de T 51 Le courant de T 56 est commandé par un dispositif à canal N T 57, qui a une configuration géométrique 10/10 et est connecté en diode Le substrat et la source du dispositif T 57 sont connectés à la masse et

sa grille est connectée au drain La connexion grille-

drain est connectée à Vdd par un TEC à faible conductivité,

R 2, de 200 k IL La grille et le drain de T 57 sont connec-

tés à la grille de T 56 et fixent le niveau de courant

auquel fonctionnent les éléments d'absorption de courant.

L'autre étage amplificateur utilise un dispositif à canal p, T 52, de taille 100/10, dont la source et le substrat sont donnectés au bus Vdd, et dont le drain est connecté à l'élément d'absorption de courant T 55 La grille de T 52 est connectée au noeud de grille G 5 de l'oscillateur en anneau L'élément d'absorption de courant utilise un

dispositif à canal N (T 55) ayant une configuration géométri-

que 20/10, dont la source et le substrat sont connectés à la masse et dont le drain est connecté au drain de T 52 Le cou- rant de l'élément d'absorption de courant est commandé par T 57 par l'intermédiaire de la connexion de la grille de T 55

à la grille et au drain de T 56.

Les signaux de sortie des amplificateurs T 51, T 52 apparaissent sur leurs drains et sont transmis vers l'étage séparateur de sortie qui comprend le dispositif à canal p T 53 et le dispositif à canal N T 54 La source de

T 53 est connectée au drain de T 51, pour recevoir le pre-

mier signal de sortie provenant de l'oscillateur en anneau.

Le substrat de T 53 est connecté au drain de T 54 Le signal

de sortie de l'étage séparateur apparaît sur l'interconne-

xion entre les drains Le substrat et la source de T 54 sont

connectés à la masse Les grilles de T 53 et T 54 sont con-

nectées ensemble, et le second signal de sortie de l'oscil-

lateur en anneau, provenant du drain de T 52, est appliqué

à ces grilles.

Comme indiqué précédemment, le fonctionnement du circuit n'applique qu'une charge minimale à l'oscillateur en anneau du fait que le signal de sortie est appliqué aux

grilles des amplificateurs de sortie T 51, T 52 (Les dispo-

sitifs T 25-T 29, T 35-T 39 de l'oscillateur sont de façon caractéristique des dispositifs 100/10) Le courant fixé

pour les éléments d'absorption de courant T 55 et T 56 éta-

blit un chemin de décharge pour la charge emmagasinée dans

la capacité des drains T 51, T 52 et des gilles T 53, T 54.

Par conséquent, le réglage de courant de T 57, qui commande

celui de T 55, T 56, établit la fréquence maximale de fonc-

tionnement correct Les réglages de 30 pa qui sont fixés

établissent une fréquence maximale d'environ 200 k Hz.

Comme noté précédemment, la chute de 0,4 V au-dessous du bus Vdd, pour les tensions des sources des dispositifs à canal p (T 25-T 29) autorise une augmentation

égale de la tension d'attaque disponible pour les amplifica-

teurs de sortie T 51, T 52, grâce à quoi ils peuvent devenir plus fortement conducteurs sous l'effet du signal qui pro- vient de l'oscillateur en anneau Dans un réglage approprié pour ce mode de réalisation, l'excursion de tension sur les noeuds de grille est d'environ 2 Y, ce qui correspond à un Ydd inférieur Du fait que la grille de T 53 (et de T 54) est à la masse (T 52 étant bloqué), un signal de sortie à l'état haut, proche de Vdd, apparait sur la sortie 02 Lorsque la tension décroissante sur le noeud G 5 débloque T 52, T 53 se bloque sous l'effet de l'application de Vdd à sa grille, et

T 54 est débloqué par la même application de Vdd à sa grille.

La conduction de T 54 met fin à l'état de sortie haut sur la

sortie 02 et ramène cette sortie à la masse de façon abrup-

te. La connexion au potentiel bas, de type dynamique, qui est établie pour T 54 assure une pente presque verticale pour le front arrière du signal de sortie, et le gain élevé de l'amplificateur procure un front avant presque vertical pour le signal de sortie Dans de nombreuses applications,

un étage séparateur de sortie peut ne pas être nécessaire.

Lorsque c'est nécessaire, on peut ajouter un étage de sor-

tie à hystérésis (comme représenté sur la figure 1 (b)), ou

d'autres moyens séparateurs.

Les deux chemins d'échantillonnage de la configu-

ration précédente, c'est-à-dire T 51, T 52, sont conçus de façon à donner un rapport cyclique de 20 % avec des retards égaux au début et à la fin de l'impulsion de sortie Le rapport cyclique de 20 % est fixé par l'échantillonnage de

la tension sur les noeuds de grille G 3 et G 5 d'un oscilla-

teur en anneau à cinq étages Dans cette configuration, une traversée des cinq étages produit un retard de 1800 du signal incident, deux traversées de l'anneau, ou dix étages, produisent un retard de 3600, un seul étage produisant un retard de 36 ou 10 % Par conséquent, pour obtenir un rapport cyclique de 20 %, avec des échantillons de parties similaires de l'onde progressive, on doit prélever les échantillons avec une séparation de deux étages

( 2 x 10 % = 20 %).

La configuration de la figure 2 est conçue de façon à commuter sur la partie de signal descendant des signaux G 3 et G 5 Dans les signaux de la figure 3 (a) (qui sont des représentations du premier mode de réalisation et ne sont donc exactes ni en forme d'onde ni en amplitude), l'instant de déblocage de T 51 se trouve à environ 1,0 V au-dessous de la valeur maximale sur la pente descendante

de G 3, près de T L'instant de déblocage de T 52 est éga-

o lement à environ 1,0 V au-dessous du maximum sur le signal G 5, au voisinage de + 2 Jus sur le signal représenté Dans le mode de réalisation de la figure 2, les instants de

déblocage et de blocage correspondant à l'impulsion de sor-

tie en 02 sont séparés d'environ 2 jus (avec une cadence de répétition d'impulsions de 10 Fs) Les pentes descendantes

des signaux sur les noeuds G 3 et G 5 dans le mode de réali-

sation de la figure 2 diffèrent de celles représentées sur

la figure 3 (a) Ceci est dû à des différences d'implanta-

tion et/ou d'effets ajoutés et à des différences concernant la charge présentée par les amplificateurs de sortie T 51, T 52. Le bon fonctionnement des étages de sortie

nécessite une absorption de courant pour décharger la capa-

cité présente en sortie de l'amplificateur T 51, T 52 et à l'entrée de l'étage séparateur T 53, T 54 La capacité sur le noeud de sortie de T 52 est plus grande que la capacité sur le noeud de sortie de T 51 et on doit donc donner à T 55 une configuration géométrique plus grande que celle de T 56 Le fait de ne pas décharger complètement ces noeuds entraîne

une déformation du signal ou même un fonctionnement défec-

tueux L'élément d'absorption de courant T 55 est conçu de façon à connecter au potentiel bas la capacité de source de T 52 et les capacitésde grille de T 53, T 54, tandis que T 56 ne doit décharger que la capacité de source de T 55 Le choix d'un rapport de taille de trois à un est approprié dans ces circonstances. Les TEC qui constituent les oscillateurs en anneau des deux modes de réalisation représentés sont normalement plus grands que ceux qu'on utilise habituellement pour des circuits numériques Ceci est souhaitable pour obtenir un

"gain" plus élevé pour ces dispositifs, de façon à entrete-

nir l'oscillation en présence d'une charge Dans une maquet-

te du mode de réalisation de la figure 1, les dispositifs de l'oscillateur avaient un rapport largeur/longueur d'environ 1000/10 T 40 est un dispositif à "canal long", ayant de

façon caractéristique un rapport largeur/longueur de 10/100.

T 31 et T 41 peuvent être des dispositifs 10/10 T 30 peut être un dispositif 100/10 Dans le mode de réalisation de la figure 2, les dispositifs T 25-T 29 et T 35-T 39 ont une taille réduite à 100/10, et les éléments d'absorption de courant T 55, T 56 et T 57 ont respectivement des rapports 30/10,

/10 et 10/10 Les dispositifs T 51 et T 52 sont des disposi-

tifs 100/10 et les dispositifs de sortie T 53, T 54 sont des dispositifs 10/10 Le TEC à faible conductance remplissant la fonction de R 2 est un dispositif à canal long ayant une

configuration géométrique 10/100.

Dans chacun des étages de l'oscillateur en anneau, les substrats des dispositifs N sont connectés à la masse tandis que les sources des dispositifs N sont connectées à la masse par une résistance série (Rl) et par le dispositif

n (T 42) Ainsi, les sources des dispositifs N sont mainte-

nues à un potentiel positif notable (par exemple 3 V) par rapport au substrat Le seuil de conduction d'un TEC est fonction à la fois de la tension grille-source et de la tension grille-substrat Si la source est à un potentiel

supérieur à celui du substrat, le seuil de conduction du dis-

positif augmente Cette augmentation de seuil est ce qu'on

appelle "l'effet de substrat".

Un effet de l'augmentation du seuil de conduction est de réduire l'importance de la conduction conjointe avec le dispositif p associé, ce qui fait que le courant consommé

par l'oscillateur en anneau est réduit On obtient égale-

ment un blocage plus net des dispositifs n La réduction du

courant dans des dispositifs dans l'anneau n'a pas une gran-

de importance, du fait que le courant dans ces dispositifs est faible ( 30 >i A à 100 k Hz), par rapport au courant absorbé

(de façon caractéristique 100 "A) dans l'étage inverseur.

La configuration correspondant à l'effet de substrat produit une plus grande excursion de tension Dans un oscillateur en anneau qui est par ailleurs identique mais qui ne présente pas l'effet de substrat dû à la connexion du substrat à la source, l'excursion de tension dans ltoscillateur en anneau est d'environ 2 V au lieu de l'excursion de 5 V avec l'effet de substrat Les deux variantes de conception imposent de choisir la résistance série (Ri) de façon à décharger les grilles dans l'anneau jusqu'au seuil de commutation en une certaine durée, pour établir la fréquence En supposant que la fréquence choisie soit de 100 k Hz, la configuration avec l'effet de substrat

nécessite une résistance Rt de 110 k XL, tandis que la con-

figuration sans effet de substrat nécessite une résistance

Ri de 330 k SL.

Une conséquence de la nécessité d'une résistance de valeur élevée pour RI dans la configuration ne comportant

pas d'effet de substrat, consiste dans une diminution nota-

ble du signal de sortie qui peut être fourni à la charge de l'oscillateur (c'est-à-dire T 40) Au niveau de la charge, la configuration avec effet de substrat a une tension de sortie

approximativement quatre fois supérieure ( 7,5 V) à ia ten-

sion de sortie approximative ( 2 V) de la configuration sans effet de substrat Pour augmenter la tension de sortie dans

la configuration sans effet de substrat, on réduit normale-

ment la conductance de T 40 dans un rapport de deux, de

façon que la tension de sortie (environ 4 V) de la configu-

ration sans effet de substrat puisse être augmentée jusqu'à la moitié de celle de la configuration avec effet de substrat Lorsque le signal (D 6) qui apparait sur la sortie du circuit de combinaison est appliqué à l'étage séparateur (T 31, T 41), une conductance plus faible pour T 40 impose au temps de descente du signal D 6 une valeur beaucoup plus longue que lorsque la conductance est supérieure L'effet d'un signal à commutation plus progressive en D 6 est

d'absorber un courant plus élevé à partir de l'étage sépa-

rateur (T 31, T 41) Une augmentation de courant est ici plus importante que dans l'oscillateur, à cause du niveau de courant élevé ( 100 p A) de l'étage séparateur, ce qui suggère de préférer un séparateur du type bascule de Schmitt. L'expérience a montré que la configuration avec

effet de substrat possède une plus grande marge de tempéra-

ture que la configuration sans effet de substrat, avant

l'apparition d'une variation notable du rapport cyclique.

En d'autres termes, la configuration avec effet de substrat, qui fournit une plus grande puissance disponible

pour produire un signal de commutation utile, pour un cou-

rant de drain donné et une tension d'alimentation donnée, permet d'obtenir un rapport cyclique plus stable vis-à-vis de la température en utilisant un étage de sortie donné

(par exemple T 31, T 41), et est donc préférée.

Bien que les modes de réalisation principaux + aient utilisé un oscillateur en anneau à 5 ou à 7 étages,

on peut utiliser de plus grands nombres d'étages (par exem-

ple 9, 11, 13, 15, etc) pour réduire la fréquence naturel-

le de l'oscillateur ou pour changer le rapport cyclique.

Le premier mode de réalisation a également été

limité à une configuration dans laquelle l'étage de combi-

naison est connecté de façon à réagir à des étages adja-

cents Le premier mode de réalisation peut fonctionner, sans

autre modification, avec les entrées de l'étage de combinai-

son connectées aux étages 3 et 5 ou 5 et 7 Dans ces condi-

tions, le rapport cyclique naturel est plus faible.

Le second mode de réalisation peut être connecté de façon à réagir à des étages non adjacents ayant la même

phase, les connexions 3-5 convenant pour un rapport cycli-

que de 20 % Ici encore, le nombre d'étages et l'intervalle entre les étages peuvent prendre d'autres valeurs si on désire d'autres rapports cycliques (par exemple 3, 7 si

"m" est suffisamment grand, etc).

* Si on désire un rapport cyclique supérieur à 20-30 %, on peut inverser le signal Si on recherche un

rapport cyclique plus proche de 50 % dans le mode de réali-

sation de la figure 1, on peut régler les paramètres envisa-

gés sur les figures 4, 5 et 6 De façon générale, l'inven-

tion ne cherche pas à résoudre le problème du rapport cyclique de 50 %, du fait qu'il peut être obtenu directement

à partir du signal naturel de l'oscillateur.

Dans le second mode de réalisation, les signaux appliqués aux deux amplificateurs séparateurs T 51, T 52 sont complètement symétriques et chacun de ces amplificateurs reçoit exactement le même signal, mais retardé dans le temps de la valeur correspondant à la largeur d'impulsions de sortie désirée Toute perturbation analogique telle que des effets de tension, de courant ou de température affecte

également les deux, en ce qui concerne la durée de retard.

Il en résulte que la largeur d'impulsion tend à être cons-

tante, c'est-à-dire de 20 %, de façon presque indépendante

d'autres variables Ceci s'oppose au premier mode de réalisa-

tion dans lequel les deux prises sur l'oscillateur en anneau sont adjacentes, et ont donc un retard de 10 %, mais des différences des signaux entre les deux prises (l'un de sens positif et l'autre de sens négatif) conduisent à un rapport

cyclique réel de 20 %.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1 Un générateur d'impulsions pour la fabrication en circuit intégré, ayant une fréquence prédéterminée et

produisant une impulsion de sortie ayant un rapport cycli-

que désiré, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une borne positive (Vdd) destinée à être connectée à une source de potentiel de polarisation positif, et une borne commune (b) un oscillateur en anneau comprenant un nombre impair (m) d'étages inverseurs à transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur de type complémentaire (CMOS)

(T 25-T 29, T 35-T 39), (i) chaque étage comprenant un disposi-

tif à canal T 25-T 29 dont la source est connectée de façon conductrice à la borne positive (Vdd), et un dispositif à canal N (T 35-T 39) dont le drain est connecté au drain du dispositif à canal p associé, la connexion de drain formant une sortie de cet étage, (ii) les grilles des dispositifs à canal p et à canal N de chaque étage étant connectées ensemble, le noeud de grille (G 1-G 5) formant une entrée de cet étage, (iii) l'entrée de chaque étage étant connectée à la sortie d'un étage précédent pour former un anneau; (c) les sources des dispositifs à canal N (T 35-T 39) étant

connectées ensemble, et une résistance (Rl) de valeur pré-

sélectionnée connectant cette connexion de source à la bor-

ne commune, la valeur de la résistance déterminant la fré-

quence de l'oscillateur; et (d) des moyens de combinaison (T 30, T 40) qui réagissent à des conditions électriques dans

au moins deux étages de l'oscillateur en anneau en produi-

sant une impulsion de sortie ayant le rapport cyclique désiré.

2 Un générateur d'impulsions selon la revendica-

tion 1 caractérisé en ce que les moyens de combinaison (T 30, T 40) ont au moins un seuil et ils déclenchent une impulsion de sortie lorsqu'un signal d'entrée franchit une valeur de seuil dans un sens, et terminent une impulsion de sortie lorsqu'un signal d'entrée franchit une valeur de seuil

dans le sens opposé.

3 Générateur d'impulsions selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de combinaison (T 30, T 40) réagissent à la différence entre une première tension sur la

grille de l'étage inverseur de rang "i" et une seconde ten-

sion sur la grille de l'inverseur de rang "ô", un changement de la première tension alors que la seconde tension de grille est pratiquement constante établissant une limite de l'impulsion de sortie, tandis qu'un changement de la seconde

tension alors que la première tension est pratiquement cons-

tante établit l'autre limite de l'impulsion de sortie.

4 Générateur d'impulsions selon la revendication 3, caractérisé en ce que "i" et "j" représentent des étages inverseurs adjacents, mentionnés dans l'ordre dans lequel

ils se succèdent.

Générateur d'impulsions selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de combinaison (T 30, T 40) consistent en un étage CMOS qui comprend un dispositif à canal p (T 30) et un élément d'absorption de courant à dispositif à canal N (T 40), (i) le drain du dispositif de

combinaison à canal p (T 30) étant connecté au drain du dis-

positif d'absorption de courant (T 40), et la source du dis-

positif d'absorption de courant étant connectée à la masse, tandis que la grille du dispositif d'absorption de courant est connectée à la borne positive (Vdd), (ii) la source du dispositif de combinaison à canal p (T 30) étant connectée à la grille de l'étage inverseur de rang "i", tandis que la grille du dispositif de combinaison à canal p (T 30) est connectée à la grille de l'étage inverseur de rang "j", et (iii) le signal de sortie de combinaison étant prélevé sur

l'interconnexion entre les drains (D 6).

6 Générateur d'impulsions selon la revendication 1, caractérisé en ce que: (e) il existe des moyens destinés à valider l'oscillateur qui comprennent un dispositif à canal N (T 42) intercalé dans un circuit série entre les

sources des dispositifs à canal N (T 35-T 39) de l'oscilla-

teur et ladite résistance (RI), et le drain de ce disposi-

tif de validation à canal N (T 42) est connecté aux sources des dispositifs à canal n, sa source est connectée à la résistance (RI) et sa grille est connectée à une source de

potentiels de commande.

7 Générateur d'impulsions selon la revendication

1, caractérisé en ce que les substrats de tous les disposi-

tifs à canal N (T 35-T 39) dans l'oscillateur en anneau sont connectés à la masse pour procurer un effet de substrat qui augmente l'excursion de tension sur les connexions de

sortie-entrée de l'oscillateur en anneau.

8 Générateur d'impulsions selon la revendication

1, caractérisé en ce que l'oscillateur en anneau est fabri-

qué dans un circuit intégré et la résistance (Rt) est externe au circuit intégré, pour permettre la sélection de la fréquence de l'oscillateur après fabrication du circuit

intégré, par la sélection de la valeur de cette résistance.

9 Générateur d'impulsions selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit intégré comporte des étages supplémentaires facultatifs (T 23, T 24; T 33, T 34) dans l'oscillateur en anneau, pour permettre une variation du rapport cyclique après diffusion des dispositifs sur le circuit intégré, par l'utilisation d'une métallisation parmi au moins deux métallisations possibles; et chaque métallisation connecte le nombre d'étages sélectionné dans le circuit de l'oscillateur en anneau et déconnecte et met

hors fonction les étages inutilisés.

10 Générateur d'impulsions selon la revendica-

tion 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: (e) un

séparateur consistant en un étage CMOS comprenant un dispo-

sitif à canal p (T 31) et un dispositif à canal N (T 41), et (i) la source et le substrat du dispositif à canal p (T 31) sont connectés à la borne positive (Vdd), (ii) la source et le substrat du dispositif à canal N (T 41) sont connectés à la borne commune, (iii) les grilles des dispositifs du

séparateur sont connectées ensemble et les drains des dispo-

sitifs du séparateur sont connectés ensemble, et (iv) il existe des moyens qui connectent la sortie (D 6) des moyens de combinaison (T 30, T 40) à l'interconnexion entre les grilles, et la sortie du générateur d'impulsions est prise

sur l'interconnexion entre les drains ( 01).

11 Générateur d'impulsions selon la revendication

5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre (e) un sépa-

rateur consistant en une porte à hystérésis, dont l'entrée est connectée à l'interconnexion entre les drains (D 6) des moyens de combinaison (T 30, T 40), et la sortie du générateur

d'impulsions est prise à la sortie de la porte à hystérésis.

12 Générateur d'impulsions selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de combinaison sélective comprennent des premier et second amplificateurs à seuil (T 51, T 56; T 52, T 55), et l'un d'eux est connecté à la grille de l'étage inverseur de rang "i" et il déclenche une impulsion de sortie lorsque le signal sur la grille de rang "i" franchit une valeur de seuil; et l'autre est connecté à la grille de l'étage inverseur de rang "j" et il met fin à une impulsion de sortie lorsque le signal sur la grille

de rang "j" franchit une valeur de seuil.

13 Générateur d'impulsions selon la revendication 12, caractérisé en ce que "i" et "j" sont mentionnés en ordre successif, j représentant l'étage de rang (i + 2 n) de

l'oscillateur en anneau à m étages, N étant un entier com-

patible avec le nombre total m d'étages.

14 Générateur d'impulsions selon la revendication

13, caractérisé en ce que chaque amplificateur à seuil com-

prend un dispositif à canal p (T 51, T 52) et un élément d'absorption de courant à dispositif à canal N (T 56, T 55) et (i) la grille de chaque dispositif à canal p (T 51, T 52)

est connecté-au noeud de grille de l'étage inverseur appro-

prié, de rang'il' ou"j"; (ii) le drain du dispositif à canal p (T 51, T 52) est connecté au drain du dispositif à canal n

(T 56, T 55) et la source du dispositif à canal N est connec-

tée à la masse, et (iii) le signal de sortie de combinaison de chaque amplificateur à seuil est prélevé sur l'intercon-

nexion entre les drains.

Générateur d'impulsions selon la revendication 14, caractérisé en ce que la connexion conductrice des sources des dispositifs à canal p (T 25-T 29) des étages inverseurs, vers la borne positive (Vdd) est une diode (Dl), et en ce que les sources des dispositifs à seuil à canal p (T 51, T 52) sont connectées à la borne positive (Vdd), pour augmenter les potentiels grille-source des amplificateurs à seuil et pour renforcer leur niveau de conduction pour une

condition électrique donnée de l'oscillateur.

16 Générateur d'impulsions selon la revendication , caractérisé en ce qu'il comporte (e) un étage de sortie comprenant un dispositif à canal p (T 53) et un dispositif à canal N (T 54), et (i) la source du dispositif de sortie à canal p (T 53) est connectée au drain du dispositif à seuil à canal p (T 51) connecté à l'étage inverseur de rang "i", (ii) les grilles des dispositifs de sortie à canal p (T 53) et à canal N (T 54) sont connectées au drain du dispositif à seuil à canal p(T 52) connecté à l'étage inverseur de rang "j", (iii) la source du dispositif de sortie à canal n (T 54) est connectée à la borne commune, et (iv) les drains des dispositifs de sortie à canal p (T 53) et à canal n (T 54) sont connectés ensemble et fournissent une impulsion

de sortie pratiquement rectangulaire.