FR2682834A1

FR2682834A1 - Circuit et procede de generation d'une tension de reference precise avec une faible dissipation de puissance moyenne.

Info

Publication number: FR2682834A1
Application number: FR9207800A
Authority: FR
Inventors: Bernd M Rundel
Original assignee: Burr Brown Corp
Current assignee: Texas Instruments Tucson Corp
Priority date: 1991-10-22
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1993-04-23
Also published as: DE4221430A1; GB9209387D0; DE4221430B4; GB2260833A; US5281866A; JPH05216546A

Abstract

L'invention concerne la génération de tensions de référence de précision. Un circuit générateur de tension de référence comprend un circuit à bande interdite (2) et un premier transistor à effet de champ (4) qui connecte la sortie du circuit à bande interdite à un condensateur de découplage externe (5) et à une entrée non inverseuse d'un circuit amplificateur-séparateur (8), par l'intermédiaire d'un second transistor à effet de champ (7). Pendant des périodes de fonctionnement d'un circuit d'utilisation (14), les transistors sont débloqués et filtrent le bruit de haute fréquence que produit le circuit à bande interdite. Entre des périodes de fonctionnement du circuit d'utilisation, les deux transistors sont bloqués pour isoler le condensateur de découplage et préserver sa charge pour la période de fonctionnement suivante. Application aux convertisseurs analogique- numérique.

Description

La présente invention concerne des circuits qui permettent une "montée en

puissance" rapide à partir d'un mode d'attente à faible puissance dans lequel la puissance qui est fournie à un circuit d'utilisation est fortement réduite au cours d'intervalles de temps qui séparent des intervalles de temps de fonctionnement à pleine puissance

du circuit d'utilisation L'invention porte plus particu-

lièrement sur des circuits de ce type qui permettent l'utilisation de condensateurs de découplage externes pour

réduire des signaux de bruit.

De nombreux circuits de grande précision, tels

que des convertisseurs analogique-numérique et numérique-

analogique à 16 bits et autres, comprennent des circuits générateurs de tension de référence Certains circuits générateurs de tension comprennent ce que l'on appelle un circuit à "bande interdite" Un circuit à bande interdite produit une tension de référence qui est proportionnelle à la température absolue La sortie du circuit à bande interdite est souvent connectée à une entrée d'un circuit

amplificateur-séparateur Le circuit amplificateur-sépara-

teur a de façon caractéristique une très faible impédance de sortie, et il produit une tension de référence de sortie précise, égale à la tension de sortie que produit le circuit à bande interdite La tension de référence de

sortie peut être réglée de façon précise pendant la fabri-

cation par l'ajustement de résistances en Nichrome ou autres, pour produire le niveau de tension de référence interne désiré A titre d'exemple, le convertisseur analogique-numérique à 12 bits AD 57800 de la demanderesse

comprend de tels circuits à bande interdite et amplifica-

teur-séparateur Le circuit de génération de tension de référence à bande interdite produit du bruit thermique de fréquence élevée et du bruit de scintillation De plus, du bruit provenant d'autres sources peut apparaître à la sortie du circuit à bande interdite Ce bruit a de façon

caractéristique des fréquences s'élevant jusqu'à 10 méga-

hertz, ou plus Les ordres de grandeur de telles tensions de bruit sont suffisamment élevés pour faire apparaître

des erreurs dans les bits de moindre poids du convertis-

seur analogique-numérique à 12 bits. Il existe des applications de convertisseurs

analogique-numérique, numérique-analogique, etc, à réso-

lution élevée, dans lesquelles une très faible consomma-

tion de puissance moyenne est indispensable Dans certains cas, on peut obtenir une faible consommation de puissance moyenne dans un convertisseur analogique-numérique ou numérique-analogique à résolution élevée en commutant au moins une partie du circuit dans un mode "d'attente" à faible consommation, entre des conversions Cependant, cette façon de procéder n'est pas utilisable en pratique si des condensateurs de découplage externes ayant des capacités élevées doivent être chargés chaque fois que le circuit est commuté du mode d'attente à faible puissance

vers une condition de "pleine puissance" Certains cir-

cuits antérieurs comportent un conducteur externe à la sortie d'un circuit amplificateur-séparateur dont l'entrée est connectée à la sortie du circuit à bande interdite, de façon qu'un utilisateur qui a besoin de filtrer le bruit

de scintillation et le bruit thermique que génère le cir-

cuit à bande interdite, puisse connecter un condensateur de découplage externe de 1 à 10 microfarads à la sortie du

circuit amplificateur-séparateur, pour appliquer un fil-

trage passe-bas à la tension présente sur la sortie du circuit amplificateur-séparateur On obtient ainsi une faible consommation de puissance moyenne, mais il est difficile en pratique d'obtenir une montée en puissance

rapide du circuit.

Un but de l'invention est de procurer un circuit générateur de tension de référence précis, présentant une montée en puissance rapide à partir d'un mode d'attente à faible consommation de puissance, et ayant également un filtrage efficace du bruit de scintillation et du bruit

thermique de fréquence élevée, etc, à la sortie du cir-

cuit à bande interdite.

Un autre but de l'invention est de procurer un circuit générateur de tension de référence précis qui soit suffisamment souple pour réaliser un filtrage du bruit de scintillation et du bruit thermique que produit le circuit à bande interdite, et une déconnexion du circuit à bande interdite, pour permettre de substituer une source de référence de tension différente, ainsi qu'un filtrage efficace du bruit de fréquence élevée que produit cette source et une montée en puissance rapide à partir d'une

condition à faible consommation de puissance.

Brièvement, et conformément à un mode de réali-

sation, l'invention procure un circuit générateur de ten-

sion de référence que l'on peut utiliser dans un conver-

tisseur analogique-numérique ou un autre circuit d'utili-

sation Le circuit générateur de tension de référence

comprend un circuit à bande interdite et un premier tran-

sistor à effet de champ qui connecte un conducteur de

sortie du circuit à bande interdite à un premier conduc-

teur Le premier conducteur est connecté à un premier condensateur de découplage externe et à une entrée non inverseuse d'un circuit amplificateur-séparateur Un second transistor à effet de champ connecte le premier

conducteur à une entrée non inverseuse du circuit ampli-

ficateur-séparateur Une sortie du circuit amplificateur-

séparateur est connectée à une entrée inverseuse de ce dernier Dans les modes de réalisation qui sont décrits, les premier et second transistors à effet de champ sont

débloqués pendant des conversions qu'effectue un conver-

tisseur analogique-numérique Le premier transistor à effet de champ et le premier condensateur de découplage coopèrent de façon à filtrer le bruit de fréquence élevée que produit le circuit à bande interdite, pour appliquer ainsi une tension de référence précise à l'entrée non inverseuse du circuit amplificateur-séparateur Cette

tension de référence est reproduite sur la sortie du cir-

cuit amplificateur-séparateur Entre des conversions, les premier et second transistors à effet de champ sont bloqués pour isoler le premier condensateur de découplage

et préserver sa charge, de façon qu'il ne soit pas néces-

saire de charger le premier condensateur de découplage lorsque les premier et second transistors à effet de champ sont à nouveau débloqués Le premier transistor à effet de

champ peut être débloqué indépendamment du second transis-

tor à effet de champ, pour permettre de connecter au premier conducteur une source de tension de référence externe, au lieu du circuit à bande interdite Dans un mode de réalisation, un second condensateur de découplage

est connecté à un second conducteur Un troisième transis-

tor à effet de champ connecte la sortie du circuit ampli-

ficateur-séparateur au second conducteur, et un quatrième transistor à effet de champ connecte le second conducteur

à un troisième conducteur sur lequel la tension de réfé-

rence est reproduite Un circuit diviseur à résistances ajustable par laser est connecté à la sortie du circuit amplificateur-séparateur, pour produire une tension de

référence ajustée, qui est appliquée à une borne de ten-

sion de référence d'un réseau de condensateurs de conver-

sion numérique-analogique du convertisseur analogique-

numérique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mieux compris à la lecture de la descrip-

tion qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre

d'exemples non limitatifs La suite de la description se

réfère aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de circuit d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est un schéma de circuit d'un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 3 est un schéma de circuit détaillé du circuit amplificateur- séparateur qui est incorporé dans les modes de réalisation des figures 1 et 2; et la figure 4 est un schéma de circuit détaillé du

circuit générateur de tension de référence qui est incor-

poré dans les modes de réalisation des figures i et 2.

En se référant à la figure 1, on note que le circuit 1 comprend un circuit générateur de tension de référence à bande interdite 2, ayant une impédance de sortie qui est désignée par la référence 3 L'impédance de sortie ZS du circuit à bande interdite 2 a une valeur d'environ 3,5 kiloohms Le signal de sortie du générateur de tension de référence 2 apparaît sur un conducteur 3 A qui est connecté à la source du transistor à effet de champ MOS 4 Le transistor MOS 4 peut être un transistor MOS à canal P ou à canal N, en fonction de la polarité du signal de commande V 1 qui est appliqué à l'électrode de grille du transistor MOS 4 Le drain du transistor MOS 4

est connecté par un conducteur 6 à une borne d'un conden-

sateur de découplage 5, dont l'autre borne est connectée à la masse La capacité C 1 du condensateur de découplage 5 a une valeur caractéristique de 1 à 10 microfarads Le conducteur 6 est également connecté à la source d'un transistor MOS 7 qui peut également être un transistor MOS

à canal P ou à canal N L'électrode de grille du transis-

tor MOS 7 est connectée de façon à recevoir un signal VATT qui déclenche un mode d'attente à faible consommation de puissance Le drain du transistor MOS 7 est connecté par un conducteur 9 à l'entrée non inverseuse d'un circuit

amplificateur-séparateur 8 La sortie du circuit amplifi-

cateur-séparateur 8 est connectée par un conducteur 10 à l'entrée inverseuse du circuit amplificateur-séparateur 8, et également à une borne d'une résistance au ?Nichrome ajustable par laser, 11 La tension VREFO apparaît sur le

conducteur 10.

L'autre borne de la résistance Il est connectée

par un conducteur 13 à une borne d'une résistance ajusta-

ble par laser 12, dont l'autre borne est connectée à la masse Les résistances Il et 12 forment un diviseur de tension ajustable Une tension de référence VREFO 1 est produite sur le conducteur 13 et elle est appliquée aux

noeuds de référence d'un réseau de condensateurs de con-

version numérique-analogique, 14, d'un convertisseur analogique- numérique à 16 bits, ou à un autre circuit qui nécessite une tension de référence ayant un faible bruit

et une précision élevée.

Le schéma de circuit de la figure 3 montre une forme de réalisation actuellement préférée du circuit amplificateur-séparateur 8; on considère que cette forme de réalisation est un exemple que l'homme de l'art

comprendra aisément Une description détaillée est donc

inutile Cependant, sur la figure 3, un transistor NPN 28 applique un courant de polarisation à un circuit miroir de courant NPN, dont le transistor de sortie 29 établit un courant de référence pour des circuits miroirs de courant

dans des étages suivants du circuit amplificateur-sépara-

teur 8 Le signal VATT qui est appliqué à la grille du transistor MOS 27 bloque le transistor 28, ce qui provoque le blocage du transistor 29 et réduit pratiquement à zéro la consommation de puissance des étages suivants La tension VATT bloque également le transistor MOS 23 et débloque le transistor MOS 24, ce qui a pour effet de bloquer le transistor MOS 26 et de réduire pratiquement à

zéro la consommation de puissance dans cet étage La ten-

sion VATT bloque également le transistor MOS 25, ce qui réduit pratiquement à zéro la puissance consommée dans

l'étage final du circuit amplificateur-séparateur 8.

Le circuit générateur de tension de référence à bande interdite 2 peut être de conception classique Un circuit à bande interdite approprié est utilisé dans le circuit intégré convertisseur analogique-numérique à 12

bits AD 57800 précité, qui est commercialisé par la deman-

deresse Cependant, un transistor NPN 31 a été ajouté à la structure antérieure pour effectuer la mise sous tension du circuit à bande interdite 2, comme représenté sur la figure 4 Lorsque le signal V 1 débloque le transistor MOS 32, il bloque également le transistor MOS 33 qui connecte

le conducteur 40 à la masse Le courant 38 établit immé-

diatement une tension de base sur le transistor 31, ce qui fait que son émetteur fait circuler un courant 39 dans les résistances indiquées, ce qui déclenche la génération d'une tension de bande interdite par les transistors NPN

36 et 37, d'une manière bien connue La tension de l'émet-

teur du transistor 31 s'élève suffisamment pour bloquer ce transistor après que la mise sous tension du circuit à

bande interdite 2 a été accomplie.

Pendant le fonctionnement normal du convertis-

seur analogique-numérique, les transistors MOS 4 et 7 sur

la figure 1 sont respectivement débloqués par V 1 et VATT.

Le condensateur d'attente est complètement chargé Le

circuit générateur de tension de référence à bande inter-

dite produit de façon caractéristique du bruit sur le conducteur 3 A, avec un niveau pouvant atteindre 20 à 40 millivolts crête à crête, à des fréquences s'élevant jusqu'à 10 mégahertz ou plus La résistance de canal à

l'état conducteur du transistor MOS 4 est approximative-

ment de 25 ohms, ce qui fait que sa résistance plus

l'impédance ZS coopèrent avec la capacité de 1 à 10 micro-

farads du condensateur de découplage 5 pour filtrer effi-

cacement ce bruit, en le réduisant d'un facteur approxi-

mativement égal à 1000.

La tension de sortie de bande interdite filtrée qui est présente sur le noeud 6 est transmise par le //

transistor MOS au conducteur 19 Un niveau de bruit rela-

tivement faible que génère le circuit amplificateur-

séparateur 8 est ajouté à la tension de référence filtrée V 9 présente sur le conducteur 9, et ce bruit est inclus dans la tension de référence VREFO qui est produite sur le conducteur 10 La réaction de la tension sur le conducteur

, vers l'entrée non inverseuse de l'amplificateur-

séparateur 8, maintient la tension sur le conducteur 10 à une valeur pratiquement identique à la tension sur le

conducteur 9.

Il faut noter que si on désire faire fonctionner le circuit dans le mode d'attente à faible puissance, on commande les tensions V 1 et VATT de façon à bloquer les transistors MOS 4 et 7 Ceci évite que la charge qui est emmagasinée dans le condensateur de découplage 5 ne fuie

par ZS et des dispositifs de rappel au niveau bas à l'in-

térieur du générateur de tension de référence 2, ou par la

résistance d'entrée du circuit amplificateur-séparateur 8.

Si ceci se produisait, lorsque les transistors MOS 4 et 7 seraient à nouveau débloqués pour provoquer la "montée en

puissance" du circuit 1, une durée d'environ 350 milli-

secondes serait nécessaire pour charger le condensateur de découplage 5 jusqu'à sa tension normale d'environ 2,5 volts Ce retard serait absolument inacceptable dans une situation caractéristique dans laquelle l'utilisateur a besoin d'effectuer des conversions analogique- numérique qui exigent seulement environ 25 microsecondes chacune (comme cela est possible avec certains convertisseurs analogique-numérique CMOS à 16 bits correspondant à l'état

actuel de la technique).

Le circuit de la figure 1 procure un bon filtra-

ge du bruit de haute fréquence qui est produit par le générateur de tension de référence 2, empêchant ainsi que ce bruit ne soit emmagasiné dans le condensateur de découplage 5 et ne produise des erreurs de conversion pour le bit de moindre poids Dans certains cas, la tension de

bruit supplémentaire que produit l'amplificateur-sépara-

teur 8 est suffisamment faible pour ne pas être inaccepta-

ble. En se référant à la figure 2, on voit un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel un second condensateur de découplage 19, ayant une capacité C 2 de 1 à 10 microfarads, est connecté par le conducteur 17 au drain du transistor MOS 16 et à la source du transistor MOS 18 Les électrodes de grille des transistors MOS 16 et 18 sont toutes deux connectées de façon à recevoir la tension VATT La source du transistor MOS 16 est connectée à la sortie du circuit amplificateur-séparateur 8, et le drain du transistor MOS 18 est connecté par le conducteur

10 à l'entrée inverseuse du circuit amplificateur-sépara-

teur 8 et aux résistances ajustables par laser 11 et 12.

Les transistors MOS 16 et 18 peuvent être du type à canal N ou à canal P en fonction de la polarité de la tension VATT Le conducteur 17 est connecté à un conducteur de

boîtier de circuit intégré externe, de façon que le con-

densateur de découplage 19 puisse être un condensateur externe Le fonctionnement de la partie du circuit de la figure 2 qui comprend les transistors MOS 4 et 7 et le circuit amplificateur-séparateur 8 est le même que celui du circuit de la figure 1 Le bruit de haute fréquence que produit le circuit amplificateur-séparateur 8 est filtré par la résistance de canal du transistor MOS 16 et par la capacité du condensateur de découplage 19 Si le courant qui doit être débité par le conducteur 13 est suffisamment faible pour que les chutes de tension résultantes entre les sources et les drains des transistors MOS 16 et 18

soient négligeables sur la plage de température de fonc-

tionnement désirée, on peut utiliser le circuit l A de la figure 2 pour obtenir un bruit interne très faible sur le conducteur 13, en combinaison avec une montée en puissance rapide à partir d'un mode d'attente à faible puissance, et on peut donc obtenir une conversion très précise pour le

bit de moindre poids dans le convertisseur analogique-

numérique A titre d'exemple, dans un convertisseur analogique- numérique à 16 bits, une tension de bruit de 40 microvolts peut entraîner une erreur de conversion pour le bit de moindre poids Le circuit décrit ci-dessus réduit la tension de bruit sur le conducteur 10 à moins d'environ microvolts pour des résistances de canal d'environ 25

ohms pour les transistors MOS 4, 7, 16 et 18.

Si un plot de test 17 A est prévu, comme on le désire quelquefois, tout courant absorbé par celui-ci par l'intermédiaire du transistor MOS 16 est automatiquement compensé par la réaction allant du conducteur 10 vers

l'entrée inverseuse du circuit amplificateur-séparateur 8.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits

et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.

il

Claims

REVENDICATIONS

1 Circuit générateur de tension de référence, incorporé dans un convertisseur analogique-numérique en circuit intégré, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: (a) un circuit à bande interdite ayant un conducteur de sortie ( 3 A) et produisant sur celui-ci une première tension de référence; (b) un premier transistor à effet de champ ( 4) qui connecte le conducteur de sortie ( 3 A) du circuit à bande interdite à un premier conducteur ( 6), ce premier conducteur étant connecté à un premier condensateur de découplage externe ( 5); (c) un circuit amplificateur-séparateur ( 8); (d) un second transistor à effet de champ ( 7) qui connecte le premier conducteur à

une entrée non inverseuse ( 9) du circuit amplificateur-

séparateur; (e) des moyens ( 10) destinés à connecter une sortie du circuit amplificateur-séparateur à une entrée inverseuse de ce circuit; (f) des moyens (V 1 et VATT) qui

sont destinés à débloquer les premier et second transis-

tors à effet de champ pendant des conversions effectuées par le convertisseur analogique-numérique, le premier transistor à effet de champ ( 4) et le premier condensateur de découplage ( 5) coopérant avec l'impédance de sortie du circuit à bande interdite de façon à filtrer le bruit de fréquence élevée que le circuit à bande interdite produit sur la première tension de référence, pour appliquer ainsi une seconde tension de référence précise (V 9) à l'entrée

non inverseuse ( 9) du circuit amplificateur-séparateur.

2.,-Circuit générateur de tension de référence selon la revendication 1, incorporé dans un convertisseur analogique-numérique en circuit intégré, caractérisé en ce qu'il comprend un second condensateur de découplage ( 19) qui est connecté à un second conducteur ( 17), un troisième transistor à effet de champ ( 16) qui connecte la sortie

( 8 A) du circuit amplificateur-séparateur au second conduc-

teur, et un quatrième transistor à effet de champ ( 8) qui

connecte le second conducteur ( 17) à un troisième conduc-

teur ( 10), une troisième tension de référence (VREFO)

étant produite sur le troisième conducteur.

3 Circuit générateur de tension de référence, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: (a) un circuit à bande interdite ayant un conducteur de sortie ( 3 A) et produisant sur celui-ci une première tension de référence; (b) un premier transistor à effet de champ ( 4) connectant le conducteur de sortie ( 3 A) du premier circuit à bande interdite à un premier conducteur ( 6), ce premier conducteur étant connecté à un premier condensateur de

découplage externe ( 5); (c) un circuit amplificateur-

séparateur ( 8); (d) un second transistor à effet de champ ( 7) qui connecte le premier conducteur à une entrée non inverseuse ( 9) du circuit amplificateur-séparateur; (e) des moyens ( 10) destinés à connecter une sortie du circuit amplificateur-séparateur à une entrée inverseuse de ce

circuit; et (f) des moyens (V 1 et VATT) destinés à déblo-

quer les premier et second transistors à effet de champ pendant le fonctionnement à pleine puissance d'un circuit d'utilisation qui fonctionne sous la dépendance du circuit générateur de tension de référence, le premier transistor

à effet de champ ( 4) et le premier condensateur de décou-

plage ( 5) coopérant avec l'impédance de sortie du circuit à bande interdite pour filtrer le bruit de fréquence élevée que le circuit à bande interdite produit sur la première tension de référence, pour appliquer ainsi une seconde tension de référence précise (V 9) à l'entrée non

inverseuse ( 9) du circuit amplificateur-séparateur.

4 Procédé pour produire une tension de référen-

ce précise et à faible bruit, avec une faible dissipation de puissance moyenne, comprenant les étapes suivantes: (a) on met sous tension un circuit à bande interdite ayant un conducteur de sortie ( 3 A) et produisant sur celui-ci un

première tension de référence; (b) on connecte le conduc-

teur de sortie ( 3 A) du circuit à bande interdite à un

premier conducteur ( 6), en débloquant un premier transis-

tor à effet de champ ( 4), le premier conducteur étant connecté à un premier condensateur de découplage externe ( 5), et on filtre simultanément le bruit de fréquence élevée que le circuit à bande interdite produit sur la première tension de référence, pour produire ainsi une seconde tension de référence précise (V 6) sur le-premier conducteur ( 6); (c) on connecte le premier conducteur à

une entrée non inverseuse ( 9) d'un circuit amplificateur-

séparateur au moyen d'un second transistor à effet de

champ ( 7) pour produire ainsi la seconde tension de réfé-

rence sur l'entrée non inverseuse du circuit amplifica-

teur-séparateur; (d) on connecte une sortie du circuit amplificateurséparateur à une entrée inverseuse de ce circuit, pour reproduire la seconde tension de référence sur la sortie du circuit amplificateurséparateur; (e) on débloque les premier et second transistors à effet de champ pendant le fonctionnement à pleine puissance d'un

circuit d'utilisation, pour faire en sorte que la résis-

tance de canal du premier transistor à effet de champ ( 4) et l'impédance de sortie du circuit à bande interdite coopèrent avec le premier condensateur de découplage ( 5) pour réaliser le filtrage; et (f) on bloque les premier et second transistors à effet de champ pour passer dans un mode de fonctionnement à puissance réduite et pour

empêcher la décharge du premier condensateur de découpla-

ge ( 5).