FR3059439A1 - Generateur de signal d'horloge - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de conversion d'une impulsion optique en impulsion électronique comprenant une photorésistance (302) ayant des première et deuxième bornes et étant adaptée à recevoir un signal laser pulsé (204) en provenance d'une source laser (202) à modes bloqués, dans lequel : la première borne est reliée à un noeud d'application d'un potentiel de référence (GND) par un élément résistif (214) et un élément capacitif (304) reliés en parallèle ; et la deuxième borne est connectée à un noeud (210) d'application d'un potentiel d'alimentation (VDC).
Description
Domaine
La présente demande concerne un dispositif optoélectronique, et en particulier un dispositif de génération de signal d'horloge.
Exposé de l'art antérieur
La figure 1 illustre un signal d'horloge 100 en fonction du temps. Le signal d'horloge est destiné à être utilisé par un circuit électronique, par exemple un circuit de conversion analogique-numérique ADC (de l'anglais Analog to
Digital Converter) ayant une résolution élevée, par exemple supérieure à 14 bits, et une fréquence d'entrée élevée, par exemple supérieure à 1 GHz. Le signal d'horloge peut avoir une fréquence d'horloge élevée, par exemple supérieure à 100 MHz.
Le signal d'horloge 100 comprend des impulsions électroniques 102 dont chacune débute par un front montant 104. Il serait souhaitable pour le circuit ADC que le signal d'horloge corresponde à un signal idéal 108, représenté en pointillés, ayant des fronts montants successifs séparés d'une durée régulière tg. Cependant, en pratique, les fronts montants
0 104 ne sont pas parfaitement réguliers et, par rapport aux fronts montants idéaux, les fronts montants 104 sont en avance ou en retard d'une durée aléatoire ht. La durée ht correspond à
B15493 - 16-GR1-0494 une valeur d'instabilité, dont l'écart type (ou valeur RMS, de l'anglais Root Mean Square) est dénommé gigue (de l'anglais jitter). Les signaux d'horloge générés par des dispositifs d'horloge courants présentent des gigues élevées, par exemple de plusieurs dizaines de fs. En outre, alors que le signal idéal 108 passe instantanément d'une valeur basse à une valeur haute, obtenir un temps de montée inférieur à quelques ps s'avère difficile en pratique.
Résumé
Un mode de réalisation prévoit un dispositif palliant tout ou partie des inconvénients décrits ci-dessus.
Un mode de réalisation prévoit un circuit d'horloge fournissant un signal en impulsions présentant une gigue faible, par exemple inférieure à 10 fs.
Un mode de réalisation prévoit un circuit d'horloge fournissant un signal en impulsions présentant un temps de montée court, par exemple inférieur à 4 ps.
Un mode de réalisation prévoit un circuit permettant de convertir des impulsions optiques en des impulsions électroniques avec un décalage aléatoire faible, par exemple inférieur à 10 fs, entre les impulsions optiques et les impulsions électroniques.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif de conversion d'une impulsion optique en impulsion électronique comprenant une photorésistance ayant des première et deuxième bornes et étant adaptée à recevoir un signal laser pulsé en provenance d'une source laser à modes bloqués, dans lequel : la première borne est reliée à un noeud d'application d'un potentiel de référence par un élément résistif et un élément capacitif reliés en parallèle ; et la deuxième borne est connectée à un noeud d'application d'un potentiel d'alimentation.
Selon un mode de réalisation, le produit de la capacité de l'élément capacitif par la valeur de résistance de la photorésistance à l'état passant est inférieur à 3 ps.
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Selon un mode de réalisation, la photorésistance est prévue pour avoir, au cours de l'impulsion optique, une valeur de résistance inférieure à 50 Ω.
Selon un mode de réalisation, la photorésistance comprend une région semiconductrice dopée à moins de 5*10^5 atomes/cm^ munie de deux contacts séparés d'une distance comprise entre 3 et 9 pm.
Selon un mode de réalisation, la région semiconductrice est en germanium et l'impulsion optique a une longueur d'onde centrale comprise entre 1,3 et 1,8 pm.
Selon un mode de réalisation, ladite région semiconductrice est en prolongement d'un évasement d'un coeur de silicium d'un guide d'ondes.
Selon un mode de réalisation, ladite région semiconductrice a une longueur comprise entre 15 et 20 pm.
Selon un mode de réalisation, la première borne de la photorésistance est reliée à l'entrée d'un amplificateur.
Selon un mode de réalisation, la valeur de résistance de l'élément résistif est comprise entre les valeurs de résistance de la photorésistance à l'état passant et à l'état non passant, par exemple égale à la racine carrée du produit des valeurs de résistance de la photorésistance à l'état passant et à l'état non passant.
Selon un mode de réalisation, le produit de la capacité de l'élément capacitif par la valeur de résistance correspondant à la photorésistance à l'état non passant en parallèle avec l'élément résistif, correspond à une durée supérieure à 100 ps.
Un mode de réalisation prévoit un générateur de signal d'horloge comprenant le dispositif ci-dessus.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
B15493 - 16-GR1-0494 la figure 1, décrite précédemment, illustre un signal d'horloge en fonction du temps ;
la figure 2 représente schématiquement un dispositif d'horloge ;
la figure 3A représente schématiquement un exemple d'un mode de réalisation d'un dispositif d'horloge ;
la figure 3B est un chronogramme illustrant un signal laser et un signal d'horloge dans le dispositif de la figure 3A ; et les figures 4A et 4B sont des vues schématiques, respectivement de dessus et en coupe, d'un exemple de photorésistance d'un mode de réalisation d'un dispositif d'horloge.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les divers chronogrammes et vues ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les sources laser émettant des impulsions optiques et les circuits utilisant des impulsions électroniques ne sont pas représentées en détail.
Dans la description qui suit, sauf précision contraire, les expressions sensiblement, et de l'ordre de signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Dans la présente description, le terme connecté désigne une connexion électrique directe entre deux éléments, tandis que le terme couplé ou relié désigne une connexion entre deux éléments qui peut être directe ou par 1'intermédiaire d'un ou de plusieurs composants passifs ou actifs, comme des résistances, des condensateurs, des inductances, des diodes, des transistors, etc...
Afin d'obtenir un signal électronique d'horloge en impulsions présentant une gigue faible, on propose ici de convertir en impulsions électroniques des impulsions optiques
B15493 - 16-GR1-0494 fournies par une source laser de type à modes bloqués (de l'anglais mode locked laser). Une telle source produit un signal laser pulsé ayant une gigue extrêmement faible, typiquement inférieure à 10 fs, et présentant des fronts extrêmement raides de temps de montée et de descente par exemple inférieurs à 100 fs.
La figure 2 représente un dispositif d'horloge 200. Le circuit d'horloge comprend une source laser pulsé 202 (PULSE) prévue pour produire un signal laser pulsé 204.
Une photodiode 206 est reliée à la source laser pulsé 202 par un guide d'ondes 208. La présence du guide d'ondes n'augmente pas la gigue du signal laser, mais augmente légèrement les temps de montée et de descente qui restent très courts, typiquement inférieurs à quelques ps. La photodiode 206 a sa cathode connectée à un noeud 210 d'application d'un potentiel haut VDC, et son anode connectée à un noeud 212 relié par un élément résistif 214 à un noeud d'application d'un potentiel de référence, par exemple une masse GND. Le noeud 212 est relié à l'entrée d'un amplificateur de tension 216 qui fournit un signal d'horloge 218 destiné par exemple à un circuit ADC 220.
En fonctionnement, à chaque impulsion optique, la photodiode produit un photocourant Ig, ce qui provoque une impulsion du signal d'horloge 218. Un problème est que le signal d'horloge obtenu est difficilement utilisable par le circuit ADC 220 lorsque ce circuit est de résolution élevée et de fréquence d'entrée élevée.
En effet, si on veut obtenir une photodiode pouvant convertir la quasi-totalité du rayonnement optique du laser en photocourant, cette photodiode doit présenter des dimensions suffisantes. La photodiode présente alors une capacité Cp élevée entre sa cathode et son anode, supérieure typiquement à 1 pf pour un potentiel haut VDC compris entre 0,5 et 2 V. La capacité Cp rallonge le temps de montée des impulsions du signal d'horloge 218, ce qui pose au circuit ADC des problèmes de
B15493 - 16-GR1-0494 fonctionnement similaires à ceux provoqués par une gigue élevée du signal d'horloge.
On peut chercher à diminuer la capacité Cp de la photodiode en réduisant les dimensions de la photodiode, mais ce faisant on diminue inévitablement l'intensité du photocourant Iq généré. Les variations de potentiel du noeud 212 se distinguent alors mal du niveau de bruit produit par la photodiode 206 et par l'élément résistif 214. Ce bruit produit dans le signal d'horloge une gigue élevée, par exemple supérieure à 50 fs, malgré la gigue extrêmement faible du signal laser pulsé 204.
Pour résoudre ces problèmes, on pourrait tenter de remplacer la photodiode par exemple par une photodiode de type PIN ou par un phototransistor, mais ceci poserait des problèmes d'intégration, de fabrication et de mise en oeuvre.
On propose ici un dispositif d'horloge basé sur la conversion d'un signal laser pulsé en signal électronique d'horloge, dans lequel la conversion entre impulsions optiques et impulsions électroniques est réalisée en conservant des temps de montée courts, et sensiblement sans ajouter de gigue aux impulsions optiques.
La figure 3A représente un exemple d'un mode de réalisation d'un dispositif d'horloge 300 basé sur la conversion d'un signal optique en un signal électronique.
Le dispositif 300 diffère du dispositif 200 de la figure 2 en ce qu'il comprend une photorésistance 302 à la place de la photodiode 206 du dispositif 200. La photorésistance 302 comprend une région semiconductrice, intrinsèque ou faiblement dopée, par exemple à moins de 5* 10^-6 atomes/cm3 ou à un niveau de l'ordre de 5*10^^ atomes/cm^, de préférence en germanium dans le cas d'un laser dont la longueur d'onde centrale est située dans le proche infrarouge et est comprise par exemple entre 1,3 et 1,8 pm. Cette région semiconductrice est munie de part et d'autre de deux contacts séparés d'une distance par exemple comprise entre 3 et 9 pm, par exemple de l'ordre de 8 pm.
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Par ailleurs, le dispositif 300 comprend des éléments similaires à ceux du dispositif 200 de la figure 2, agencés de manière similaire. Ainsi, la photorésistance 302 relie un noeud 210 d'application du potentiel VDC à un noeud 212 couplé à la masse par une résistance 214, le noeud 212 étant couplé à l'entrée d'un amplificateur 216 dont la sortie est couplée à un circuit ADC 220.
Le dispositif 300 comprend en outre un élément capacitif 304 reliant le noeud 212 à la masse GND. Une valeur de capacité C représente celle de l'élément capacitif 304 et de tous les autres éléments connectés au noeud 212. A titre de variante, l'élément capacitif 304 peut être une capacité d'entrée de l'amplificateur 216.
La figure 3B est un chronogramme illustrant, en fonction du temps, dans le dispositif 300 de la figure 3A en fonctionnement, le signal laser pulsé 204 et le signal d'horloge 308 fourni par l'amplificateur 216.
Le niveau du signal laser pulsé 204 correspond à la puissance P du rayonnement optique reçu par la photorésistance 302. Le signal laser pulsé 204 comprend des impulsions 310 de puissance crête Pq, entre lesquelles aucun rayonnement optique significatif n'est reçu par la photorésistance. A titre d'exemple, la puissance moyenne du signal laser est supérieure à 10 mW. Les impulsions optiques 310 ont des fronts montants 312 séparés d'une durée tq. A titre d'exemple, la source laser 202 est prévue pour que la durée tq soit inférieure à 10 ns, de préférence inférieure à 1 ns. A titre d'exemple, la source laser 202 et le guide d'ondes 208 sont choisis de sorte que les impulsions optiques 310 aient une durée tp inférieure à 4 ps, pendant laquelle la puissance P est supérieure à la moitié de la puissance crête Pq. Entre les impulsions optiques 310, la photorésistance 302 a une valeur haute de résistance Roee- Au cours des impulsions optiques, la valeur de la photorésistance 302 passe à une valeur basse Rqjq.
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La photorésistance 302 du dispositif 300 est choisie pour que le produit de la valeur de résistance Rqn par la valeur de capacité C corresponde à une durée faible, par exemple inférieure à la durée des impulsions optiques 310, par exemple inférieure à 3 ps. En outre, la valeur de résistance Rqn est choisie pour être faible, par exemple la valeur de résistance Rqn est choisie inférieure à 50 Ω, de préférence inférieure à 15 Ω. Par ailleurs, la différence entre les potentiels haut VDC et bas GND est par exemple comprise entre 0,5 et 2 V. La valeur R de la résistance 214 est par exemple comprise entre 0,2 et 5 ]<Ω.
A chaque impulsion optique 310 correspond une impulsion électronique 314 du signal d'horloge 308. Pendant chaque front montant des impulsions 314, le niveau V du signal 308 augmente à partir d'une valeur initiale Vq et rejoint une valeur crête Vp après un temps de montée îqn- Le niveau V diminue ensuite pendant une phase de descente pour rejoindre la valeur Vq après un temps de descente tQpp.
Du fait que le produit Ron*C est faible, le temps de montée îqn du signal d'horloge est court, par exemple inférieur à 4 ps. Pour cela, on a choisi un amplificateur 216 suffisamment rapide pour ne pas augmenter significativement le temps de montée de la tension au niveau du noeud 212.
En outre, du fait que le produit Ron*C est faible, et du fait que la résistance Rqn est faible, le signal d'horloge 308 fourni par le dispositif 300 a une gigue particulièrement faible, par exemple inférieure à 10 fs. En effet, une valeur de résistance Rqn faible permet de choisir une capacité C suffisante pour obtenir un niveau de bruit de la tension du noeud 212 particulièrement faible pendant les fronts montants du signal d'horloge 308. Ce niveau de bruit faible, associé à un temps de montée court, permet une gigue faible de la tension du noeud 212.
On note que, contrairement à un préjugé courant sur les photorésistances, la photorésistance 302 a des temps de
B15493 - 16-GR1-0494 réaction suffisamment courts pour permettre de convertir des signaux de fréquences aussi élevées que celles du signal laser pulsé 204. En particulier, contrairement à ce préjugé, la photorésistance 302 est suffisamment rapide pour que sa résistance ait le temps de revenir à la valeur Rqff après chaque impulsion optique 310. Pour obtenir cela, comme indiqué précédemment, on a prévu dans la photorésistance 302 que les contacts de part et d'autre de la région semiconductrice soient séparés d'une distance faible, par exemple inférieure à 9 pm. Cette distance est prévue pour que les charges qui sont créées dans la région semiconductrice à chaque impulsion optique, et qui permettent alors le passage de courant dans la photorésistance, se recombinent aux contacts en un temps par exemple inférieur à 1 ns.
Par ailleurs, la photorésistance 302 a une valeur de résistance Roff élevée, par exemple supérieure à la valeur R de la résistance 214. L'élément capacitif 304 permet d'obtenir des temps de descente Tqff des impulsions 314 du signal d'horloge 308 suffisamment longs, en sorte que les impulsions 314 aient une durée suffisante pour permettre l'utilisation du signal d'horloge 308 par le circuit ADC 220. A titre d'exemple, le produit de la capacité C par la valeur de résistance d'une résistance de valeur Rqff en parallèle avec une résistance de valeur R correspond à une durée supérieure à 100 ps.
A titre d'exemple, on prévoit que l'élément résistif 214 soit formé par une photorésistance similaire à la photorésistance 302 non soumise au rayonnement optique du laser. On obtient ainsi des valeurs de R et Roff sensiblement égales. A titre de variante, la valeur de résistance R est comprise entre Rqn et RoFF' Par exemple égale à la racine carrée du produit Ron*^OFF' permettant d'optimiser la différence entre les niveaux bas et haut de la tension du noeud 212.
Les figures 4A et 4B sont des vues schématiques, respectivement de dessus et en coupe suivant un plan B-B, d'un exemple de photorésistance 302 du type de la photorésistance du
B15493 - 16-GR1-0494 dispositif 300. Lorsque l'on fait ici référence aux termes sur, ou horizontal, il est fait référence à l'orientation de l'élément concerné dans la fiqure 4B, étant entendu que, dans la pratique, la structure décrite peut être orientée différemment.
La photorésistance 302 comprend, sur un support 402 recouvert d'une couche 404 d'oxyde de silicium, une réqion 406 en qermanium située en prolonqement d'un évasement 408 de l'extrémité d'un coeur de quide d'ondes 208. Le coeur 208, l'évasement 408 et la réqion 406 reposent sur la couche 404 et sont d'épaisseurs par exemple sensiblement éqales. En vue de dessus, la réqion 406 a par exemple la forme d'un rectanqle dont un petit côté est en contact avec l'évasement 408. Une couche 410 d'oxyde de silicium recouvre la couche 404 en dehors du coeur 208, de l'évasement 408 et de la réqion 406 qui affleurent la surface de la couche 410. La structure est recouverte d'une couche 411 d'oxyde de silicium. Le coeur de quide d'ondes 208 son évasement 408 et la réqion 406, sont ainsi entourés d'oxyde de silicium.
La réqion 406 est munie de contacts 412 et 414 en partie supérieure, de part et d'autre de la réqion 406, en contact avec la couche 410. Des exemples de contacts 412 et 414 sont détaillés dans la vue en coupe de la fiqure 4B. Chaque contact comprend une réqion dopée 416, par exemple du type P, en contact avec une métallisation 418 qui peut s'étendre sur la couche 410 en s'éloiqnant de la réqion 406. Les réqions dopées 416 des contacts 412 et 414 sont du même type de conductivité. Chaque réqion dopée 416 et la métallisation 418 associée peuvent s'étendre en vue de dessus sur la totalité d'un côté de la réqion 406. Les contacts 412 et 414 constituent les bornes de la photorésistance, et sont reliés aux noeuds 210 et 212 du dispositif 300.
La réqion 406 en qermanium est intrinsèque, c'est-àdire non dopée volontairement, ou présente un niveau de dopaqe faible, par exemple inférieur à 5*10^^ atomes/cm^ ou à un niveau
B15493 - 16-GR1-0494 de l'ordre de 5*10^6 atomes/cm^, du même type de conductivité que les régions 416.
A titre d'exemple, le coeur 208 a des dimensions transversales comprises entre 300 nm et 3 pm, par exemple le coeur 208 a une section rectangulaire de 300 nm dans la direction de l'épaisseur des couches et de 500 nm horizontalement. A titre d'exemple, le rectangle dessiné par la région 406 vue de dessus a une largeur comprise entre 3 et 9 pm. A titre d'exemple, la longueur sur laquelle la photorésistance s'étend à partir de l'évasement 408, ou longueur de la photorésistance, est comprise entre 15 et 20 pm.
En fonctionnement, une source laser émet un rayonnement optique, par exemple de longueur d'onde centrale comprise entre 1,3 et 1,8 pm, par exemple 1560 nm. Ce rayonnement se propage dans le guide d'ondes 208 sans être significativement absorbé et parvient à la région 406. Du fait que la région 406 est en germanium, le rayonnement optique y est absorbé et provoque le passage d'un courant entre les contacts 412 et 414.
Du fait que la région 406 en germanium est en prolongement de l'évasement 408 du guide d'ondes 208, le rayonnement optique pénètre efficacement dans la région 406 avant d'y être absorbé. On obtient un taux de conversion du rayonnement optique en courant particulièrement élevé, permettant une résistance Rqp à l'état passant faible. En outre, comme indiqué précédemment, on a obtenu une photorésistance permettant de réaliser cette conversion à des fréquences élevées, par exemple supérieures à 100 MHz.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, dans le dispositif 300 de la figure 3A, l'élément résistif 214 et l'amplificateur 216 forment un circuit de conversion d'un courant d'entrée en provenance du noeud 212 en une tension correspondant au signal d'horloge 308. On pourra remplacer l'élément résistif 214 et l'amplificateur 216 par tout
B15493 - 16-GR1-0494 autre circuit de conversion courant-tension adapté. A titre d'exemple, l'amplificateur 216 du circuit de conversion du dispositif 300 est omis et le noeud 212 est connecté directement au circuit 220. Le circuit de conversion courant-tension peut comprendre alors le seul élément résistif 214 et/ou une résistance d'entrée du circuit 220 reliant le noeud 212 à la masse GND.
En outre, dans les modes de réalisation décrits, on peut, à titre de variante, échanger les potentiels bas GND et haut VDC, et obtenir ainsi des fronts descendants. On peut aussi inverser les sens montant et descendant des fronts du signal d'horloge, par exemple en remplaçant l'amplificateur 216 par un amplificateur inverseur. Ainsi, on peut obtenir des fronts montants en échangeant les emplacements de la résistance 214 et de la photorésistance 302 et en remplaçant l'amplificateur par un amplificateur inverseur.
Bien que, dans les modes de réalisation décrits, le circuit électronique 220 recevant un signal d'horloge soit un convertisseur analogique-numérique, le signal d'horloge peut être utilisé par tout circuit utilisant pour fonctionner un signal d'horloge, par exemple un circuit logique ou numérique, ou peut être par exemple utilisé comme signal de référence d'une boucle à phase asservie PLL (de l'anglais Phase Locked Loop).
B15493
16-GR1-0494
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de conversion d'une impulsion optique (310) en impulsion électronique (314) comprenant une photorésistance (302) ayant des première et deuxième bornes et étant adaptée à recevoir un signal laser pulsé (204) en (202) modes bloqués, dans provenance d'une source laser lequel :la première borne est reliée à un noeud d'application d'un potentiel de référence (GND) par un élément résistif (214) et un élément capacitif (304) reliés en parallèle ; et la deuxième borne est connectée à un noeud (210) d'application d'un potentiel d'alimentation (VDC).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le produit de la capacité (C) de l'élément capacitif (304) par la valeur de résistance (Rq^) de la photorésistance (302) à l'état passant est inférieur à 3 ps.
- 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la photorésistance (302) est prévue pour avoir au cours de l'impulsion optique (310) une valeur de résistance (Rqj^) inférieure à 50 Ω.
- 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la photorésistance (302) comprend une région semiconductrice (406) dopée à moins de 5*10^^ atomes/cm^ munie de deux contacts (412, 414) séparés d'une distance comprise entre 3 et 9 pm.
- 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la région semiconductrice (406) est en germanium et l'impulsion optique (310) a une longueur d'onde centrale comprise entre 1,3 et 1,8 pm.
- 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel ladite région semiconductrice (406) est en prolongement d'un évasement d'un coeur de silicium d'un guide d'ondes (208).
- 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel ladite région semiconductrice (406) a une longueur comprise entre 15 et 20 pm.B15493 - 16-GR1-0494
- 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première borne de la photorésistance (302) est reliée à l'entrée d'un amplificateur (216) .5
- 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la valeur de résistance (R) de l'élément résistif (214) est comprise entre les valeurs de résistance de la photorésistance à l'état passant (Ron) et à l'état non passant (Roff)' Par exemple égale à la racine carrée
- 10 du produit des valeurs de résistance de la photorésistance à l'état passant et à l'état non passant.10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le produit de la capacité (C) de l'élément capacitif (304) par la valeur de résistance15 correspondant à la photorésistance (302) à l'état non passant en parallèle avec l'élément résistif (214), correspond à une durée (îoff) supérieure à 100 ps.
- 11. Générateur de signal d'horloge comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.B 154931/3200
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